張 昕,燕軍樂,楊振彪,劉 娟,黨康寧

(1.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司,西安 710024；2.中國水利水電科學(xué)研究院,北京 100038)

1 研究背景

我國水電站大多建設(shè)在多泥沙河流的復(fù)雜環(huán)境中，已建泵站和電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，運(yùn)行于含沙河流的水電機(jī)組均存在著不同破壞形式導(dǎo)致的泥沙磨損問題，泥沙磨損破壞將嚴(yán)重影響水泵過流部件使用性能，縮短水泵使用壽命，降低泵站運(yùn)行效率，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至嚴(yán)重影響泵站與電站的安全運(yùn)行[1-2]。因此研究泥沙磨損問題對于提高水電站運(yùn)行效率以及運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要意義，同時(shí)可以根據(jù)所用材料、過流速度、含沙量等因素制定出針對泥沙磨損問題的防護(hù)和檢修方案[3-5]。

國內(nèi)外眾多專家學(xué)者通過不同類型的泥沙磨損試驗(yàn)對水力機(jī)械的泥沙磨損特性問題展開研究。Kenichi等[6]通過射流磨損試驗(yàn)研究得到水流沖擊角度對材料磨損的相關(guān)關(guān)系，水流速度在40 m/s以下時(shí)，沖擊角在60°～90°之間，試驗(yàn)材料的體積損失率基本恒定且隨沖擊角度的減小而減小。Padhy等[7]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)泥沙粒徑大小是影響材料磨損破壞程度的重要因素。錢忠東等[8-9]對不同形狀的水泵葉片頭部進(jìn)行泥沙磨損分析，并與原型泵葉輪磨損情況對比發(fā)現(xiàn)葉片磨損強(qiáng)度受水流流速分布及沖擊角的影響。李明[10]通過不同抗磨涂層的旋轉(zhuǎn)圓盤水力磨損試驗(yàn)，提出了硬質(zhì)涂層在抗黃河泥沙磨損方面的優(yōu)越性，解決了沿黃泵站的水泵葉輪磨損的使用壽命問題。李浩平等[11]改進(jìn)了抗磨蝕性能試驗(yàn)設(shè)備，擴(kuò)大了磨蝕試驗(yàn)的適應(yīng)工況范圍，具有調(diào)速范圍大，沖刷速度高，沖刷角度可調(diào)，試驗(yàn)效率高等特點(diǎn)。盧金玲等[12]采用旋轉(zhuǎn)噴射磨蝕試驗(yàn)裝置進(jìn)行不同沙粒粒徑下的磨蝕試驗(yàn)，通過分析磨蝕失重及破壞形貌得到了材料累計(jì)磨蝕質(zhì)量損失與試驗(yàn)時(shí)間和粒徑大小的相關(guān)關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)磨蝕質(zhì)量損失與粒徑大小存在強(qiáng)相關(guān)區(qū)與弱相關(guān)區(qū)關(guān)系。

20世紀(jì)80年代以來，中國水利水電科學(xué)研究院[13-16]致力于水泵泥沙磨損問題的研究，先后研制出水力機(jī)械渾水試驗(yàn)臺和水力機(jī)械磨蝕測試系統(tǒng)等磨損試驗(yàn)裝置，進(jìn)行泥沙特性分析、泥沙磨損能力評定及備選材料抗磨特性測試，預(yù)估泥沙磨損程度，并為烏東德、白鶴灘等多個(gè)工程的水泵選材和防護(hù)措施的制定提供技術(shù)支持。

引漢濟(jì)渭工程調(diào)水規(guī)模為15億m3，黃金峽水利樞紐為引漢濟(jì)渭工程的第一水源地。黃金峽泵站設(shè)計(jì)流量70 m3/s，總功率126 MW，共裝設(shè)有7臺設(shè)計(jì)揚(yáng)程為108.5 m的立式單級單吸離心泵，設(shè)計(jì)流量下的泵站年運(yùn)行時(shí)間超過6 000 h，具有泵站裝機(jī)規(guī)模大、臺數(shù)多、年利用小時(shí)數(shù)高等特點(diǎn)。在此工作狀態(tài)下，若河水泥沙含量較高，則水泵將極易產(chǎn)生較為嚴(yán)重的磨損，影響機(jī)組運(yùn)行性能，危害機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此為確定漢江含沙水流對水泵參數(shù)、性能和使用壽命的影響，探究水泵采取抗泥沙磨損的必要性和具體措施，需要通過水泵過流部件母材的磨損試驗(yàn)以評估泥沙對原型水泵的磨損程度。

2 研究內(nèi)容

(1)以引漢濟(jì)渭工程黃金峽水利樞紐為依托，根據(jù)黃金峽泵站過機(jī)泥沙條件，運(yùn)用水力機(jī)械磨蝕測試系統(tǒng)，探究4種水泵母材在不同磨損試驗(yàn)條件下，易磨損部件的材料磨損規(guī)律和泥沙磨損特性。

