表面涂层技术在水轮机抗磨蚀中的应用及发展

郑 凯，朱海峰，常 龙，李甲骏

（河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北省石家庄市 050000）

表面涂层技术在水轮机抗磨蚀中的应用及发展

郑 凯，朱海峰，常 龙，李甲骏

（河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北省石家庄市 050000）

本文简述了水轮机过流面磨蚀的情况及影响因素，着重论述了各种表面涂层技术在水轮机过流面上的抗磨蚀应用情况以及涂层技术在水轮机上的最新应用和发展。

水轮机抗磨蚀；非晶陶瓷涂层；空蚀

0 引言

在水力发电机机组的运行中，运行环境的优劣将对机组设备的运行安全性和稳定性以及使用寿命产生较大影响，其中水轮机的空蚀和磨损影响最大。本文对水轮机磨蚀机理进行了分析，并依此重点对目前各种表面涂层技术在水轮机抗磨蚀的应用和发展进行了论述。

1 我国河流泥沙及其对水力设备的磨损概况

中国河流携沙量之多在世界几乎居于首位，黄河、长江的总输沙量占世界12条大河总输沙量的34%。黄河是我国泥沙最多的河流，也是世界上少有的多沙河流，它的年输沙量达16亿t，年平均含沙量37.5kg/m3。长江平均年输沙量仅次于黄河，宜昌站统计平均年输沙量为5.14亿t。辽河流域泥沙主要来自西辽河，例如其太平庄站平均年输沙量为0.13亿t，通辽站的年输沙量为0.22亿t，铁岭站年输沙量为0.48亿t。海滦河的官厅站年输沙量为0.82亿t，滦县站年输沙量为0.22亿t。

我国南方大部分河流含沙量不大，但径流量大，输沙量也较大，如珠江流域的西江梧州站年输沙量为0.72亿t，元江年输沙量为0.36亿t，澜沧江年输沙量为0.74亿t。因此，我国多泥沙河流总量不少，我国水轮机的泥沙磨损问题是相当突出的。水轮机泥沙磨损会使机组运行效率降低导致年发电量减少，一些中小型水轮机磨损后的效率下降可达3%～10%，由于磨损问题水电站不得不缩短大修间隔，增加大修费用及备品费用，磨损严重的水轮机，若检修不及时，机组等效强迫停运率增大，降低了机组等效可用系数及运行灵活性。

为了提高水力机械运行的效率，在设计上正不断地向低压值、高比速方向发展，但在多泥沙的河流上，这样更容易让水轮机转轮以及其他流部件的空蚀和磨损变得严重，很多水电站的水轮机经过一次汛期或一次拦洪排沙的运行，转轮就必须大修了。由此，大家意识到单靠流体力学方面的设计去解决空蚀与磨损问题是不现实的，还需要在过流面上采取尝试更加抗空蚀、抗磨损的表面防护对策。

图1～图3为举例水轮机磨蚀现象。

图1 叶片边缘磨蚀最大缺口15cm

图2 底环磨蚀严重最大50mm深坑

图3 导叶整体磨蚀严重失重量达到30%

2 水力设备过流面磨蚀机理及影响因素分析

2.1 空蚀

水轮机空蚀的主要原因是由于过流速度加快之后，在低压至汽化压力以下的情况下，水就由液态变为气态，这种气穴逐渐成长，到达高压区后，瞬间的溃灭而出现相当大的冲击力，在这种力的连续作用下产生空蚀破坏。空蚀破坏的表征是：金属表面先被破坏呈针状小孔、小麻点，以后逐渐发展为灰暗无光泽的海绵状蜂窝。影响空蚀的主要因素是流体与过流面的相对速度，空蚀与速度的高次方成正比，故高水头、高参数的水轮机的空蚀程度往往高于低水头和低流速的水轮机。

2.2 磨损

泥沙磨损的表征是：与沙粒运动方向一致的刮痕、擦伤小沟，以后发展为深沟、波纹、鱼鳞坑。如金属表面已经被空蚀破坏呈蜂窝状，则泥沙颗粒就极易切削或冲击海绵状的粗糙表面扩大损伤。

2.3 空蚀与磨损联合——磨蚀

如果金属表面被沙粒刮伤，破坏了表面的光滑，则不光滑的凹凸表面又极容易产生空蚀，这又加剧了刮伤处的破坏，宏观表现为鱼鳞坑和沟槽，如此恶性循环，形成了沙粒与空蚀联合破坏作用，即磨蚀。在含沙浑水条件下做空蚀失重试验，1Cr3不锈钢的失重量比清水纯气蚀条件下增加8～14倍。可见，联合作用下的磨蚀其破坏力是惊人的。

