一种提升水轮机转轮抗点状空蚀能力的方法技术

本发明专利技术属于钢铁材料及其制品领域，特别是一种提升水轮机转轮抗点状空蚀能力的方法。采用VOD、AOD等方法对水轮机转轮铸件钢水进行精炼，综合调控水轮机转轮铸件的关键合金元素含量；通过冶炼和惰性气体保护下浇注，避免增氧现象保护浇注，严格控制铸件中氧含量≤0.004％，减少非金属夹杂物；对转轮所有过流面进行渗透探伤以及目视检查，并对所有显示缺陷进行处理，使过流表面无可视缺陷；机组投运后，转轮停止运行后，在24小时内排干水，避免转轮长时间浸泡在静水中。本发明专利技术系统考虑水轮机转轮的合金元素调控、低氧精炼、铸造缺陷打磨与补焊、运行维护等技术要求，减少夹杂物数量，清除转轮铸件缺陷，避免因点蚀引发的点状空蚀现象。象。

【技术实现步骤摘要】
一种提升水轮机转轮抗点状空蚀能力的方法


[0001]本专利技术属于钢铁材料及其制品领域，特别是一种提升水轮机转轮抗点状空蚀能力的方法，适应于由马氏体不锈钢制造的大型水轮机转轮、导叶铸件。

技术介绍

[0002]水电作为目前最成熟的可再生能源发电技术在世界范围内得到广泛应用，满足目前全世界20％以上的电力需求，有超过55个国家一半以上的电力由水电提供。未来的中国水电将按照创新水电开发模式发展，预计2030年全国常规水电装机容量将达到3.3亿千瓦，约占电力总装机容量的25％。在水电站中，水轮机转轮是水能
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动能转换的核心部件，其在水流的高速冲击下带动发电机中动子转动，进而实现发电的目标。在高速水流的冲击下，空泡腐蚀(简称空蚀)是水轮机转轮部件最为常见、危害性最大的失效形式。空蚀的发生和转轮部件表面的水流状态密切相关。因此，水力流体力学领域专家学者从控制水流状态角度优化水轮机转轮结构和流线，大幅减轻水轮机转轮部件发生大面积空蚀的可能性，显著提升水轮机转轮部件的服役安全性和服役寿命。
[0003]但随着水轮机转轮的功率不断增加，使役条件越来越苛刻，在水轮机转轮部件中常出现分散的点状空蚀现象，该现象的发生对于水轮机转轮部件的安全服役造成不利影响。因此，如何在不改变水轮机转轮运行条件、水轮机转轮材料及其宏观力学性能的基础上，提升水轮机转轮抗局部点蚀能力，对于水轮机转轮的长期安全服役具有重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种提升水轮机转轮抗点状空蚀能力的方法，针对引起点状空蚀现象的金属夹杂物和铸件缺陷问题，系统考虑水轮机转轮的合金元素调控、低氧精炼与浇注、铸造缺陷打磨与补焊、运行维护等的具体技术要求，减少金属夹杂物数量，清除转轮铸件缺陷，从而避免因点蚀引发的点状空蚀现象。
[0005]本专利技术的技术方案：
[0006]一种提升水轮机转轮抗点状空蚀能力的方法，该方法包括以下步骤：
[0007](1)采用VOD或AOD方法对水轮机转轮铸件钢水进行精炼，综合调控水轮机转轮铸件的关键合金元素含量，Cr含量≥13wt％，Mo含量≥0.5wt％；
[0008](2)通过冶炼和惰性气体保护下浇注，避免增氧现象保护浇注，严格控制铸件中氧含量≤0.004wt％，减少非金属夹杂物；
[0009](3)对水轮机转轮所有过流面进行渗透探伤以及目视检查，并对所有显示缺陷进行处理，使过流表面无可视缺陷；
[0010](4)机组投运后，水轮机转轮停止运行后，在24小时内排干水，避免水轮机转轮长时间浸泡在静水中。
[0011]所述的提升水轮机转轮抗点状空蚀能力的方法，步骤(1)中，采用VOD或AOD方法对钢水进行精炼处理，综合调控马氏体不锈钢的关键合金元素来提高水轮机转轮的局部锈蚀
防控能力。
[0012]所述的提升水轮机转轮抗点状空蚀能力的方法，步骤(2)中，铸件浇注前，向型腔内通惰性气体以排净型腔内空气；浇注时，钢包和浇口杯之间使用惰性气体隔离，在惰性气体保护下浇注，避免浇注过程出现增氧现象。
[0013]所述的提升水轮机转轮抗点状空蚀能力的方法，步骤(3)中，水轮机转轮所有过流面缺陷处理方式是碳弧气刨、机械铲磨、抛光或打磨，其中：采用碳弧气刨清理缺陷时，不允许气刨产生的热飞溅或者热颗粒污染不锈钢铸件表面；采用机械铲磨或抛光清理缺陷时，不允许铲磨、抛光产生的热飞溅或者热颗粒污染不锈钢铸件精加工表面；采用打磨清理缺陷时，使用专用砂轮或磨片，不允许使用铲磨、抛光过碳钢的工具打磨水轮机转轮；机械铲磨或抛光过程中，一旦接触到碳钢件，必须更换机械铲磨或抛光工具。
[0014]所述的提升水轮机转轮抗点状空蚀能力的方法，步骤(4)中，在24小时内排干水后，对发生过流面存在的点蚀进行抛光处理。
