黑麋峰抽水蓄能有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410213

摘要：水輪機(jī)磨蝕是指水輪機(jī)在汽蝕破壞和泥沙磨損的聯(lián)合作用下的破壞情況，這個(gè)問(wèn)題一直困擾著運(yùn)行在多泥沙河流上的水電站。水輪機(jī)中的過(guò)流部件，像水輪機(jī)葉片、轉(zhuǎn)輪本體、導(dǎo)葉、尾水管等，常常會(huì)受到水沙的磨蝕而造成過(guò)流部件表面的金屬流失，讓設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)振動(dòng)與噪音，導(dǎo)致設(shè)備低下的運(yùn)行效率、頻繁大修、縮短使用壽命，嚴(yán)重影響機(jī)組的穩(wěn)定與安全。文章關(guān)鍵針對(duì)水電站水輪機(jī)磨蝕因素和防護(hù)措施實(shí)施探討。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)過(guò)流部件；磨蝕；防護(hù)方法

1、水輪機(jī)的關(guān)鍵磨損形式

1.1氣蝕

汽蝕是指水輪機(jī)的過(guò)流通道中水壓太低讓水汽化形成汽泡與水壓高時(shí)，汽泡的凝結(jié)破滅經(jīng)過(guò)所引發(fā)的一連串物理化學(xué)情況對(duì)機(jī)器表面的破壞。這種破壞是一種高壓細(xì)射流沖擊、金屬氧化與電解，對(duì)機(jī)器表面相對(duì)嚴(yán)重的損壞。我們常常見(jiàn)到的機(jī)器表面針孔形狀、麻面與海綿狀等都是以為你氣蝕所導(dǎo)致的。氣蝕在機(jī)器材料表面的破壞沒(méi)有顯著的方向性，我們不可以小看這種破壞，在破壞嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)讓水輪機(jī)的葉片非?？焓?。

1.2泥沙磨損

泥沙磨損是指水流中含有的泥沙對(duì)水輪機(jī)過(guò)流部件導(dǎo)致的磨損破壞。高速含沙水流通過(guò)部件表面時(shí)，會(huì)導(dǎo)致摩擦與切削功能，含沙水流沖擊部件表面的瞬間，能形成高溫高壓讓金屬表面氧化，溫度的急劇變化會(huì)引發(fā)金屬保護(hù)膜的破壞而造成部分沖蝕。在泥沙的重復(fù)沖擊下，形成交變應(yīng)力加速保護(hù)膜的破壞。在沖蝕經(jīng)過(guò)中不一樣材料的沖蝕規(guī)律隨沖蝕角的改變而異。當(dāng)沖蝕角相對(duì)低時(shí)，材料的沖蝕率有一峰值，這是由于韌性材料的微切削是沖蝕的關(guān)鍵機(jī)理，抗沖蝕功能的重要原因是水輪機(jī)葉片的彈性模量；另外流速、沙粒直徑與介質(zhì)流態(tài)等也是關(guān)鍵的影響原因。當(dāng)中激烈的偏流會(huì)引發(fā)部分增大流速，導(dǎo)致增加材料的部分損壞，偏流還會(huì)引發(fā)側(cè)向加速度，讓沙粒與材料表面的接觸應(yīng)力增加了，加劇了材料的沖蝕磨損。

1.3沖蝕和氣蝕的復(fù)合磨損

高速水流在含量有泥沙與氣泡的狀況下對(duì)流過(guò)的材料形成磨損被稱之為沖蝕和氣蝕的復(fù)合磨損，一般水電行業(yè)把其稱之為磨蝕。水輪機(jī)形成沖蝕和氣蝕的復(fù)合磨損關(guān)鍵是在水、氣與沙的一起作用下產(chǎn)生的，這是中國(guó)水電設(shè)備嚴(yán)重受磨蝕的關(guān)鍵因素。

2、水電站水輪機(jī)的防護(hù)