2.4 磨损状态及失效评估

目前缺乏对水轮机磨蚀评价的方法及统一行业标准，有研究人员提出用失效期的方式进行评价，即失效初期、失效中期和失效晚期。失效初期为水轮机的小修期；失效中期是水轮机的大修期；失效晚期是水轮机的报废期。按磨蚀坑的深度尺寸大小来评估如：3mm以内属于失效初期，3～5mm属于失效中期，5～30mm属于失效晚期。也有按效率降低程度来评价水轮机部件的磨蚀失效的，一般失效率下降8%～10%以上评价为失效晚期，叶片修复性很差，接近报废。

3 表面涂层防护技术

磨蚀是空蚀和磨损的联合作用，引起磨蚀的因素是复杂的，除空蚀破坏以外，磨蚀还与砂粒大小、形状、硬度、泥沙浓度、流速、粒子冲击方向有关，当然过流面金属表面的粗糙度、流线型、金属致密度、弹性模量、硬度也是影响磨蚀发展的影响因素。在空蚀和磨损联合作用时，当联合作用时间小于材料的空蚀潜伏期时，这时材料破坏主要为磨损作用，仅与流体速度、含沙量及砂粒形状、硬度有关；当联合作用时间显著超过材料的空蚀潜伏时间时，空蚀作用会变本加厉的增大形成快速破坏。因此表面涂层技术也是致力于通过涂层延长空蚀潜伏时间，推迟滞后空蚀爆发时间的一个有效手段。

3.1 国外水轮机抗磨蚀所做的工作

瑞士是世界上开展水轮机泥沙磨损研究最早的国家，早在20世纪30年代起就开始系统地研究水轮机的抗磨选材，斯坦福先后对300多种金属材料与非金属材料及表面硬化、堆焊材料等开展了抗磨对比试验。近些年，随着材料科学的进步，对磨损部件的检修，开始从最早的补焊堆焊耐磨合金保护发展到采用喷镀技术对易损件的表面进行保护，对混流式水轮机的蜗壳、尾水管等表面采用喷涂聚氨酯进行保护。

法国在20世纪50年代前后开始研究，早年对磨损件的修复，主要采用堆焊E48C或铜铝合金焊条，磨损严重的地方采用挖补耐磨钢板做防护面。喷针喷嘴还采用过电镀0.2mm厚的硬铬。从报道看，法国电力公司比较关心机组的效率，所以往往不等损坏严重就设法进行检修更换。法国在20世纪80年代后更多采用机械手堆焊及喷涂代替人工操作，以便进一步提高检修质量。

日本在20世纪50年代前后开始展开相关研究，对磨损的机组主要采用耐磨焊条补焊。20世纪70年代曾试用过环氧一类涂料，70年代后开展了各种高合金粉末表面喷涂、喷熔技术，近年来日本在陶瓷、环氧和新型不锈钢领域逐步开展抗磨蚀改进工作。

俄罗斯在20世纪60～70年代就尝试对各种非金属材料进行表面防护，如环氧、聚氨酯、热喷镀涂等方法，但目前仅在水泵上得到了一定的应用，还未见在水轮机上推广使用的信息。

印度近年来水电站的磨损问题也在增多，主要与英国水利工程实验室合作以等离子喷涂碳化钨涂层以及环氧涂层为主要手段进行保护。

美国、德国等也使用非金属材料对水轮机、水泵进行修复，但在我国电站使用中大多迅速脱落。

所以，除了要吸吸取国外经验外，必须结合国内实际情况，加强国内针对性的研究，才能获得更好的解决办法。

3.2 过流面抗磨蚀涂层材料的选用

过流部件的抗磨蚀涂层分为金属涂层（包括金属—陶瓷涂层）和非金属涂层两大类，通常也被称为硬涂层和软涂层。硬涂层包括耐磨焊条堆焊、金属粉末喷熔、碳化钨喷涂、镀硬铬等；软涂层包括聚氨酯、环氧金刚砂、复合尼龙、超高分子聚乙烯等。20世纪80年代以来引进的国外磨蚀防护技术也不外乎这两类。对于金属涂层，在保持有一定韧性的前提下，硬度越高抗磨蚀性越好。对于非金属涂层而言，涂层与基体的结合强度决定涂层的成败，无论哪种涂层，表面光滑度也是涂层设计者需要重点考虑的。人们总结抗磨蚀材料应尽量多地具备以下性能：韧性强；硬度高；材料组织均匀；晶粒细小组织致密；抗拉伸强度高；材料加工硬化性能好；疲劳极限高；弹性材料；腐蚀疲劳极限高；与母材结合强度高等。

