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        水電站水輪機(jī)磨損與防護(hù)

        2014-04-29 00:00:00李進(jìn)軍王虎姚景濤游萍
        基層建設(shè) 2014年23期

        摘要:本文主要就水電站水輪機(jī)磨損的形式、原因以及防護(hù)水電站水輪機(jī)磨損的具體措施進(jìn)行了分析研究。

        關(guān)鍵詞:水電站;水輪機(jī);磨損;防護(hù)

        一、水輪機(jī)的主要磨損形式

        水輪機(jī)及其重要部件經(jīng)含有大量泥少的高速水流流過(guò)時(shí),極易對(duì)其造成磨損,其磨損方式主要包括三種:一是沖蝕磨損;二是汽蝕磨損;三是沖蝕與汽蝕的復(fù)合磨損,具體表現(xiàn)在:

        1、沖蝕磨損

        一些小而松散的流動(dòng)粒子對(duì)材料形成沖擊的情況下材料表面出現(xiàn)破壞時(shí)稱這一磨損現(xiàn)象為沖蝕磨損。攜帶固體粒子的流體包括液流和高速汽流,液流為泥漿型沖蝕,而高速汽流會(huì)產(chǎn)生噴砂型沖蝕。

        2、汽蝕磨損

        汽蝕磨損是指水流在局部地區(qū)流速增高的情況下會(huì)產(chǎn)生汽化,這就出現(xiàn)了破壞現(xiàn)象,將其稱為汽蝕磨損。

        3、沖蝕與汽蝕的復(fù)合磨損

        高速水流在含量有泥沙和汽泡的情況下對(duì)流過(guò)的材料產(chǎn)生磨損被稱之為沖蝕與汽蝕的復(fù)合磨損,通常水電行業(yè)將其稱之為磨蝕。水輪機(jī)產(chǎn)生沖蝕與汽蝕的復(fù)合磨損主要是在水、汽和沙的共同作用下形成的,這是我國(guó)水電設(shè)備嚴(yán)重受磨蝕的主要原因。

        二、水電站水輪機(jī)磨損的原因

        1、與磨損物質(zhì)特性的關(guān)系

        磨損物質(zhì)特性主要指泥沙顆粒的成分、大小、硬度、及形狀等。顆粒的成分,一般泥沙顆粒的成分主要有石英、長(zhǎng)石、云母、鐵砂等物質(zhì)。有些物質(zhì)的硬度大于部件材質(zhì)的硬度,而硬度越大,磨損也越嚴(yán)重。顆粒的大小,磨損程度與顆粒的直徑成正比,粒徑越大磨損越嚴(yán)重。同樣顆粒形狀不同磨損也不同,尖角的顆粒比圓滑的顆粒磨損要快。

        2、與水流特性的關(guān)系

        水流的特性是指水流中含有泥沙的濃度、水流的速度、水流的方向的沖擊角等。水流中含有泥沙的濃度越大,磨損越嚴(yán)重。水流流速越快磨損越歷害,水流方向和沖擊角不同對(duì)磨損有不同的影響。不同條件下的沖蝕磨損試驗(yàn)研究表明,磨損率 W 與磨粒速度 V 有如下關(guān)系:

        對(duì) n 的取值,研究人員看法不一。Truscott報(bào)導(dǎo)了對(duì)不同材料,n 值不同,例如,在噴沙裝置上,對(duì)鋼材 St,n = 1.4;橡膠,n = 4.6。Daun等發(fā)現(xiàn)對(duì)不同試驗(yàn)臺(tái) n 值不同,例如旋轉(zhuǎn)式試驗(yàn)臺(tái),n =2.5~3;圓盤(pán)式,n = 1.8 ~ 2.7;射流式,n = 2 ~ 2.2。由于流速指數(shù)值變化很大,在磨損速率預(yù)測(cè)和模擬時(shí)很難給出一個(gè)統(tǒng)一的 n 值。

