水輪機組過流部件用移動增材再制造系統及基于其的修復方法
【專利摘要】本發明涉及一種水輪機組過流部件用移動增材再制造系統及基于其的修復方法，它包括工程車箱體以及安裝在所述工程車箱體底部的多個車輪，所述工程車箱體內設置有用于對水輪機組過流部件進行清洗和噴砂的前處理區、與所述前處理區相鄰設置用于對水輪機組過流部件進行噴涂和激光熔覆的再制造工作區、與所述再制造工作區相鄰設置用于對噴涂和激光熔覆進行控制的制造控制區以及分別與所述前處理區和所述再制造工作區相連通用于回收砂粒和粉塵的回收區。通過在工程車箱體內設置對應功能的前處理區、再制造工作區、制造控制區和回收區等，能夠實現對水輪機組過流部件的現場增材再制造修復。
【專利說明】
水輪機組過流部件用移動増材再制造系統及基于其的修復方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種移動增材再制造系統，具體涉及一種水輪機組過流部件用移動增材再制造系統及基于其的修復方法。
【背景技術】
[0002]水電機組運行過程中，轉輪、葉輪、導葉、座環、閥門、管道、噴嘴、水斗等重要過流部件不可避免地遭受高速水流空化而導致的空蝕破壞；而且我國水域河沙含量大，泥沙的沖蝕破壞也非常嚴重，兩者對部件產生鱗坑、針孔、麻點、波紋、蜂窩等形態的破壞結果，甚至導致構件存在斷裂的潛在風險，將致使水電機組發電效率降低，振動增加，嚴重地威脅水電站運行安全性。針對水電機組過流部件的空蝕、沖蝕問題，除了通過優化水輪機組設計、降低泥沙含量外，采用熱噴涂、激光熔覆等增材再制造工藝，顯著提升葉輪等部件的表面性能是一種有效的維護策略，實現對失效組件進行再制造加工，恢復其尺寸、形狀，形成增材再制造的產品，進而提升性能并延長服役壽命。
[0003]然而，水電站位置較為偏僻，交通不便，水電機組部件重量巨大，上千噸的整體造成運輸困難。現階段，在水電部件修復尤其是現場修復領域，尚未有成套的現場解決方案及成熟的先進修復方案。電站的檢修時間窗口緊張，國內水電機組具有巨大的現場增材再制造維修需求前景。

【發明內容】

[0004]本發明目的是為了克服現有技術的不足而提供一種水輪機組過流部件用移動增材再制造系統。
[0005]為達到上述目的，本發明所采用的技術方案為:一種水輪機組過流部件用移動增材再制造系統，它包括工程車箱體以及安裝在所述工程車箱體底部的多個車輪，所述工程車箱體內設置有用于對水輪機組過流部件進行清洗和噴砂的前處理區、與所述前處理區相鄰設置用于對水輪機組過流部件進行噴涂和激光熔覆的再制造工作區、與所述再制造工作區相鄰設置用于對噴涂和激光熔覆進行控制的制造控制區以及分別與所述前處理區和所述再制造工作區相連通用于回收砂粒和粉塵的回收區。
[0006]優化地，它還包括與所述制造控制區相鄰設置的無損檢測區，所述無損檢測區內安裝有顯微硬度計、涂層測厚儀和裂紋無損檢測儀。
[0007]優化地，它還包括安裝在所述工程車箱體底部用于支撐在地面上的液壓腿。
[0008]優化地，所述前處理區內依次設置有清洗模塊和噴砂模塊。
[0009]優化地，所述再制造工作區內安裝有軌道組件、與所述軌道組件相配合的機械手以及設置于所述軌道組件兩側的激光3D掃描組件，所述軌道組件上搭配有超音速火焰噴涂噴槍和激光恪覆噴槍;所述制造控制區還對所述激光3D掃描組件進行控制。
[0010]本發明的又一目的在于提供一種基于上述水輪機組過流部件用移動增材再制造系統的修復方法，它包括以下步驟:
(a)對水輪機組過流部件表面進行清洗，
(b)在所述水輪機組過流部件表面先熔覆形成不銹鋼層，再噴涂形成合金涂層即可。[0011 ]優化地，步驟(a)中，在對所述水輪機組過流部件表面進行清洗之前，先對其表面進行激光3D掃描，對應構建3D模型，確定缺陷尺寸，隨后選擇熔覆或/和噴涂的方案。
[0012]進一步地，步驟(b)中，熔覆形成所述不銹鋼層后進行超聲波及磁粉裂紋檢測，并在缺陷處噴砂粗化。
[0013]進一步地，步驟(b)中，噴涂形成所述合金涂層后對其進行厚度、硬度和裂紋檢測。
[0014]進一步地，步驟(a)中，采用醋酸異戊酯清洗構件缺陷部位油漬，采用低濃度鹽酸溶解銹斑，最后用酒精清潔表面;步驟(b)中，所述砂粒的粒徑為0.1?1mm。