为更好地研究磨蚀规律和磨损的预先评估，实现材料的抗磨蚀性能比较和筛选，国内外研究机构开发了各种磨损试验装置，例如：搅拌式和刮板式磨损试验装置、旋转间隙式磨损试验装置、喷射式磨损试验装置、绕流式磨损试验装置等。这些试验研究可以帮助我们获得一些磨蚀规律认识和定性数据，对耐磨蚀材料的开发选择是很有意义的。

3.2.1 聚合物及其复合涂层

弹性好的天然及合成的树脂材料有非常好的抗空蚀性能，如橡胶、环氧树脂、聚氨酯有很好的弹性，有些还具有一定的硬度。为了增加涂层的抗磨粒磨损性能，可加入耐磨性好的硬质颗粒。但是这种涂层因其结合强度受限及其流变性能而影响其广泛应用。

（1）环氧金刚砂涂层。双组分环氧树脂与高硬度金刚砂颗粒以一定比例配成胶泥，涂覆在过流部件表面固化后形成的黏接涂层，改进后的环氧树脂常温固化后与基体的黏接强度介于20～40MPa区间。该涂层主要解决磨损为主的部位，不同流域的泥沙粒径不同，树脂中的金刚砂也需要做相应的粒度调整才能达到好的耐磨颗粒把持力，从而发挥最佳耐磨特性。环氧金刚砂涂层耐空蚀性能差，对于空蚀强烈的部位环氧涂层还是容易大面积脱落，叶片空蚀部位补焊时，热输入量对周围的胶层损伤很大且涂层容易烧焦。

（2）聚氨酯弹性涂层。聚氨酯弹性体本身是公认的耐磨蚀理想材料，聚氨酯涂层施工速度快，涂层厚度可以轻松控制在设计厚度且成本低廉。近年来国内外许多单位进行了尝试，但聚氨酯涂层黏结强度还是不够高，黏接强度只停留在约20MPa的水平，黏结强度不足，故在抵抗空蚀冲击波破坏时表现得不太稳定，如在叶片背面等易于产生空蚀的区域常常容易成片脱落，这大大制约了聚氨酯涂层在水轮机上的应用，聚氨酯涂层在高速粒子打击下容易破损故只能在流速小于40m/s的工况下应用，但聚氨酯涂层在国内一些水泵轮的防磨上有成功应用，水轮机专用的新型可靠聚氨酯涂层研究开发仍在积极的进行中。

（3）复合尼龙涂层。采用火焰喷涂的办法在过流面喷涂复合尼龙粉末，尼龙涂层的耐磨蚀性能是30号钢的3倍，该技术属于火焰喷塑的范畴，可在现场灵活操作，粉末直接喷涂在金属表面一次成型不用后续的烤漆工艺，通过调整喷涂工艺，一次喷涂可形成2mm左右的涂层，但该涂层的致命缺点是：由于它是火焰喷涂瞬间直接成型，所以尼龙与金属之间没有过渡黏接底层，与过流面黏接强度甚至低于20MPa，故涂层容易在磨蚀中脱落。

（4）超高分子聚乙烯。超高分子聚乙烯塑料，在泥沙粒径≤0.065mm的条件下有很好的耐磨性，用做水轮机固定抗磨板及喷嘴口环，已有多年的成功经验。它具有耐磨性好，易加工，表面光滑，强度高，摩擦系数、吸水率和膨胀系数低，作为抗磨板最容易实现螺钉把合通用互换要求等优点。目前国内一些水电站的顶盖、底环等静止部件过流面应用超高分子聚乙烯耐磨衬板取得不错的效果。

3.2.2 金属、陶瓷及其复合涂层

（1）焊条堆焊。采用高铬铸铁焊条或钴铬钨焊条堆焊防磨虽然耐磨性良好，但堆焊表面易产生裂纹，且不易打磨修型，目前使用较多的是Cr13为主添加增强元素的不锈钢焊条，用该类焊材对过流面进行堆焊打磨。该材料抗裂性、抗空蚀性能优良，但由于硬度低，在含沙量大的工况耐磨性还是不够满意。

（2）硬质合金片贴焊。硬质合金片是由复合粉末烧结方法制得的一种高硬度耐磨片，该耐磨片由金属黏结相和碳化物硬质相组成，硬度达到HRC70以上，硬质相可以阻止金属黏结相的疲劳扩散，故在磨蚀中很难出现磨蚀深坑。将硬质合金片通过火焰钎焊或气体保护焊的方法贴焊在过流面上形成保护层，虽然硬质合金片抗磨蚀性能优异，但片与片之间拼接的焊缝缝隙容易被磨蚀掏空，使本来就不平滑连续的过流面阻力大幅增加，甚至会引起机组振动变大。

