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科技成果——大型水利设备过流部件循环修复再制造及表面防磨减阻节能处理技术
技术开发单位
天津阿麦特工程技术有限公司、爱德艾瑞（北京）科技发展有限公司
成果简介
该技术针对水轮机及离心泵的汽蚀磨损这一业内通病难题，结合军转民技术，首次在国内用高频爆震熔射技术将专有的非晶金属陶瓷粉末熔射在零件表面形成高韧性、抗冲击超硬涂层，在非晶陶瓷涂层上进一步选择性涂覆专有抗汽蚀、磨蚀的聚合物陶瓷涂层，形成双涂层防护。
该技术开发了配套专用涂层施工工艺，可在用户现场实现灵活快速涂层施工，双涂层既可抵抗泥沙冲刷磨损，又能很好解决强汽蚀对水轮机和泵的过流部件破坏，使水轮机部件的金属磨耗失重量降低为原来的1/40，成功解决水利过流部件的汽蚀磨损难题。
该技术研发成功后，从2015年开始陆续在国内一些有代表性的水电及泵站进行推广，目前已服务50余套机组累计230余件过流部件，其抗汽蚀抗磨损效果卓越。
主要性能指标
1、非晶陶瓷涂层硬度HRC70～80，非晶陶瓷涂层厚度0.3mm，非晶陶瓷涂层结合强度≥70MPa。
2、聚合物陶瓷涂层厚度2-3mm，聚合物涂层结合强度≥40MPa，聚合物最高工作温度170℃。
适用范围
适用于水电站、提灌抽水泵站、挖泥泵、污水泵过流部件的修复及抗磨蚀涂层防护场合。
热喷涂技术在修复水轮机过流部件上的应用水轮机过流部件是水电站的主要设备，它的好坏关系到水电厂发电量和机组的运行情况，以及延长检修周期、降低检修费用和工人劳动强度等。
由于水电厂通过水利发电，长期收泥沙河流的影响，水电机组及其容易受到磨损腐蚀，为解决水轮机过流部件的严重磨损腐蚀，长青金属公司通过喷焊、热喷涂等多种技术进行试验研究，试验结果显示，采用热喷涂技术在金属表面喷涂碳化钨涂层，可以有效改善水轮机过流部件的腐蚀磨损情况。
碳化钨涂层是一种金属化合物涂料，为金属陶瓷，在经过底基表面喷砂除锈及表面抛光打磨后，进行活化处理，然后进行喷涂，形成防护涂层，这种涂层有较强的防腐耐磨性能，致密性高，与基体结合强度高，应用在水轮机转轮室、叶片正面、背面、头部及转轮体等较强气体腐蚀的区域，能有效延长其使用寿命。
水轮机叶片抗磨蚀材料的应用探讨发布时间：2021-11-19T03:53:52.425Z 来源：《当代电力文化》2021年6月18期作者：陈靖[导读] 随着国家对清洁型能源的大力推广陈靖五凌电力托口电厂,湖南省怀化市418200摘要：随着国家对清洁型能源的大力推广，电力能源在人们工作生活中发挥的作用越来越不容忽视，我国发电领域因此得到快速发展，电力生产方式也日趋多样化，水力发电是当前比较重要的一种发电形式，水轮机是水力发电核心设备，在长期不间断的水力发电过程中，水轮机叶片会在多种因素的作用下出现磨损腐蚀情况，从而影响水轮机的工作性能和运行效率，基于此，下文就重点分析水轮机叶片磨蚀机理与因素和水轮机叶片表面耐磨涂层制备技术两大问题，希望能带给相关企业一些启发。
关键词：水轮机叶片；抗磨蚀材料；技术应用引言众所周知，水轮机是水力发电中必不可少的动力型机械设备，由多种零部件组成，叶片是重要零部件之一，水轮机叶片长期工作在极富冲击力和机械力的环境中，再加上气蚀和水流中裹挟的泥沙的作用力，极易出现局部损坏或是腐蚀现象，进而导致水轮机过度振动等问题，不仅会对水轮机的性能和效率形成负面影响，久而久之会制约水力发电机组的高效运行，要想改善这一局面，就需要有效优化水轮机叶片抗磨蚀能力，深入分析水轮机叶片抗磨蚀材料的合理应用及其制备技术，有利于最大化的减轻水轮机叶片损坏腐蚀问题。
1水轮机叶片磨蚀机理及因素水轮机在运转的过程中，受到来自泥砂，水流以及碎石的冲击作用，水轮机的叶片很容易受到损伤，其损伤类型通常包含泥沙带来的磨损以及气蚀磨损等两种主要类型，这是引发顺轮机叶片出现磨蚀问题而导致叶片遭到破坏的主要原因。