[0015]由于上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點:本發明水輪機組過流部件用移動增材再制造系統，通過在工程車箱體內設置對應功能的前處理區、再制造工作區、制造控制區和回收區等，能夠實現對水輪機組過流部件的現場增材再制造修復。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明水輪機組過流部件用移動增材再制造系統的結構示意圖；
圖2為基于本發明水輪機組過流部件用移動增材再制造系統的修復方法工藝圖；
其中，1、工程車箱體;2、前處理區；21、清洗模塊;22、噴砂模塊;3、再制造工作區；31、機械手;32、超音速火焰噴涂噴槍;33、激光熔覆噴槍;34、軌道組件;35、激光3D掃描組件;4、制造控制區；5、無損檢測區；51、顯微硬度計;52、涂層測厚儀;53、裂紋無損檢測儀;6、回收區；
7、液壓腿;8、車輪。
【具體實施方式】
[0017]下面將結合附圖對本發明優選實施方案進行詳細說明。
[0018]實施例1
如圖1所示的水輪機組過流部件用移動增材再制造系統，它包括工程車箱體I和多個車輪8，車輪8安裝在工程車箱體I的底部。
[0019]在本實施例中，該工程車箱體I頂部開口，方便工件吊裝；它的底部安裝有四個液壓腿7，以便在工作時穩定車身，其尺寸(長寬高)可以為9.6 m、2.5 m、2.4 m。工程車箱體I內設有前處理區2、再制造工作區3、制造控制區4、無損檢測區5和回收區6等。前處理區2內依次設置有清洗模塊21和噴砂模塊22，分別用于對水輪機組過流部件進行清洗、噴砂粗化。再制造工作區3內安裝有軌道組件34、與軌道組件34相配合的機械手31以及設置在軌道組件34兩側的激光3D掃描組件35，軌道組件34上搭配有超音速火焰噴涂噴槍32和激光熔覆噴槍33，以實現對水輪機組過流部件進行激光3D掃描、噴涂、激光熔覆;軌道組件34可以延伸至與無損檢測區5(無損檢測區5與制造控制區4相鄰設置)和前處理區2處，這樣機械手31能夠將水輪機組過流部件在前處理區2、再制造工作區3和無損檢測區5之間進行輸送(通過現有的3D建模軟件和機械手31控制軟件，設計其在軌道組件34上的行走路徑，并實現行走路徑的可視化仿真;該區采取隔音措施，最大程度降低再制造工藝噪音的影響)。制造控制區4與再制造工作區3相鄰設置，包括激光3D掃描控制系統、數據處理系統、超音速火焰噴涂控制系統及激光熔覆控制系統，分別用于對超音速火焰噴涂噴槍32、激光熔覆噴槍33和激光3D掃描組件35進行自動化控制；當然，可以根據實際需要增設對應的控制模塊以實現對清洗模塊21、噴砂模塊22等的自動化控制。回收區6分別與前處理區2和再制造工作區3相連通，通過空氣循環流體實現回收砂粒和粉塵。無損檢測區5內安裝有顯微硬度計51、涂層測厚儀52和裂紋無損檢測儀53，以實現對噴涂形成的合金涂層進行厚度、硬度和裂紋檢測。
[0020]實施例2
某水電站導葉負壓面產生大面積魚鱗坑及邊緣溝槽狀缺陷，對其進行現場增材再制造，包括以下步驟(如圖2所示):
(a)先對水輪機組導葉的表面進行激光3D掃描，獲得導葉和缺陷的數據，通過3D建模軟件對掃描收集的數據進行處理，并與其圖紙對比，構建導葉3D模型，確定缺陷尺寸(表面魚鱗坑的平均直徑約7 mm、深度可達5 mm;靠邊處形成寬3?4 mm深度約10 mm長的溝槽);將導葉3D模型生成切片stl文件，導入機械手程序，并生成修復行走路徑(可以先在計算機上模擬行走路徑，對修復過程進行仿真)。同時根據缺陷尺寸選擇熔覆或/和噴涂的方案(當缺陷深度小于0.4 mm時，采用超音速火焰噴涂直接修復;當缺陷深度大于0.4 mm，采用激光恪覆工藝修復將缺陷深度降低至0.4 _內，再采用超聲波及磁粉探傷檢測覆層內部及表層裂紋狀況，噴砂粗化處理，并采用超音速火焰噴涂在表面噴涂抗蝕功能涂層。在本實施例中，魚鱗坑明顯大于0.4 mm，因此選擇后一種方案)。采用醋酸異戊酯清洗構件缺陷部位油漬，采用低濃度鹽酸(5-10 wt%)溶解銹斑，最后用酒精清潔表面。
[0021 ] (b)根據生成的行走路徑使得導葉進行相應的操作:在水輪機組導葉表面缺陷處先熔覆(3kW半導體激光器、2X2mm2光斑、50?200 μπι粒徑的316L不銹鋼粉末)形成不銹鋼層以填充魚鱗坑和溝槽至0.4 _內；再采用超聲波及磁粉探傷檢不銹鋼層內部及表層裂紋狀況，確保不銹鋼層合格后噴砂粗化處理(砂粒的粒徑為0.1?Imm);再用超音速火焰噴涂形成WC-CoCr合金涂層(丙烷流量100 slpm、氫氣流量15 81?111、空氣壓力0.9 MPa)，進行厚度、硬度和裂紋檢測，測得合金涂層厚度為0.36 ±0.02 mm，表面硬度為HRC72，超聲波及磁粉法均未檢測到裂紋。
