Water Power Vol．35．No．8
高速氧燃喷涂（High Velocity Oxygen Fuel Coating ，HVOF ）是20世纪80年代初出现的一种喷涂方法。该方法采用超音速火焰喷涂枪，将丙烷、丙烯或氢和氧气以0.3MPa 以上的压力送入喷涂枪的燃烧室，经混合燃烧形成1500m/s 以上的高速气流，在喷嘴处与高压空气送入的喷涂材料粉末混合，使喷涂粉末熔融和加速到500m/s 左右形成高速射流，而射流在喷嘴出口后进一步膨胀加速，产生2倍音速的喷涂火焰，把粉末喷涂在基材上形成致密的涂层[1]。高速氧燃喷涂的涂层硬度高、与基材的结合力强、气孔率底，对于抗磨蚀是有利的。喷涂材料可用抗磨金属粉末、碳化物金属陶瓷。其中，碳化钨（WC ）粉末在抗水轮机泥沙磨蚀方面表现出突出的优越性。因为HVOF 较高的喷射速度以及较低的火焰温度保证
了粉末在喷涂中更少的氧化和失碳，从而使涂层有更高的硬度和更好的耐磨性能。
由于水轮机抗磨蚀既要防止变形又不能承受高温，因此选用HVOF 更适于水轮机的抗磨处理。
1HVOF 碳化钨涂层的抗空蚀与抗磨蚀性能
在机组实际运行过程中，防护涂层被破坏的方式有二：
文章编号：0559－9342（2009）08－0061－03
高速氧燃喷涂碳化钨在水轮机
磨蚀防护中的应用
任
岩1，李兴易2，张小宝3
（1.华北水利水电学院，河南郑州450011；2.四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川成都610072；3.西华大学四川成都610039）
关键词：水轮机磨蚀防护；碳化钨；高速氧燃喷涂；涂层修复；经济效益摘
要：在水轮机磨蚀防护中，采用碳化钨的高速氧燃喷涂，具有涂层硬度高、与基材的结合力强、气孔率底等优点，是目前比较有效的防护方法之一。由于碳化钨涂层自身的特点，在强空化区或易受硬物撞击的区域，涂层的损伤是不可避免的，对碳化钨涂层的修复通常采用拆机—喷涂—车间修复或现场不拆机修复的方法。研究表明，高速氧燃喷涂碳化钨在轴流式水轮机上的防护效果要比在混流式水轮机上好。与常规的维护相比，采用碳化钨-高速氧燃喷涂具有较大的经济效益，以三门峡水电站为例，年均效益约660万元。
Application of HVOF-WC to the Abrasion Prevention of Turbine钢铁侠3剧情
Ren Yan 1，Li Xingyi 2，Zhang Xiaobao 3
(1.North China University of Water Conrvancy and Electric Power,Zhengzhou Henan 450011；2.Sichuan Ertan International Engineering Consulting Co.,Ltd.,Chengdu Sichuan 610072；
3.Xihua University,Chengdu Sichuan 610039)
Key Words :abrasion prevention of turbine;WC;HVOF;coating repair;economic benefit
小学三角形知识点
Abstract :In the abrasion prevention of turbine,HVOF -WC has the advantages of high rigidity of coating,strong combination with ba materials,low air porosity rate,so that it is one of more effective prevention methods at prent.Due to the characteristic of WC onelf,in the zone of strong -cavitation or impacted easily by hard materials,the damage of coating is inevitably.The repair of WC generally adopts the methods of dismantling-coating-repair or not-dismantling repair at site.Rearch shows that the prevention effectiveness of HVOF-WC on axis-flow turbine is better than that on mixed flow turbine.Compared with routine maintenance,HVOF -WC has higher economic benefit.For example,the annual benefits of Sanmenxia Hydropower Station from such technology are about 6.6million RMB Yuan.
中图分类号：TK730.53
文献标识码：A
收稿日期：2009-03-02
基金项目：国家水利部“948”计划技术创新推广转化项目（CT200207）作者简介：任岩（1979—），女，河南南阳人，讲师，硕士，从事教学与科研工作.