(2)根據(jù)試驗(yàn)評估結(jié)果、泵站機(jī)組運(yùn)行條件、過機(jī)泥沙特點(diǎn)及易磨損部件材料特性，對一定運(yùn)行時(shí)間范圍內(nèi)的黃金峽水泵磨損程度進(jìn)行預(yù)估，提出建議選擇的水泵母材以及減輕水泵泥沙磨損的措施，以期減緩泥沙對水泵的磨損，延長水泵使用壽命，降低泵站后期運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用，為水泵設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供技術(shù)參考。

3 泥沙磨損試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)原理

黃金峽泵站水泵材料泥沙磨損試驗(yàn)采用圓盤式平面擾流磨損試驗(yàn)方法，在中國水利水電科學(xué)研究院研發(fā)的水力機(jī)械磨蝕測試系統(tǒng)——旋轉(zhuǎn)圓盤循環(huán)工位上開展所有的磨損試驗(yàn)[13]。水力機(jī)械磨蝕測試系統(tǒng)由試驗(yàn)循環(huán)工位、試驗(yàn)參數(shù)檢測儀表和控制系統(tǒng)三部分組成，如圖1所示。磨損試驗(yàn)裝置由渾水水箱、冷卻水系統(tǒng)、直流電機(jī)、轉(zhuǎn)盤室、水泵及測量儀表等組成，其中轉(zhuǎn)盤室是測試系統(tǒng)的重要組成部分，用以模擬水泵過流部件的表面擾流，每6塊扇形試件裝配一個(gè)圓盤，泥沙磨損試驗(yàn)轉(zhuǎn)盤室如圖2所示。

圖1 泥沙磨損試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the silt abrasion experiment system

圖2 泥沙磨損試驗(yàn)轉(zhuǎn)盤室Fig.2 Turntable chamber of the silt abrasion experiment

試驗(yàn)中，電機(jī)拖動轉(zhuǎn)盤室內(nèi)的圓盤旋轉(zhuǎn)，循環(huán)含沙水從前蓋板中心處的進(jìn)口管經(jīng)水泵循環(huán)進(jìn)入轉(zhuǎn)盤室，流經(jīng)阻流柵與圓盤正面構(gòu)成的間隙，此時(shí)圓盤的旋轉(zhuǎn)形成了含沙水對測試試件表面的平面相對擾流流動，造成含沙水對試件材料表面的磨損破壞，即可模擬水泵過流部件表面的擾流狀態(tài)。通過改變圓盤的旋轉(zhuǎn)速度、泥沙濃度、材料種類等試驗(yàn)條件，可以獲得磨損量隨試驗(yàn)參數(shù)的變化規(guī)律。

3.2 試驗(yàn)材料

為使泥沙磨損試驗(yàn)結(jié)果較好地符合真機(jī)實(shí)際磨損，故本文試驗(yàn)條件應(yīng)盡可能與真機(jī)磨損狀態(tài)和條件相近，擬采用如下材料：

(1)轉(zhuǎn)盤材料。根據(jù)工程實(shí)際特點(diǎn)，選擇目前大型水力機(jī)械常用材料，它們分別為Q345R、04Cr13Ni5Mo、06Cr16Ni5Mo、06Cr19Ni10。

(2)試驗(yàn)?zāi)嗌场｜S金峽水利樞紐上游河段泥沙，泥沙特性與真機(jī)過機(jī)泥沙特性相近。

(3)試驗(yàn)水流。平面繞流流動，試驗(yàn)流速涵蓋真機(jī)水流流速范圍。其中，在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)圓盤試驗(yàn)時(shí)，圓周旋轉(zhuǎn)帶動盤面附近水流流動，因此試驗(yàn)得到的圓周轉(zhuǎn)速U與水流相對速度W存在差異。通過對相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果分析總結(jié)發(fā)現(xiàn)，兩者存在著W=(0.82～0.94)U的關(guān)系，按中值考慮，取W=0.88U，在2 705 r/min 的旋轉(zhuǎn)速度下，試件測量半徑對應(yīng)的水流相對速度W為33.65～48.61 m/s，該測試流速范圍涵蓋黃金峽泵站離心泵出口最大相對流速，滿足試驗(yàn)要求。

3.3 試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)有4組工況，試驗(yàn)參數(shù)見表1，在試驗(yàn)時(shí)，保持試驗(yàn)材料的種類、加工、裝配方式、旋轉(zhuǎn)圓盤轉(zhuǎn)速以及泥沙含沙濃度不變，僅改變泥沙粒徑，并根據(jù)磨損量調(diào)整試驗(yàn)時(shí)間。為避免隨機(jī)誤差，同種材料試件在圓盤上的位置固定不變。

表1 試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experiment parameters

在開啟旋轉(zhuǎn)圓盤循環(huán)系統(tǒng)的同時(shí)，啟動大流量循環(huán)系統(tǒng)，以促使穩(wěn)壓罐和循環(huán)管路中的泥沙混和介質(zhì)充分流動，確保循環(huán)系統(tǒng)中各斷面泥沙濃度保持均勻狀態(tài)，防止淤積產(chǎn)生。