        3、與過(guò)流部件的材質(zhì)特性的關(guān)系

        金屬材料的抗磨性取決于材料的物理性:硬度、內(nèi)部組織、化學(xué)成分、粗糙度、表面尺寸、彈性率等。表面硬度越高的材料,磨損量越小,材料的內(nèi)部組織越密實(shí),晶體結(jié)構(gòu)越均勻抗磨性越好,表面粗糙度起好,抗磨性越好。

        4、與運(yùn)行方式的關(guān)系

        當(dāng)水輪機(jī)運(yùn)行情況良好汽蝕和磨損不產(chǎn)生聯(lián)合作用時(shí),汽蝕與磨損情況是不同的。當(dāng)機(jī)組處于非設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的汽蝕,會(huì)與泥沙對(duì)機(jī)件表面產(chǎn)生聯(lián)合作用加大磨損的速度。

        三、水電站水輪機(jī)磨損的防護(hù)措施

        1、合理選擇防護(hù)方案

        以水電機(jī)組葉輪防護(hù)處理技術(shù)為例,磨蝕分兩個(gè)方面:葉輪正面的磨蝕和葉輪背面的氣蝕。葉輪正面的磨蝕主要是含沙水流的沖擊和碰撞造成的,背面的氣蝕是空化造成的。復(fù)合樹(shù)脂金剛砂材料硬度高,有較高的邵氏硬度,可提高過(guò)流部件抗沖擊和磨損的性能,適用于葉輪正面的磨蝕防護(hù)。聚氨酯彈性體技術(shù)抗磨蝕性能好,具有一定的彈性,有較好的抗撕裂強(qiáng)度,可防止高速水流中砂粒、石塊對(duì)葉片產(chǎn)生劃傷和撕裂破壞,適用于葉輪背面的氣蝕防護(hù)。

        2、合理選擇防護(hù)技術(shù)

        2.1 “硬抗”技術(shù)

        由于水流中含有一定硬度的泥沙、石塊等顆粒狀物體,這些物體高速進(jìn)入機(jī)組后,對(duì)機(jī)組產(chǎn)生很強(qiáng)的撞擊、切削破壞。針對(duì)這種磨蝕破壞情況,則要采用有一定硬度的抗磨蝕防護(hù)材料。目前主要有復(fù)合樹(shù)脂金剛砂技術(shù)、耐磨焊條技術(shù)、熱鍍硬鉻技術(shù)、金屬陶瓷技術(shù)等。這類抗磨蝕防護(hù)技術(shù)稱為“硬抗”。

        2.2 “軟抗”技術(shù)

        由于機(jī)組過(guò)流部件存在某些缺陷,造成機(jī)組內(nèi)部壓強(qiáng)不均勻,進(jìn)而產(chǎn)生普遍存在的氣蝕現(xiàn)象。其周圍的液體以極高的速度沖向機(jī)組部件的表面,產(chǎn)生高強(qiáng)度的沖擊波,產(chǎn)生噪音并引起振動(dòng)。另外,液體中的微量溶解氧及酸堿性物質(zhì)的化學(xué)腐蝕作用,對(duì)金屬材料也會(huì)產(chǎn)生化學(xué)腐蝕破壞。針對(duì)這種空蝕破壞情況,則要采用有一定彈性(韌性)及抗腐蝕性能的高分子抗磨蝕材料,主要有聚氨酯和超高密度聚乙烯材料等。這類抗磨蝕防護(hù)技術(shù)稱為 “軟抗”。

        3、焊接修復(fù)技術(shù)

