Verbesserung der Langlebigkeit von Wasserkraftwerken durch Kavitations- und Erosionsbekämpfung

Erosion und Kavitation sind bedeutende Verschleißmechanismen, die die Lebensdauer von Maschinenkomponenten in Wasserkraftwerken drastisch verkürzen können. Der Einsatz ultraharter verschleißfester Beschichtungen ist unerlässlich, um diese Herausforderungen zu bewältigen, obwohl jeder Standort einzigartige Bedingungen aufweist, die maßgeschneiderte Lösungen erfordern. In diesem Artikel erläutert Inaki Ezpeleta, Anwendungstechniker bei Castolin Eutectic, wie maßgeschneiderte Verschleißschutzbeschichtungen Erosion und Kavitation wirksam widerstehen können, um die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von Wasserkraftanlagen dauerhaft zu gewährleisten.

Bei der Erörterung des Verschleißes von mechanischen Anlagen sind Kavitation und Erosion die wichtigsten Faktoren. Kavitation tritt aufgrund von Druckschwankungen im Wasserstrom auf und führt zur Bildung und zum Zusammenbruch von Dampfblasen hinter den Laufradschaufeln. Dieses Phänomen führt zu Schockwellen, die Lochfraß, Risse und schließlich den Ausfall der Laufradoberflächen verursachen. Andererseits entsteht Erosion durch den Aufprall von abrasiven Sandpartikeln im Wasser, die die Komponenten mit der Zeit abnutzen.

Hydraulische Maschinen unterschiedlicher Art, Größe und Alter sind anfällig für Kavitation und Erosion. Während eine vollständige Beseitigung dieser Verschleißmechanismen nicht möglich ist, können regelmäßige Reparaturen unter Verwendung von Materialien mit hoher Oberflächenhärte und Zähigkeit die ursprüngliche Leistungsfähigkeit der Komponenten wiederherstellen und ihre Lebensdauer verlängern.

Die Auswirkungen von Kavitation und Erosion sind von Wasserkraftwerk zu Wasserkraftwerk unterschiedlich und hängen von Faktoren wie Wasserdruck, Durchflussmenge, Sedimentzusammensetzung und Betriebsbedingungen ab. Um diesen Herausforderungen wirksam zu begegnen, ist eine Vielzahl von Beschichtungen verfügbar. Diese Beschichtungen sind speziell für die Reparatur und den Schutz von Turbinen (z. B. Francis-, Kaplan-, Propeller- und Rohrturbinen), Saugrohren, Laufrädern, Pumpen, Ventilen und Leitschaufeln konzipiert. Techniken wie HVOF (High-Velocity Oxygen Fuel), Lichtbogenspritzen, Schweißen und Kaltpolymerbeschichtungen werden eingesetzt, um verschleißfeste Legierungen aufzutragen, die auf die einzigartigen Verschleißmuster der jeweiligen Anlage zugeschnitten sind.

Fallstudie: CaviTec

Ein bemerkenswertes Beispiel ist die Entwicklung von CaviTec, einer kavitationsbeständigen Legierung, mit der Hydro-Quebec Pionierarbeit geleistet hat, um die Erosion an den Turbinenlaufrädern seines umfangreichen Wasserkraftwerkparks zu bekämpfen. Diese mit Chrom, Kobalt, Silizium und Mangan angereicherte Edelstahllegierung der Güteklassen 308 und 309 übertrifft herkömmliche Qualitäten, da sie unter strengen Testbedingungen bis zu sechsmal länger hält.

Kontinuierliche Weiterentwicklungen verbessern die Präzision und Haltbarkeit dieser Legierungen. Innovationen wie Pulsschweißen und optimierte Anwendungsparameter minimieren die Porosität und verbessern die Qualität und Langlebigkeit der Beschichtung. Diese Entwicklungen stellen sicher, dass die Komponenten über lange Betriebszeiten hinweg eine optimale Leistung erbringen.

Reparaturtechniken

Wenn durch Kavitation ein erheblicher Materialverlust entsteht, sind Schweißreparaturen unerlässlich. Techniken wie Lichtbogen- oder Plasma-Fugenhobeln werden eingesetzt, um beschädigtes Material zu entfernen, bevor neue Schichten auf die Oberflächen geschliffen und geschweißt werden. Eine Grundschicht aus rostfreiem Stahl, gefolgt von einer Deckschicht aus CaviTec, gewährleistet optimale Dicke und Leistung, wie bei der Reparatur von Francis-Pumpturbinen in Österreich.

Überlegungen zum Thermischen Spritzen

In Industrien, in denen Erosion eine große Gefahr darstellt, bietet das thermische Spritzen eine wichtige Lösung. Mit dieser Methode lassen sich dünne, dichte Beschichtungen auftragen, die für die Aufrechterhaltung der Betriebseffizienz von Maschinen, die über einen längeren Zeitraum abrasiven Umgebungen ausgesetzt sind, entscheidend sind.

Langfristige Leistung und Reparierbarkeit sind entscheidende Faktoren bei der Auswahl thermischer Spritzverfahren. Die Haftfestigkeit von Beschichtungen, ein Schlüsselkriterium, beeinflusst die Wahl zwischen HVOF und Lichtbogenspritzen. Beide Verfahren sind für ihre robuste Haftfestigkeit bekannt und gewährleisten Langlebigkeit und Zuverlässigkeit sowohl bei neuen Anwendungen als auch bei Reparaturen. Die Auswahl des geeigneten Verfahrens hängt von den spezifischen Anforderungen der Beschichtung ab.