2.1優(yōu)化水輪機(jī)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)查看分析，高流速、脫流、旋渦等都會(huì)讓水輪機(jī)的磨損加大。所以，在水輪機(jī)的設(shè)計(jì)和制造工藝上，葉片的形狀要跟水流流態(tài)相符，而且作用在葉片上一定要分布平均的壓力，此外使用抗磨蝕材料像不銹鋼轉(zhuǎn)輪，提升加工光潔度等，能進(jìn)一步提高過(guò)流部件的抗磨能力。為了保證葉片的葉型更加準(zhǔn)確，能應(yīng)用數(shù)控機(jī)床對(duì)葉片實(shí)施精加工，減小葉片的流道誤差而且過(guò)流表面光滑，能夠更好地保證過(guò)流部件的抗磨蝕能力。

2.2減少過(guò)機(jī)泥沙

在水電站早期的建設(shè)經(jīng)過(guò)中，中國(guó)有過(guò)很多的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，像在每年汛期時(shí)，水流中的泥沙非常多，水電站設(shè)施不到位的排沙，從而讓過(guò)機(jī)泥沙對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)致非常大的磨蝕。所以，在實(shí)施水電站設(shè)計(jì)時(shí)就必須要思考怎樣把泥沙經(jīng)過(guò)水輪機(jī)流道減少，像設(shè)置必然容量的沉沙池、排沙洞等設(shè)施；此外，使用蓄清排渾、洪水排沙、平水發(fā)電等形式，也能夠相對(duì)好地處理排沙和發(fā)電的關(guān)系。

2.3環(huán)氧金剛砂防護(hù)

環(huán)氧金剛砂分子構(gòu)造緊密，這涂層能夠有效把酸、堿等腐蝕性介質(zhì)對(duì)基材的擴(kuò)散滲透能力減少或隔絕，而且具備低廉價(jià)格、簡(jiǎn)易施工與抗磨性能好等特征，可以對(duì)泥沙磨蝕的非空化區(qū)起到有效的保護(hù)功能。在七十年代三門峽水電站第一次使用了這技術(shù)，應(yīng)用這涂層完成了對(duì)水輪機(jī)葉片正面、固定導(dǎo)葉、中環(huán)等位置的保護(hù)；此后在多個(gè)水電站實(shí)施試驗(yàn)，結(jié)果說(shuō)明這涂層對(duì)水輪機(jī)過(guò)流部件的非氣蝕區(qū)有非常好的保護(hù)功能。但對(duì)于嚴(yán)重氣蝕區(qū)，這涂層的防護(hù)結(jié)果不是很理想。

2.4聚氨酯防護(hù)

聚氨酯為有機(jī)高分子化合物，這涂層在抗氣蝕磨損方面具備非常好的效果。聚氨酯涂層能夠吸收泥沙顆粒的沖擊力，而且具備耐磨、高強(qiáng)度、彈性大等特征。但涂層相對(duì)差的抗硬物沖擊與割傷能力，局部一旦被劃傷，會(huì)導(dǎo)致大面積脫落，或由于不夠的粘接強(qiáng)度，常常機(jī)組運(yùn)行時(shí)間不長(zhǎng)涂層便大面積或全體脫落?，F(xiàn)在，我國(guó)已經(jīng)研制成功粘接強(qiáng)度達(dá)到30MPa的聚氨酯涂層，目前在各大水電站宣傳應(yīng)用。

2.5堆焊

堆焊是中國(guó)使用相對(duì)多的一種抗磨損解決辦法，它的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是簡(jiǎn)單的設(shè)備、成熟的技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)施工方便。一直以來(lái)，在每一個(gè)電站廣泛使用，特別是中小型電站上?，F(xiàn)在，高鉻鑄鐵型、高Cr―Mn奧氏體型、Cr一Ni奧氏體不銹鋼型與低氫馬氏體不銹鋼型等是關(guān)鍵用于水輪機(jī)抗磨蝕堆焊的焊條，當(dāng)中0Cr13Ni4--6MoRe系列低氫馬氏體不銹鋼焊條具備相對(duì)好的抗磨蝕功能，其為1Crl8Ni9Ti（A102）2倍左右的抗磨蝕能力。堆焊法能讓焊層和基體產(chǎn)生冶金結(jié)合，而且結(jié)合強(qiáng)度高。但這辦法沖淡率大，焊層厚而且不平均，焊后容易出現(xiàn)變形，并也許對(duì)過(guò)流部件形成熱影響而把部件的機(jī)械強(qiáng)度降低等功能。