        焊接是目前水輪機(jī)修復(fù)的重要方法。目前,主要方式有補(bǔ)焊、噴焊、利用防護(hù)材料修復(fù)等。對(duì)于Cr13型馬氏體不銹鋼來(lái)說(shuō),焊后即使是空冷也會(huì)由高溫狀態(tài)的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,并表現(xiàn)出明顯的淬硬傾向。當(dāng)采用材質(zhì)相同的焊接材料焊接Cr13型馬氏體不銹鋼時(shí),為了細(xì)化焊縫金屬的晶粒,提高焊縫的塑性和韌性,焊接材料中通常會(huì)添加少量的M o、Ti、Al 等合金元素,同時(shí)采用特定的工藝措施。對(duì)于含碳量低的馬氏體不銹鋼,冷卻結(jié)晶時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榈吞捡R氏體,不會(huì)表現(xiàn)出顯著的淬硬傾向。且不同的冷卻速度,對(duì)焊縫和熱影響區(qū)的硬度不會(huì)有明顯的影響,且具有良好的焊接性。這種不銹鋼經(jīng)過(guò)淬火或回火處理后,由于韌化的奧氏體均勻的彌散分布于回火馬氏體的基體,使其具有較高的輕度和良好的塑性及韌性。表現(xiàn)出強(qiáng)韌性良好的匹配和優(yōu)良的耐蝕能力。具體的焊接方法包括以下幾種:

        3.1 低電壓短弧焊法

        在整個(gè)焊接過(guò)程中保持弧長(zhǎng)不變,收弧時(shí)應(yīng)填滿弧坑。在多層焊接時(shí),每焊完一層應(yīng)徹底清除熔渣,待冷卻后再焊接下一層,并盡量減少焊接層數(shù),以避免重復(fù)加熱,否則會(huì)使熱影響區(qū)擴(kuò)大,降低焊縫的抗腐蝕性能。由此可見(jiàn),在使用焊條焊接1Cr13型馬氏體不銹鋼時(shí),對(duì)焊接手法和運(yùn)條方法都有較高的要求,而且在工程量日益增大的今天,其生產(chǎn)效率也是問(wèn)題。

        3.2 熔化極氣體保護(hù)焊

        熔化極氣體保護(hù)焊有焊接效率高、熔合比低、焊接變形小等特點(diǎn),可以滿足水輪機(jī)焊接的需要,并且該方法的焊接成本相對(duì)較低。因此,焊接Cr13Ni 5型馬氏體不銹鋼可使用E410Ni M o藥芯焊絲。首先,藥芯焊絲對(duì)鋼材焊接的適應(yīng)性比較好,能夠方便和準(zhǔn)確的調(diào)整焊劑的成分和比例,使熔敷金屬可以滿足焊縫所需求的化學(xué)成分。其次,藥芯焊絲的工藝性能好,焊縫成形美觀。藥芯焊絲采用氣渣聯(lián)合保護(hù),獲得良好成形性。藥芯中加入穩(wěn)弧劑使電弧更穩(wěn)定,熔滴過(guò)渡更為均勻,使焊接過(guò)程中飛濺少且顆粒細(xì)小。最后,藥芯焊絲在生產(chǎn)過(guò)程中,對(duì)環(huán)境的污染小于焊條和實(shí)芯焊絲。因此,推薦水輪機(jī)的修復(fù)采用相應(yīng)的藥芯焊絲焊接。

        3.3 帶極電渣焊

        帶極電渣焊是一種高效的焊接方法,自動(dòng)化程度較高。通常,焊接Cr13Ni 5型馬氏體不銹鋼可以使用D410Ni M oL焊帶進(jìn)行焊接。目前,東方電氣公司已經(jīng)成功的使用該方法對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行了焊接,但工裝極為復(fù)雜,且需要巨型的變位設(shè)備,其推廣起來(lái)有一定困難。另外該種方法高溫停留的時(shí)間長(zhǎng),難以控制熔合區(qū)的組織成分,從而對(duì)其使用性能有一定的影響。

        結(jié)束語(yǔ)

        綜上所述,水電站水輪機(jī)的磨損會(huì)給其運(yùn)行效率產(chǎn)生極大的影響,因此,需要對(duì)于其磨損的形式與原因進(jìn)行分析,并采取相應(yīng)措施,進(jìn)一步加強(qiáng)水電站水輪機(jī)磨損的防護(hù),從而為水電站的正常運(yùn)行提供有效保障。

        參考文獻(xiàn):

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