□麻天將 □楊振宇 □殷歡慶 □左仲昆

(河南省人民勝利渠管理局)

氣蝕屬磨損破壞的一種形式，導(dǎo)致水輪機(jī)過流部件破壞，運(yùn)行條件惡化，效率及出力大幅度降低。水輪機(jī)在氣蝕條件下運(yùn)行，其過流部件發(fā)生低頻大振幅脈動(dòng)，甚至導(dǎo)致機(jī)組和廠房發(fā)生振動(dòng)，產(chǎn)生強(qiáng)烈噪音。

一、氣蝕磨損產(chǎn)生的原因

水在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(10.33m水柱)下，當(dāng)溫度達(dá)到100℃時(shí)開始沸騰汽化，隨著壓力降低，水開始汽化的溫度也隨之降低。水在某一溫度開始汽化的臨界壓力稱為該溫度下的汽化壓力。兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系見下表：

表1 溫度與汽化壓力對(duì)應(yīng)關(guān)系表

當(dāng)水流在水輪機(jī)中流動(dòng)通過壓力低于汽化壓力區(qū)界時(shí)，水汽化沸騰產(chǎn)生氣泡，流到高壓區(qū)界時(shí)氣泡迅速潰滅，在潰滅瞬間產(chǎn)生極大的沖擊力，對(duì)金屬表面產(chǎn)生周期性的撞擊。金屬表面在這種反復(fù)的沖擊荷載下，主要發(fā)生疲勞破壞，表面產(chǎn)生小凹坑，進(jìn)而發(fā)展成海綿狀，嚴(yán)重的可能在表面形成大片凹坑，深度達(dá)20mm。

除了由于沖擊應(yīng)力造成的表面疲勞破壞，水流的化學(xué)和電化腐蝕作用加速了氣蝕破壞的進(jìn)程。氣泡潰滅時(shí)會(huì)放出一定的熱量，同時(shí)水擊壓力對(duì)金屬表面反復(fù)沖擊也會(huì)產(chǎn)生局部高溫，引起金屬的氧化。由于金屬表面局部高溫(300℃以上)，在材料之間形成熱電耦，冷熱端形成電位差，對(duì)金屬表面產(chǎn)生電解作用。水流中挾帶的泥沙對(duì)金屬表面的磨削也促進(jìn)了氣蝕。實(shí)驗(yàn)表明，帶有各種固體微粒的水流比純水更容易產(chǎn)生氣蝕，含沙水流產(chǎn)生的氣蝕空泡壓力比清水高10%～l5%，而氣穴強(qiáng)烈脈動(dòng)增加水流的紊動(dòng)，也加速了泥沙對(duì)金屬的磨損。

二、氣蝕的分類

(一)翼型氣蝕

當(dāng)水流在反擊式轉(zhuǎn)輪葉柵繞流時(shí)，葉片背面壓力降低到汽化壓力時(shí)即發(fā)生翼型氣蝕。翼型氣蝕破壞區(qū)分布在葉片背面下部偏出水邊部位，有的靠近下環(huán)及其下環(huán)內(nèi)表面。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)翼型氣蝕破壞區(qū)分布在葉片進(jìn)水邊的后部及出水邊外緣附近。此種氣蝕侵蝕的特征有三：一是侵蝕區(qū)金屬表面呈海綿狀針孔，表面有呈灰暗無光澤蜂窩及透孔；二是金屬疏松脫落；三是一般發(fā)生在葉片背面。

(二)間隙氣蝕

水流通過狹小的通道或縫隙時(shí)使局部流速升高、壓力降低所造成。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)發(fā)生在葉片外緣與轉(zhuǎn)輪室之間及葉片內(nèi)緣與轉(zhuǎn)輪體之間的間隙附近區(qū)域?；炝魇剿啓C(jī)發(fā)生在葉片上下端面及立面密封附近及頂蓋。沖擊式水輪機(jī)在噴針全關(guān)閉下存在漏水間隙時(shí)，發(fā)生間隙氣蝕。

(三)局部氣蝕

水流在不平整表面繞流時(shí)，由于局部壓力降低發(fā)生的氣蝕即為局部氣蝕。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)中，局部氣蝕發(fā)生在轉(zhuǎn)輪室連接不平滑臺(tái)階、有凹陷處及凹凸葉片固定螺釘處。

(四)空腔氣蝕

水輪機(jī)在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪水流的法向出口遭到破壞，使轉(zhuǎn)輪出口與尾水管進(jìn)口產(chǎn)生低壓渦帶，而渦帶中心形成真空產(chǎn)生空腔氣蝕?？涨粴馕g造成尾水管氣蝕破壞，使水輪機(jī)軸向振動(dòng)增加，并產(chǎn)生強(qiáng)烈噪音。

三、預(yù)防減少水輪機(jī)氣蝕的措施

預(yù)防減少氣蝕是電站運(yùn)行的重要課題，主要措施有如下幾個(gè)方面：

(一)采用抗氣蝕材料，提高加工工藝

目前這種措施見效快、適用廣。葉片的主要材料有鑄鐵和鑄鋼，鑄鐵中由于石墨的存在，抗氣蝕性能差。鑄鋼的抗氣蝕性能與鐵素體含量和鋼的純度有關(guān)，鐵素體越多抗氣蝕性能越差，鋼的純度越高抗氣蝕性能越高。組織均勻?qū)箽馕g性能有利，具有低碳的鉻鎳不銹鑄鋼具有優(yōu)良的抗氣蝕能力。另外，加工過程中，保證金屬表面光潔也可以提高抗氣蝕性能。

(二)改善水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)

改善葉片翼型設(shè)計(jì)可以改善氣蝕條件。葉片進(jìn)水邊具有圓弧狀、葉片背面應(yīng)有均勻壓力分布、葉片出水邊較薄、翼型剖面為光滑流線型、繞流條件好等都是改善氣蝕條件的有效措施。另外，通過改進(jìn)尾水管及轉(zhuǎn)輪上冠設(shè)計(jì)，能減緩空腔氣蝕。

(三)改善運(yùn)行條件并采用適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行措施

根據(jù)機(jī)型特點(diǎn)及電站運(yùn)行條件，擬定合理水電站運(yùn)行方式，不允許水輪機(jī)低出力運(yùn)行，能產(chǎn)生明顯效果。補(bǔ)氣是減緩氣蝕的重要方法，主要采用主軸中心自然補(bǔ)氣與尾水管補(bǔ)氣。

(四)采用零氣蝕檢修工藝和方法

1.縮短檢修周期，采用以小修為主的檢修方法，是實(shí)現(xiàn)零氣蝕的有效途徑。在氣蝕初期及時(shí)檢查處理，避免產(chǎn)生氣蝕凹坑。

2.采用金屬噴焊技術(shù)覆蓋材料表面。

3.對(duì)于已破壞區(qū)，采用抗蝕材料(如D276高鉻錳鋼耐氣蝕堆焊條)堆焊結(jié)合局部翼型修整，嚴(yán)格打磨至光滑平整。

4.采用抗氣蝕材料作表面防護(hù)，如利用環(huán)氧金剛砂刷涂到金屬表面。

5.改善間隙形態(tài)，減緩間隙氣蝕。