第35卷第8期2009年8月
水力发电机电与金属结构
科技对生活的影响61
水力发电
2009年8月
Water Power Vol．35．No．8
一是，撞击。即在叶片或导叶的进口部位由于大颗粒沙石等硬物以大冲角直接撞击，使得涂层局部破坏或经多次撞击后涂层发生疲劳而产生局部损坏，这种损坏又影响到邻近区域。二是，遭受到强空蚀。
WC 比13-5不锈钢的抗空蚀能力高，但仍处在同一数量级上。由于目前还没有研制出既抗空蚀又抗磨损的涂层材料，因此在强空蚀情况下，我们不能保证所喷涂层不发生损坏。在这方面，参照国外经验，多是在叶型设计时采用无空蚀或少空蚀设计来控制空蚀破坏。
实验室试验与现场应用的结果表明，HVOF 碳化钨涂层表现出良好的抗泥沙磨损性能，但在抗空蚀性能方面却比
Cr13Ni4不锈钢材料差。在实验室条件下的WC-HVOF 涂层
的抗磨性能是0Cr13Ni4材料的70倍，而在抗空蚀性能方面，不及不锈钢[2]。此外，WC 涂层的抗硬物冲击能力较低。因此在原型水轮机现场所表现出的优点与缺点均很明显。在非强空化区，在不受硬物撞击的区域，HVOF 碳化钨涂层表现出优良的抗磨性能，即使在高含沙量情况下，磨蚀率也很低；但在强空蚀区如轴流式水轮机的叶片背面外缘处和在易受硬物撞击的区域如轴流式水轮机叶片头部和中环，涂层均易受到破坏。一旦涂层破坏，母材则很快被磨蚀，出现较深的孔洞。
2
碳化钨涂层的损伤与修复
2.1
碳化钨涂层的损伤
由于碳化钨涂层自身的特点，在强空化区或易受硬物撞
工作进度汇报击的区域，涂层的损伤是不可避免的，轴流式水轮机与混流式水轮机的易发损伤的部位也是不同的：
轴流式水轮机头部是水流的驻点，当水流中含有坚硬的较大泥沙颗粒过机时，部分颗粒以较大的冲角与叶片头部撞击，直接造成涂层损伤或疲劳破坏，久而久之产生涂层脱落。一旦坚硬的涂层脱落，恶化了局部水流，母材继而受到损伤，呈深坑状。
混流式水轮机的损伤一般出现在叶片背面出水边附近，即叶片背面出口边、下环与叶片背面进口边交界处、叶片进口边背面与上冠交界处、导水叶立面密封处、抗磨板等位置。
2.2碳化钨涂层的修复
水轮机转轮叶片、导水叶上碳化钨涂层的修复通常采用
拆机—喷涂—车间修复或现场不拆机修复的方法。机组大修时，一般把叶片、导水叶拆下，运到专门的喷涂公司进行喷涂，有计算机控制的机械手进行自动喷涂修复，具有喷涂精度与质量高的特点。但在机组小修时，为了及时修复局部脱落的涂层，可以采用现场喷涂修复的方法。
对于转轮室等固定部件，采用现场喷涂修复更加现实。现场修复采用一种手动操作喷涂装置进行，手动操作需要对喷涂部件进行预处理，需要工作人员有熟练的技术，严格控制温度、速度，才能保证施工的质量。总之，HVOF-WC 喷涂工艺要求严格。
2.2.1待喷部件的处理
（1）对待喷部件进行预处理。清除表面锈蚀层，用不锈钢
补焊。
（2）除湿干燥及除尘、除锈蚀及表面抛光。利用砂片进行表面抛光打磨，使表面糙度不大于6.3μm ，无裂纹，无腐蚀，无气孔、沙眼，无焊接加渣，表面硬伤孔洞直径不大于0.5mm 。
（3）进行无损探伤。对发现的表面缺陷利用氩弧焊技术进行修补，再利用砂片进行表面抛光打磨，直至合格。
（4）表面活化处理。使用棕刚玉材料按照欧洲表面处理工艺及要求进行。
2.2.2喷涂控制
（1）控制喷涂。控制基材温度不超过120℃，每遍涂层厚度不大于15μm ，涂层无台阶、脱落及不均匀现象等。