HVOF eignet sich besonders gut für das Auftragen von Beschichtungen wie Wolframkarbid-Kobalt-Chrom (WC/Co/Cr) bei hohen Geschwindigkeiten. Dieses Verfahren bietet nicht nur eine hervorragende Erosionsbeständigkeit, sondern bekämpft auch wirksam die Kavitation. Da beim HVOF-Verfahren nicht hohe Temperaturen, sondern hohe Geschwindigkeiten zum Einsatz kommen, werden nachteilige thermische Auswirkungen auf das darunter liegende Bauteil minimiert, so dass dessen Intaktheit erhalten bleibt.

Die Vielseitigkeit von HVOF ermöglicht punktuelle Anwendungen oder die vollständige Abdeckung von Bauteilen und erleichtert so die Reparatur vor Ort.

Alternativ bieten amorphe Materialien, die Chrom, Bor und Silizium enthalten, eine weitere Möglichkeit der Erosionsbeständigkeit. Durch Lichtbogenspritzen aufgetragen, erzeugen diese Materialien dichte Beschichtungen, die gut auf Stahlsubstraten haften. Sie sind zwar wirtschaftlicher als HVOF, erreichen aber nicht die extreme Oberflächenhärte von Wolframkarbid.

Fallstudie: Herausforderungen durch Erosion bewältigen

In einem Wasserkraftwerk in Österreich stellte die Erosion durch sandhaltiges Wasser eine große Herausforderung für eine 6-MW-Hochdruckturbine dar. Die abrasiven Partikel mit einer Größe von 0,5 mm und mehr verursachten Erosion zwischen Wellendichtungen und Laufrädern, was zu unterschiedlichen Standzeiten von 3000 bis 6000 Stunden führte. In schweren Fällen erforderte der schnelle Verschleiß eine sofortige Reparatur, um übermäßige Leckagen zu verhindern.

Als proaktive Maßnahme brachten die Techniker eine 0,3 mm dicke HVOF-Beschichtung auf und verlängerten damit die Wartungsintervalle erheblich. Bei der Inspektion nach 2200 Betriebsstunden wurde nur minimaler Verschleiß festgestellt, was die Wirksamkeit der HVOF-Beschichtung bei der Verbesserung der Langlebigkeit der Ausrüstung beweist.

Laser-Cladding für verbesserte Langlebigkeit

Das Laserauftragschweißen ist ein weiterer innovativer Ansatz für den Wiederaufbau und die Größenanpassung von Bauteilen. Bei dieser Technik wird ein Laser eingesetzt, um Metallpulver oder -draht auf der Oberfläche des Werkstücks zu erhitzen, wodurch eine robuste metallurgische Verbindung entsteht. Das Laserstrahl-Auftragschweißen ist für seine Präzision und seine schnelle Erwärmung bekannt und bietet Flexibilität bei der Auswahl und Einteilung der Beschichtungen, so dass die unterschiedlichsten betrieblichen Anforderungen erfüllt werden können.

Bei einer bemerkenswerten Anwendung in Norwegen wurde ein sechs Tonnen schweres Bauteil, das unter starkem Verschleiß litt, mit einer 6-kW-Laser umfassend saniert. Mit diesem Ansatz wurde das Bauteil nicht nur schnell wiederhergestellt, sondern auch die Umweltbelastung durch die Nutzung von emissionsfreiem nordischem Strom minimiert - im Gegensatz zu herkömmlichen Schweißreparaturen, die schädliche Emissionen erzeugen.

Keramische Oberflächenpolymere für eine vielseitige Wartung

Keramische Oberflächenpolymere, die unter dem Markennamen MeCaTec vertrieben werden, vereinen keramische Festigkeit mit der Flexibilität von Polymeren und sind damit ideal für die Bekämpfung von Kavitation und Erosion. Diese Polymere sind als Zweikomponentenmischung erhältlich und werden vor Ort mit Spachteln, Pinseln oder Sprays aufgetragen. Sie dienen sowohl der korrigierenden als auch der vorbeugenden Instandhaltung und gewährleisten eine längere Lebensdauer der Komponenten und eine höhere Betriebseffizienz.

So wurde beispielsweise in einem Wasserkraftwerk ein perforiertes Wasserzufuhrrohr an einem gusseisernen Speicherbehälter mit Hilfe von Keramikpolymer schnell wiederhergestellt. Angesichts der Komplexität von Schweiß- oder thermischen Reparaturen bei Gusseisen wurden mit dieser Verbindung die Perforationen effizient repariert und abgedichtet, so dass das Bauteil umgehend wieder in Betrieb genommen werden konnte.

Schlussfolgerung

Die wirksame Bewältigung von Erosionsproblemen bei Wasserkraftwerkskomponenten erfordert eine strategische Auswahl von Materialien und Techniken. Durch den Einsatz von fortschrittlichem thermischen Spritzen, Laserplattieren und keramischen Oberflächenpolymeren kann die Industrie die Haltbarkeit von Anlagen verbessern, Ausfallzeiten minimieren und Wartungskosten optimieren. Für maßgeschneiderte Lösungen und weitere Anfragen besuchen Sie www.castolin.com/contact.