（3） 表面喷熔合金粉末。用特制的氧乙炔气焊枪将合金粉末喷熔在过流面表面形成约1mm厚的焊层，涂层与金属基体的结合达到300MPa以上，硬度约HRC60，该技术综合抗磨蚀性效果不错，自1980年以来甘肃省约有近200余台小型水轮机进行了过流面喷熔合金粉末防护，但该工艺热输入量大，且容易引发变形，目前只适用于小型水轮机的防护。

（4）热喷镀涂层。热喷镀技术是将高硬度的合金粉末或炭化钨粉末用喷枪熔化喷镀在过流表面形成一个低于0.5mm厚的保护涂层，其中氧乙炔火焰喷镀涂层结合强度只有20～30MPa容易脱落。等离子和高速火焰喷镀涂层稍好但设备较复杂，两种工艺在现场高湿度环境下制备的涂层与基体结合强度平均在40～60MPa，喷镀涂层硬度高耐磨但涂层韧性差还不足以抵抗空蚀的冲击，在易于发生空蚀区域涂层还是容易脱落。所以，碳化钨涂层在磨损为主空蚀不严重的机组中效果很明显，但在空蚀和磨损都较严重的机组中，它的防护效果往往是有争议的，这也是制约碳化钨涂层大范围推广的发展的一个原因。

（5） 高频爆震熔射非晶—陶瓷高韧高硬涂层抗磨蚀。一般认为，延伸性强的材料可以长时间经受空蚀作用而不受损，而脆性材料很快就会出现损耗，不锈钢及合金材料均属于结晶材料随着空蚀的不断作用容易出现局部塑性变形或晶界上的疲劳破坏。一种非晶—陶瓷涂层的出现很好地兼顾了以上概念，非晶—陶瓷具有高的弹性模量和金属延伸性强，表面既保持陶瓷的高硬度又兼有良好的金属韧性，同时非晶—陶瓷本身不属于结晶体材料的范畴，它没有晶界，更没有网状组织，空蚀的反复作用仍无法让它产生晶界上的疲劳受损，非晶—陶瓷组织中既有高硬度抗划伤的密排硬质陶瓷相又有高韧性耐空蚀的非晶金属相，且涂层表面平滑均匀，这正符合理想中的耐磨蚀材料的设计理念，这为水轮机的耐磨蚀打开了一个新的方向，国内有数家电站应用了抗空蚀磨损的系列非晶—陶瓷复合粉末材料，通过一种连续爆炸熔射的方法制备出高结合强度的抗空蚀耐磨涂层，效果不错。

（6）其他防护层。其他防护层如渗铝、电镀、陶瓷、激光强化、电火花沉积、纳米陶瓷粉复合刷镀等，由于种种原因，经过真机试验后，均存在一定问题或局限，目前尚未推广应用。

4 结束语

水轮机过流面抗磨蚀防护的方法很多，每种方法都有其固有的特点，国内外的研究人员一直在探索综合性好的表面防护涂层技术。笔者认为，在材料方面寻找创新突破是最容易取得成效的，通过科学严谨的工艺设计及条件保障，严格控制现场施工条件，将性能优异的涂层材料制备在过流表面，让真机的涂层各项指标真正达到或接近试验态理想水准是行之有效的。当然，材料和工艺也可以是优势互补的组合，如热喷涂与激光熔覆的复合、硬涂层与软涂层的复合等。因此，表面新材料的开发和工艺的现场化匹配复合是今后一段时期内的主要研究课题。

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郑 凯（1982—），男，本科，工程师，水机专工，主要研究方向：抽水蓄能电站水力机械设备技术管理。E-mail:18032155099@189.cn

常 龙（1979—），男，本科，工程师，计划专责，主要研究方向：抽水蓄能电站计划管理。E-mail: 234215471@qq.com

李甲骏（1984—），男，本科，工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站生产管理。E-mail: lijiajun2001@163.com

Sutrace Coating Technology in the Application and Development of Water Turbine Abrasion Resistance

ZHENG Kai，ZHU Haifeng CHANG Long，LI Jiajun
（Hebei ZhangHewan Pump Storage Power Station Co.Ltd.,Shijiazhuang 050000，China）

This article has summarized the turbine flow surface abrasion situation and influencing factors,Emphatically discusses all kinds of surface coating technology application in abrasion resistance on the surface of the water turbine flow and coating technology on the turbine applications and latest development.

turbine abrasion resistant; amorphous ceramic coating; cavitation