（2）渗透保护。采用专用材料进行涂层表面保护。在不具备碳化钨喷涂修复条件的情况下，也可以采用其他方法进行修复。三门峡水电站在磨蚀坑不锈钢补焊后，采用环氧金刚砂、防弹材料、聚氨酯软涂层等进行修复，虽时间不能持久，但具有一定的防护效果，可以防止碳化钨涂层继续脱落和磨蚀的迅速扩大[3]。
3
HVOF-WC 水轮机磨蚀防护的效果和问题
3.1
HVOF-WC 在轴流式水轮机上的防护效果
近几年，HVOF-WC 已在葛州坝、青铜峡、刘家峡等十
几家水电站进行了应用，并取得了显著的效果。下面就以青铜峡水电站为例，分析HVOF-WC 在轴流式水轮机上的防护效果。
青铜峡水电站处于黄河多泥沙的河段，多年平均输沙量
2.2亿t ，最大年输沙量5.29亿t ，多年平均含沙量9.83kg/m 3，
最大含沙量431.35kg/m 3，泥沙中含有大量的石英砂、长石，平均粒径0.015～0.02mm 。高含沙量水流与空蚀的联合作用造成水轮机过流部件磨蚀严重，机组效率急剧下降。进入
20世纪90年代后，机组水下过流部件磨蚀严重。尤其是转
轮叶片：一方面，检修周期逐渐缩短，工期延长，工作量及检修费用急聚增大，截至1990年底，仅用于补焊转轮叶片腐蚀区的不锈钢板累计24t ，不锈钢电焊条34t ，普通焊条13
t ，砂轮片上万余片；另一方面，严重的腐蚀和大量的补焊修
复，叶片实际线形偏离原设计线型，使水流流态更加恶化，水轮机效率下降，形成恶性循环，已严重影响了水电站的安全经济运行。采用HVOF-WC 喷涂之后，水轮机的抗磨蚀性能大大提高，大修周期延长，保护了叶片母材，减少了因焊接而导致的叶片变形，减轻了水轮机效率的下降，延长了机组寿命。
（1）喷涂前转轮叶片磨蚀情况。6号机转轮1996年更新，叶片材质为0Crl3Ni4Mo ，经过18164h 的运
行,1999年12月检查，叶片呈现整体减薄趋势，叶片背面从进水边至出水边距外缘500mm 区域磨蚀严重；叶片外缘、进出水边局部出现穿孔，叶片与转轮室间隙增大15～30mm ，空蚀面积达
9.56m 2，总的质量损为423.7kg ，最大空蚀深度40mm ，平均关于交友的名言
深度5～7mm 。
关于坚持的小故事（2）喷涂后转轮叶片磨蚀情况。喷涂后经过15284h 运行，2003年6月18日对转轮叶片喷涂层进行检查。叶片正
机电与金属结构
一年级语文题62
Water Power Vol．35．No．8
面涂层完好，涂层厚度无明显减薄；叶片外缘基本完好，叶片与转轮室间隙无扩大；叶片背面强空蚀区局部涂层空蚀脱落，总面积0.408m 2，总的质量损失为l0.7kg ，母材平均空蚀磨损2～4.4mm 。青铜峡水电站6号机转轮叶片喷涂前后磨蚀情况见表1。
从6号机转轮叶片喷涂前后实际前后运行结果来看，青铜峡水电站轴流式水轮机喷涂前，虽然叶片采用了抗磨蚀性能良好的0Cr13Ni4Mo 不锈钢材料，但磨蚀依然严重。叶片表面用超音速火焰喷涂碳化钨抗磨蚀涂层，防护效果明显，解除了泥砂磨损破坏，缓解了空蚀的危害，延长了水轮机的使用寿命和机组检修周期。如按同样运行20687h 折算，磨蚀总面积减少约95%，质量损失减少97%。
3.2HVOF-WC 在混流式水轮机上的防护效果
实践证明，HVOF-WC 涂层在混流式水轮机上的防护效
果不如在轴流式水轮机上稳定，同样是黄河上的水电站，在小浪底水轮机和万家寨水轮机上的效果也有差别。
万家寨水电站5、6号水轮机的转轮和活动导叶采用了德国伏依特技术喷涂了碳化钨涂层。6号水轮机经过72h 试运行后（2000年7月29日）检查，未见脱落，但锈斑较多。运行1084h （2000年11月13日）