2.6噴焊

在水輪機(jī)磨損方面修復(fù)另外常用的一種辦法是噴焊法。在這個(gè)經(jīng)過(guò)中，因?yàn)閲姾笇油ㄟ^(guò)重熔經(jīng)過(guò)，因此和基體產(chǎn)生冶金結(jié)合。其結(jié)合強(qiáng)度能高達(dá)（300～500）MPa，覆層為致密無(wú)孔的鑄態(tài)結(jié)晶組織，具備省材料與高效率等優(yōu)勢(shì)。

2.4高速氧燃噴涂碳化鎢防護(hù)

丙烷、丙稀與氧氣運(yùn)用超音速火焰噴涂槍，通過(guò)混合燃燒后，在1 500m/s以上的形成速度高溫氣流，同時(shí)在噴嘴處它會(huì)把高壓空氣送入的碳化鎢粉末粉末熔化，而且形成500m/s左右的高速射流，從而平均地把熔化后的粉末噴涂在材料表面上，產(chǎn)生高密度的加強(qiáng)涂層。這種涂層盡管在抗氣蝕、抗硬物沖擊方面相對(duì)弱，但對(duì)泥沙磨損具備非常好的抵抗能力。在不受硬物撞擊的非氣蝕區(qū)，就算含沙量非常高的河水中磨蝕率也會(huì)降低不少。碳化鎢涂層是現(xiàn)在最為有效的表面防護(hù)辦法，但需要專門的噴涂設(shè)備，相對(duì)高的成本。

3、抗磨損其他措施

3.1 過(guò)流部件選材和噴涂處理水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、活動(dòng)導(dǎo)葉、抗磨板等關(guān)鍵過(guò)流部件使用抗氣蝕、磨損功能好與焊接功能好的不銹鋼制做。在轉(zhuǎn)輪部分容易磨蝕位置使用進(jìn)一步防護(hù)方法像噴焊碳化鎢涂層等。

3.2 使用泵板與無(wú)接觸間隙密封的是機(jī)組主軸密封，使用泵板與無(wú)接觸間隙密封的是工作密封，材料不銹鋼的是泵板，把上止漏環(huán)處泄漏水排入頂蓋排水腔的是經(jīng)過(guò)泵板作用，把水排到集水井的是頂蓋排水腔的排水管。靜止部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分是工作密封不接觸的，壽命長(zhǎng)的密封，冷卻或潤(rùn)滑在正常運(yùn)行是不用的，避免固體進(jìn)入主軸密封的轉(zhuǎn)輪密宮環(huán)，把主軸密封的磨損防止了。

3.3 為避免汛期轉(zhuǎn)輪磨損破壞修復(fù)延誤機(jī)組運(yùn)行就要選用備用轉(zhuǎn)輪，影響發(fā)電，在相對(duì)高含沙量的電站配置備用轉(zhuǎn)輪，方便更換一臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)輪時(shí)，備用轉(zhuǎn)輪投入應(yīng)用。

結(jié)語(yǔ)：

水輪機(jī)磨損的因素多樣復(fù)雜，對(duì)其研究是多個(gè)學(xué)科的系統(tǒng)項(xiàng)目。其磨損機(jī)理與處理方法的研究是避免與減輕汽蝕的一個(gè)關(guān)鍵課題。水輪機(jī)的磨蝕防護(hù)一定要參考每一個(gè)水電站的詳細(xì)水文環(huán)境條件，依據(jù)各個(gè)電站、機(jī)組的本身狀況，甚至細(xì)化到不一樣部件的詳細(xì)部位，有針對(duì)性地使用行之有效的方法，有效地保護(hù)水輪機(jī)的抗磨蝕能力，從而更好地保證水輪機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]王華仁，孫川寧.水輪機(jī)過(guò)流部件的磨蝕與表面防護(hù)[J].華電技術(shù)，2008，30（5）：30-32.

[2]任巖.黃河上的水電站水輪機(jī)磨蝕狀態(tài)進(jìn)修的研究[J].水力發(fā)電，2010（02）：85.