[0015]本专利技术的设计思想和原理如下：
[0016]本专利技术与现有通过改变材料的合金元素、优化材料强度和塑韧性来提高水轮机转轮抗空蚀能力的思路有显著不同。本专利技术的申请人在前期研究时发现水轮机转轮点状空蚀问题主要源自于材料中的非金属夹杂物和铸件缺陷，如图1所示。因此，本专利技术主要针对这两个问题来源采取相应措施提升水轮机转轮抗点状空蚀能力，具体原理如下：
[0017](1)Cr和Mo是提高不锈钢抗腐蚀性能的关键元素，在腐蚀环境中能够在材料表面形成一层钝化膜，起到抗腐蚀的作用。而且，随着Cr、Mo含量的升高，马氏体不锈钢抗划痕腐蚀能力、抗点蚀能力逐渐上升。
[0018]按重量百分比计，传统ZG04Cr13Ni4Mo的主要成分为：C≤0.04％，Si≤0.8％，Mn≤1.5％，P≤0.03％，S≤0.01％，Cr 11.0％～14.0％，Ni 3.0％～5.0％，Mo 0.4％～1.0％，Cu≤0.5％，W≤0.1％，V≤0.05％，余量为Fe。申请人研究发现在ZG04Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢中，Cr、Mo含量有一个临界值，在临界值以上时材料抗腐蚀能力较好，因此提出Cr含量≥13％，Mo含量≥0.5％的要求。
[0019](2)非金属夹杂物是材料点蚀的主要萌生诱因。马氏体不锈钢的夹杂物均由MnS+(Al，Ti，Mg)氧化物组成，且夹杂物均为凸起状存在(如图2所示)，夹杂物的电子表面溢出功低于周围基体电子表面溢出功，说明夹杂物将优先发生电子溢出并发生腐蚀，从而与基体形成大阴极小阳极的腐蚀结构诱发局部腐蚀。夹杂物中的MnS作为阳极相优先溶解，Al的氧化物作为半导体相构成微区缝隙结构促进点蚀。在点蚀坑内的自催化作用下，点蚀坑不断长大，剩余的Al的氧化物随之脱落。从夹杂物形成机制上分析，这些夹杂物都是冶炼过程中产生的，与钢液的纯净度密切相关。本专利技术申请人前期研究结果表明，钢液中的氧含量是影响夹杂物的关键，不仅影响氧化物，而且会影响硫化物和复合夹杂物的形成。因此，在合理调控马氏体不锈钢中关键元素Cr、Mo含量的基础上，采取VOD或AOD等方法进行精炼钢水，并在惰性气体保护下浇注，可有效降低铸件中的氧含量，是减少金属夹杂物和提升水轮机转轮抗点状空蚀能力的关键之一。
[0020](3)申请人发现水轮机转轮出现点状空蚀的机理是铸件中的夹杂物在加工后露出表面，或转轮运行过程中或者是在静水中长期浸泡过程中诱发点蚀。露头的夹杂物和/点蚀坑的存在使得转轮铸件在后续的运行过程中发生局部区域的流态改变，进而诱发空蚀，导
致点蚀坑尺寸的增加和点蚀坑周围出现烧灼的痕迹。因此，提出对转轮所有过流面进行渗透探伤以及目视检查，并对所有显示缺陷进行处理，使过流表面无可视缺陷，避免露头夹杂物引发点状空蚀。
[0021](4)申请人研究发现不锈钢中夹杂物诱发点蚀的过程是，夹杂物中的MnS优先溶解，Al的氧化物作为半导体相构成微区缝隙结构促进点蚀。在点蚀坑内的自催化作用下，点蚀坑不断长大，剩余的Al的氧化物随之脱落。因此，避免点蚀坑内的自催化可以有效避免点蚀坑的长大，而发生点蚀后静止状态的水会促进点蚀坑内的自催化效应。因此，申请人提出，在转轮停止运行后24本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提升水轮机转轮抗点状空蚀能力的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)采用VOD或AOD方法对水轮机转轮铸件钢水进行精炼，综合调控水轮机转轮铸件的关键合金元素含量，Cr含量≥13wt％，Mo含量≥0.5wt％；(2)通过冶炼和惰性气体保护下浇注，避免增氧现象保护浇注，严格控制铸件中氧含量≤0.004wt％，减少非金属夹杂物；(3)对水轮机转轮所有过流面进行渗透探伤以及目视检查，并对所有显示缺陷进行处理，使过流表面无可视缺陷；(4)机组投运后，水轮机转轮停止运行后，在24小时内排干水，避免水轮机转轮长时间浸泡在静水中。2.按照权利要求1所述的提升水轮机转轮抗点状空蚀能力的方法，其特征在于，步骤(1)中，采用VOD或AOD方法对钢水进行精炼处理，综合调控马氏体不锈钢的关键合金元素来提高水轮机转轮的局部锈蚀防控能力。3.按照权利要求1所述的提升水轮机转轮抗点状空蚀能力的方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘功梅，王培，胡伟明，王长罡，李海军，李殿中，邓海峰，李依依，董俊华，李纯龙，黎明优，王尘枫，
申请(专利权)人：中国三峡建工集团有限公司，
类型：发明
国别省市：