后检查：6号水轮机转轮和活动导叶的碳化钨涂层上锈迹严重。5号水轮机运行3106h （2001年11月14日）后检查：转轮和活动导叶的碳化钨涂层上锈迹的面积和深度均扩大，较严重。
在不采用任何涂
层情况下，1号机组运行1956h （1999年3月13日）后检查：转轮线形完好如初，光亮如初；运行5052h （1999年9月
2日）后检查：除表面有个别轻微空蚀点外，转轮线形完好如
初，光亮如初；运行13666h （2001年12月5日）后检查：除表面有个别轻微空蚀点外，转轮线形完好如初，但叶片正面有大面积褐色斑迹，背面光亮如初；运行14204h （2002年4
月3日）后检查：除表面有个别轻微空蚀点外，转轮线形完好如初，叶片正面和背面均光亮如初。
在小浪底水电站的6台水轮机叶片和部分机组采用了
HVOF-WC 涂层，自2000年1月首台机组投运以来，在汛期
最大过机泥沙含量为70kg/m 3、平均为7.4kg/m 3的情况下，
2003年年底检查时，机组最多运行时间17320h ，总体看，碳
化钨涂层具有较好的抗磨性能，但各机组的涂层均有不同程度的脱落，脱落面积不大，脱落区集中在8个区域，即叶片背面出口边、下环与叶片背面进口边交界处、下环内表面与叶片正、背面出口边根部相邻区、叶片进口边背面与上冠交界处、转轮止漏环、活动导叶正压面进口边中下部、导水叶轴颈和正面过度圆弧边沿、上下抗磨板局部。其中，叶片背面出口边为主要脱落区。
碳化钨涂层在大型混流式水轮机上的抗磨蚀性能评价为：以小浪底和万家寨水电站的经验看，碳化物涂层在不同电站、不同机组上有不同的效果。总体效果不稳定。
4HVOF-WC 水轮机磨蚀防护的经济效益分析
实行HVOF-WC 热喷涂有显著的经济效益。
青铜峡水
电站在5年运行期内，热喷涂比常规防护与检修可增加效益1100万元，年均200万元以上。
三门峡水电站机组（轴流转桨式）转轮直径6m ，每台机组的防护面积按175m 2计算，碳化钨的喷涂费用为350元，每年汛前汛后涂层修复费用为30万元左右。每台机组的修复工期约15d 。5台机组在6年期间的喷涂费用为2650万元，总工期为90d 。
不采用HVOF —WC 喷涂时，机组大修周期3年，采用不锈钢堆焊及环氧金刚砂涂层防护，每次大修费用为400万元，另加每年小修一次，小修工期7d ，费用10万元。6年内5台机组总维修费2300万元，总工期162d 。
三门峡水电站6年期间，采用HVOF —WC 喷涂，比常规维修多出费用350万元，而节约工期72d 。5台机组总容量260MW ，按机组利用率50%、负荷率50%、电价0.193元/（kW ·h ）计算，72d 发电效益为4335万元。除掉喷涂增加的350万元，6年内，采用喷涂技术可增加的效益约4000万元，年均
660万元；而且喷涂保持了转轮叶片几何形状，延长了机组
寿命，其长期效益是值得关注的。
参考文献：
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王志高.我国水机磨蚀的现状和防护措施的进展[J].水利水电工程设计，2002，21（3）：1-4.
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[J].水机磨蚀研究与实践50年，2005，（1）：151－157.
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