1.1气蚀磨损及其机理气蚀现象是影响水轮机正常运行状态的重要原因，对于水轮机的使用寿命也是非常严重的影响，所以为了有效的避免气蚀现象的发生，就需要对气蚀现象的产生原理进行清晰的掌握，并通过各类措施和手段来降低这种影响这对于水轮机提高运行质量和运行效率有着非常重要的作用。
一种水轮机叶片耐磨蚀涂层的制备方法1 引言水力发电作为清洁能源之一，越来越受到人们的重视。
水轮机作为水力发电的核心设备之一，其叶片的耐磨蚀性能直接关系到水轮机的稳定运行和发电效率。
因此，研究一种能够提高水轮机叶片耐磨蚀性能的涂层技术具有重要意义。
2 叶片耐磨蚀涂层的研究现状水轮机叶片的磨损形式主要为机械磨损和腐蚀磨损。
传统的方法是采用高硬度材料制作叶片，如铸铁、铜合金等。
但这些材料在受到腐蚀作用时会发生严重的失效，导致叶片寿命大幅降低。
因此，寻找一种既具有高硬度，又具有良好耐蚀性的涂层技术成为当前研究的热点。
3 涂层制备方法目前，常用的制备涂层方法有热喷涂、物理气相沉积、化学气相沉积等。
其中，化学气相沉积是一种较为先进的方法，其优点在于制备出来的涂层致密性好、结合力强、成本低等。
通过化学气相沉积方法可以制备出一种具有良好耐磨蚀性的涂层——氮化硅涂层。
4 涂层特性氮化硅涂层具有高硬度、高耐磨蚀性、高温稳定性和良好的减摩性等性能。
其中，硬度约为2000HV，比铜合金的硬度要高得多；耐磨蚀性优异，即使在恶劣的酸碱及高温环境下，也能保持较好的性能稳定性；温度稳定性好，能在1500℃的高温环境下长期使用；同时，还能显著减少材料之间的摩擦。
5 涂层性能测试经过实验表明：加入氮化硅涂层的水轮机叶片在耐磨蚀性能上有较大提升。
采用电化学测试等方法对涂层的耐蚀性能、机械性能和化学成分进行了测试，证明了氮化硅涂层的优良性能。
6 结论在水轮机叶片的耐磨蚀涂层制备方法研究中，氮化硅涂层的制备方法具有成本低、稳定性好、耐磨蚀性能优异等优点，能够有效提高水轮机叶片的寿命和运行效率。
未来，对涂层的制备工艺和性能还有待进一步研究和提高。
水轮机过流部件抗磨蚀研究摘要：在水电机机组的运行中，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，其中水轮机的磨蚀影响重大。
本文对水轮机磨蚀形成机理进行了阐述，分析了几种主要的抗磨蚀涂层，概述了热喷涂技术的特点及其应用，并指出了新材料的开发和喷涂技术的创新将是未来水轮机过流部件抗磨蚀的发展方向。
关键词：水轮机；磨蚀；汽蚀；磨损；热喷涂1 概述水力发电是我国能源战略的一大支柱，但是水力发电技术的大力发展是建立在大的河流落差、高差悬殊的地形环境和高泥沙含量的特殊条件基础上的。
在水力发电时，高速运转的含沙水流在水轮机转轮表面流过时，会对水轮机过流部件表面产生磨砂磨损破坏，对水电设备的运行安全带来严重危害，严重者甚至会对整个电网的运行安全带来严重威胁。
当水轮机过流部件受到严重磨损时，部件表面会出现磨坑、洞穿等缺陷，影响水轮机的可靠、稳定运行，还会降低水轮机的工作效率，减少出力，缩短水轮机寿命等，另外，频繁的更换和检修，不仅会造成巨大的经济损失，还会影响整个电网的正常运行[1]。
据估计，在已运行的水电站中，约有 1/5～1/4 的水轮机叶片遭受不同程度的泥沙危害，每年因水轮机过流部件（主要为叶片）磨蚀破坏而停运或检修引起的电能损失约 20-30 亿 kw.h，年消耗检修费及设备更新费达千万元之巨。
因此，加强水轮机过流部件抗磨蚀研究十分重要。
2 水轮机磨蚀机理及分析磨蚀是磨损和汽蚀联合破坏的简称，一般工作在含沙水流中的水轮机都会受到这两种作用的综合破坏[2]，不过对于工作在不同含沙量的水流中，其破坏形式有一定差别，如工作在长江流域上的含沙较少的多以清水汽蚀为主[3]，而工作在黄河等泥沙含量高的河流上，一般以磨损为主[4]，但是，即使是同一条河流上的同一个机组，也可能由于不同时期（如汛期和非汛期）过机泥沙含量的不同，而分别遭受两种不同的破坏。