[0022]實施例3
本實施例提供一種上述水輪機組導葉進行現場增材再制造的方法，其基本步驟與實施例2中的基本一致，不同的是，噴涂時的參數為:丙烷流量120 slpm，氫氣流量15 slpm，空氣壓力0.9 MPa，最終測得合金涂層厚度為0.36±0.02 mm，表面硬度為HRC75，超聲波及磁粉法均未檢測到裂紋。
[0023]實施例4
本實施例提供一種上述水輪機組導葉進行現場增材再制造的方法，其基本步驟與實施例2中的基本一致，不同的是，噴涂時的參數為:丙烷流量140 slpm，氫氣流量25 slpm，空氣壓力1.0 MPa，最終測得合金涂層厚度為0.36 ±0.02 mm，表面硬度為HRC78，超聲波及磁粉法均未檢測到裂紋。
[0024]上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種水輪機組過流部件用移動增材再制造系統，它包括工程車箱體(I)以及安裝在所述工程車箱體(I)底部的多個車輪(8)，其特征在于:所述工程車箱體(I)內設置有用于對水輪機組過流部件進行清洗和噴砂的前處理區(2)、與所述前處理區(2)相鄰設置用于對水輪機組過流部件進行噴涂和激光熔覆的再制造工作區(3)、與所述再制造工作區(3)相鄰設置用于對噴涂和激光熔覆進行控制的制造控制區(4)以及分別與所述前處理區(2)和所述再制造工作區(3)相連通用于回收砂粒和粉塵的回收區(6)。2.根據權利要求1所述的水輪機組過流部件用移動增材再制造系統，其特征在于:它還包括與所述制造控制區(4)相鄰設置的無損檢測區(5)，所述無損檢測區(5)內安裝有顯微硬度計(51)、涂層測厚儀(52)和裂紋無損檢測儀(53)。3.根據權利要求1所述的水輪機組過流部件用移動增材再制造系統，其特征在于:它還包括安裝在所述工程車箱體(I)底部用于支撐在地面上的液壓腿(7)。4.根據權利要求1所述的水輪機組過流部件用移動增材再制造系統，其特征在于:所述前處理區(2 )內依次設置有清洗模塊(21)和噴砂模塊(22 )。5.根據權利要求1所述的水輪機組過流部件用移動增材再制造系統，其特征在于:所述再制造工作區(3)內安裝有軌道組件(34)、與所述軌道組件(34)相配合的機械手(31)以及設置于所述軌道組件(34)兩側的激光3D掃描組件(35)，所述軌道組件(34)上搭配有超音速火焰噴涂噴槍(32)和激光熔覆噴槍(33);所述制造控制區(4)還對所述激光3D掃描組件(35)進行控制。6.—種基于權利要求1至5中任一所述水輪機組過流部件用移動增材再制造系統的修復方法，其特征在于，它包括以下步驟: (a)對水輪機組過流部件表面進行清洗， (b)在所述水輪機組過流部件表面先熔覆形成不銹鋼層，再噴涂形成合金涂層即可。7.根據權利要求6所述水輪機組過流部件用移動增材再制造系統的修復方法，其特征在于:步驟(a)中，在對所述水輪機組過流部件表面進行清洗之前，先對其表面進行激光3D掃描，對應構建3D模型，確定缺陷尺寸，隨后選擇熔覆或/和噴涂的方案。8.根據權利要求7所述水輪機組過流部件用移動增材再制造系統的修復方法，其特征在于:步驟(b)中，熔覆形成所述不銹鋼層后進行超聲波及磁粉裂紋檢測，并在缺陷處噴砂粗化。9.根據權利要求8所述水輪機組過流部件用移動增材再制造系統的修復方法，其特征在于:步驟(b)中，噴涂形成所述合金涂層后對其進行厚度、硬度和裂紋檢測。10.根據權利要求8所述水輪機組過流部件用移動增材再制造系統的修復方法，其特征在于:步驟(a)中，采用醋酸異戊酯清洗構件缺陷部位油漬，采用低濃度鹽酸溶解銹斑，最后用酒精清潔表面;步驟(b)中，所述砂粒的粒徑為0.1?1mm。
【文檔編號】C23C28/02GK106011726SQ201610624873
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年8月3日
【發明人】覃恩偉, 吳樹輝, 尹嵩, 魏少翀, 王博, 黃騫, 潘晨陽, 陳國星
【申請人】蘇州熱工研究院有限公司, 中廣核工程有限公司, 中國廣核集團有限公司, 中國廣核電力股份有限公司