因此研究水轮机的破坏。
必须综合汽蚀和磨损两方面来考虑，只有在设计及选材时都综合考虑到了汽蚀和磨损的联合破坏，才可能取得较好的效果。
水轮机过流部件喷焊耐磨蚀涂层（六）
刘广海
【期刊名称】《机械工人：热加工》
【年(卷),期】1997(000)007
【摘要】目前,我国制造水轮机用材料多为铸钢,少数为铬不锈钢,这些材料的耐气蚀与磨蚀性能均较差,通常运行不到10000h(一年左右)就要大修。
一台中型机组的一次维修费用高达30多万元,因此如何更有效地防止水轮机过流部件的气蚀或磨蚀破坏,提高其使用寿命,确保水电站的安全经济运行和充分利用水力资源,一直是我国水力发电中的重大课题之一。
【总页数】2页(P21-22)
【作者】刘广海
【作者单位】全国热喷涂技术协作组
【正文语种】中文
【中图分类】TK730.3
【相关文献】
1.水轮机过流部件抗磨蚀涂层技术研究进展 [J], 张磊;陈小明;吴燕明;周夏凉;赵坚;伏利;毛鹏展;刘伟
2.水轮机部件过流表面的金属材料磨蚀防护 [J], 王者昌
3.水轮机过流部件喷焊工艺及其经济效益 [J], 路文江;顾四行
4.镍基自溶合金喷焊涂层在水轮机过流表面耐磨损、抗汽蚀的研究和应用 [J], 王
振凯
5.龚嘴水电站水轮机过流部件抗磨蚀改造综述 [J], 李东
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1、总则：1.0.1为提高水轮机埋入部件的外观和防腐质量，延长其使用寿命，以满足顾客要求，特制定本规范。
1.0.2水轮机埋入部件设计、制造、安装及验收各阶段的防腐蚀技术、工艺和检测等要求应符合本规范的规定。
1.0.3水轮机埋入部件的范围包括：尾水肘管、尾水锥管、分段涡壳、机坑里衬等。
1.0.4为了保证水轮机埋入部件的防腐蚀施工质量，在施工全过程中，应由有一定防腐蚀知识和经验的专业人员负责，对各道工序的施工质量进行监督。
1.0.5水轮机埋入部件防腐蚀施工的安全、劳动保护及环境保护等除符合本规范的规定外，还应符合国家现行的有关标准。
1.0.6引用标准：GB 8264 涂装技术术语GB 8923 涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级GB/T 13288 涂装前钢材表面粗糙度等级的评定（比较样块法）GB 1031 表面粗糙度参数及其数值GB 6484～6487 铸钢丸铸钢砂铸铁丸铸铁砂GB 9286 色漆和清漆的划格试验DL 5017 压力钢管制造安装及验收规范2、表面预处理：2.1一般规定2.1.1水轮机埋入部件在涂装之前必须进行表面预处理。
2.1.2表面预处理的质量评定应包括表面清洁度、表面粗糙度和平整度三项指标。
2.1.3表面预处理过程中，工作环境必须满足下列条件：2.1.3.1空气相对湿度低于85%，基体金属表面温度不低于露点以上3℃（露点计算表见附录A）。
2.1.3.2应采取有效措施，如遮盖、采暖或输入净化、干燥的空气等措施，以满足对工作环境的要求。
2.2水轮机埋入部件表面预处理2.2.1消除缺陷零部件表面在除油、喷砂前，应将电焊缺陷（气孔、锐边、焊渣飞溅和不连续焊等）用手提砂轮机（或铲刀）修整光滑平整。
对铸件应打磨达到平整度要求，其波浪度≯3/100。
2.2.2脱脂净化水轮机埋入部件表面在进行喷（抛）射处理之前，必须仔细地清除焊渣、飞溅等附着物，并清洗基体金属表面可见的油脂及其他污物，清洗后，并用棉纱（或旧布）清洁干净，注意不要在零部件表面留有布毛。
水轮机过流部件非金属耐磨防腐涂层材料的新技术
水轮机由于长期与泥沙接触产生冲击，摩擦导致磨损，水轮机磨蚀破坏后水轮机水能效率、容积效率及机械效率大幅度降低。
在泥沙河流中易产生空蚀、磨损联合作用，转轮破坏形成鱼鳞坑，叶片背面呈海锦状蜂窝麻面，叶片厚度变薄，出水边成锯齿状破坏，每年至少修补1～2次，因修型不佳，叶片变型，使水轮机水能效率降低，达不到额定出力，直至转轮报废。
磨蚀不但使水轮机导水叶端面与上下抗磨板漏水严重，同时呈沟槽锯齿状立面磨损，使导水叶变薄，间隙增大，也导致了严重漏水，使水轮发电机组关机时间延长不能正常停机。
水轮机主轴密封漏水沿主轴喷向水轮机推力轴承，致使推力轴瓦进水，引起烧瓦事故。
水轮机锥管、补气架、固定导叶等过流部件也有不同程度鱼鳞坑状磨损。
水轮机磨蚀破坏使水轮机组振动加剧，关机时间延长，漏水严重等问题都直接威胁水轮机组的安全运行。
水轮机磨蚀破坏除了使电站发电量下降、安全性能降低外还增加电站检修工作量，检修次数增加，检修时间延长，缩短了检修周期，使电站运行维护成本增加，电站经济效益下降。
由于水轮机过水部件的磨蚀给水电站的安全运行及经济效益带来巨大损害，如何防治水轮机空蚀一直是水电站运行中的一个重要技术难题。
近年来，我们采取了各种抗磨蚀的技术措施，但效果都不十分理想。
(1) 采用更换母体材料，提高抗磨蚀能力，效果不明显，而且费用较高，紫荆关一级水电站由低碳钢转轮改换为镍铬不锈铸钢叶片转轮，运行时间比原低碳钢转轮延长半年，但费用是原转轮费用的2倍。
(2) 采用金属喷焊技术，提高了转轮叶片出水边背面抗空蚀能力，由于工具限制，只能保护叶片背面，不能将整个转轮保护，且加工过程中叶片热变形和龟裂不易克服，加工难度大，工艺不好掌握，推广应用困难。
(3) 镶衬辉绿岩铸石技术，虽能增加固定的抗磨蚀能力，但由于加工工作量及镶衬工作量大，受加工工具限制不易施工，应用困难。
(4) 除上述措施外，还采用过加装扰流板、加高尾水水位等抗磨蚀方法，但都是解决局部磨蚀问题，不能彻底解决水轮机磨蚀问题。
近年来全国水轮机磨蚀试验研究中心采用水轮机过流部件抗磨蚀新技术试验和应用推广了几种非金属抗磨蚀新技术，其优点与创新点在于：①整体加工、消除局部变形；②可在复杂、窄小的转轮流道中全方位的涂抹保护；③在工件表层形成包衣替代过流部件的更换，延长过流部件使用时间；④工艺简单，易操作、费用低、易推广。
喷涂型聚氨酯弹性体是一种先进的高分子材料，它是由聚氨酯弹性体和环氧树脂为基体制备的复合材料，在浆液冲蚀磨损和腐蚀磨损领域中应用日益受到关注。
喷涂型聚氨酯弹性体耐磨防腐材料在耐酸碱腐蚀方面有天然的优势，耐磨性能是硬质合金钢的8倍，是硫化橡胶的7倍，是超高分子聚乙烯的3倍；可耐受PH值3-11的酸碱油水等介质的侵蚀，防腐性能优秀，而且密度小；还可以保护机件不受水蚀磨损、气蚀磨损、冲蚀磨损，抗冲蚀性能能够与高铬铸铁等媲美。
耐磨防腐聚氨酯弹性体喷涂材料具有良好的耐磨腐蚀性能和抗冲蚀磨损性能，更重要的是与之相配套的粘接剂性能优越，有效的解决了耐磨材料与基材粘接力弱，易脱落的问题。
在受到长时间冲击与机械作用后依然有对基材表面超强的附着能力，可以应付机件在液态或半液态介质中部件的线速度小于28.5m/s时涂层不脱落，成功应用于各种复杂的动态工作环境中，发展前景十分广阔。
这种耐磨涂层的邵氏硬度跨度很大，从邵氏A45到邵氏D60不等，可根据不同的工况环境调节硬度，增加了极性基团的含量，充分利用氢键提高分子间作用力，有效延长涂层有效的时间，可谓是真正的通用性表面处理材料，可广泛应用于各个需要提供防腐耐磨防护的工业领域，并取得了良好效果。
采用非金属抗磨蚀涂层材料保护转轮工艺简单易操作，可延长转轮使用时间，叶型变化小，保证了转轮高效率，并节省了大量资金。
固定部件采用耐磨防腐聚氨酯弹性体喷涂简易快捷，效果良好，延长机组顶盖及上、下止漏环使用寿命，基本保证了水轮机迷宫间隙，减少了漏水量，提高了水轮机容积效果10%～20%，极大地降低了检修成本，缩短检修时间，涂层寿命一般会比普通金属材料提高十倍以上，若能将这一新技术得到普遍应用，将能取得十分显著的经济效益。