試驗(yàn)結(jié)束后，選取扇形試件的平面中心線作為磨損深度測量線，使用三維非接觸式表面形貌儀測量矩形測量平面的累計(jì)磨損深度Δh，矩形測量平面以中心線為對稱軸，長度60 mm，寬度1 mm。磨損深度測量范圍為試件半徑方向69～195 mm。由于扇形試件各點(diǎn)圓周轉(zhuǎn)速沿半徑方向逐漸增大，所以各點(diǎn)磨損量也隨之增大，加之測量誤差影響較為顯著，因此僅選取圓周速度較大的測量點(diǎn)即試件半徑方向135～195 mm進(jìn)行磨損深度數(shù)據(jù)處理，每隔2 mm取一個(gè)測點(diǎn)值。磨損深度測量平面示意見圖3。

圖3 磨損深度測量平面示意圖Fig.3 Plane schematic diagram of measuring abrasion depth

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

材料磨損深度隨測點(diǎn)半徑的變化趨勢見圖4，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其相關(guān)趨勢可以得到：

圖4 材料磨損深度隨測點(diǎn)半徑的變化趨勢Fig.4 Trends of material’s abrasion depth varying with the radius of measuring point

(1)材料測點(diǎn)磨損深度隨著測點(diǎn)半徑的增大而增大，主要原因是隨著測點(diǎn)半徑的增大，泥沙和水的混合循環(huán)介質(zhì)對試件的相對磨損(沖擊)速度逐漸增大。

(2)在保證泥沙種類、泥沙級配、泥沙濃度、測試流速等測試條件一致時(shí)，相同測試時(shí)間內(nèi)材料磨損深度存在下列關(guān)系：Q345R>06Cr19Ni10>04Cr13Ni5Mo>06Cr16Ni5Mo。

(3)泥沙中值粒徑大小對試件磨損的影響顯著，磨損深度隨泥沙中值粒徑增大而增大，但不同材料的磨損深度隨泥沙中值粒徑大小變化的規(guī)律有所不同。

4 泥沙磨損分析與磨損量預(yù)估

4.1 磨損評估模型

水泵過流部件材料的泥沙磨損受到諸多因素影響，例如泥沙顆粒特性、流場條件、過流部件材料特性等。材料磨損率E可以定量表示為這些變量參數(shù)的函數(shù),即

(1)

式中：E為材料單位時(shí)間內(nèi)的磨損深度，即磨損率(μm/h)；ks為泥沙特性影響系數(shù)；km為材質(zhì)性能影響系數(shù)；ko為除ks、km以外的其他因素的影響系數(shù)；Cs為含沙濃度(kg/m3)；M為含沙濃度指數(shù)；W為水流相對速度(m/s)；N為水流相對速度指數(shù)。

在本文試驗(yàn)條件下僅有含沙濃度Cs和水流相對速度W為變量參數(shù)，因此試件材料磨損率可以簡化為

(2)

其中K=kokskm。

研究表明[17-19]，金屬材料的單一泥沙磨損率與流速為指數(shù)關(guān)系，指數(shù)N為2～4，N的大小隨流態(tài)、材料及泥沙特性的不同而有所不同。根據(jù)多年磨損評估測試數(shù)據(jù)分析可知，材料磨損率E與含沙濃度Cs呈近似線性關(guān)系且含沙濃度指數(shù)M近似為1，因此本研究不再對含沙濃度指數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合分析，默認(rèn)M等于1。在此僅根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析材料磨損率E與水流相對速度W的關(guān)系。

現(xiàn)設(shè)定含沙濃度Cs=1 kg/m3時(shí)的磨損率為單位磨損率Es，此時(shí)單位磨損率為

Es=KWN。

(3)

試驗(yàn)試件材料與真機(jī)選材范圍一致，旋轉(zhuǎn)圓盤內(nèi)的流場過流條件與真機(jī)葉輪表面處的擾流流場近似，試驗(yàn)用沙取自于泵站壩址附近，但試驗(yàn)?zāi)嗌沉郊壟浜偷V物組成與真機(jī)過機(jī)泥沙不同，因此需對磨損率公式進(jìn)行泥沙粒徑系數(shù)和硬質(zhì)顆粒含量的修正，修正后即可估算真機(jī)的泥沙磨損量。

4.2 磨損率關(guān)系式分析

工況1—工況4的泥沙中值粒徑D50分別為0.096、0.062、0.045、0.025 mm，其中工況4的泥沙中值粒徑最接近黃金峽泵站的懸移質(zhì)粒徑0.031 5 mm，因此以工況4各材料磨損數(shù)據(jù)為依據(jù)，按照式(3)對測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，以獲得單位磨損率與水流相對速度的關(guān)系。泥沙單位磨損率擬合公式見式(4)—式(7)，Es的單位均為μm/h。擬合結(jié)果表明：單位磨損率隨水流相對速度以指數(shù)形式變化，水流相對速度指數(shù)N=2.72～3.05，且決定系數(shù)R2均>96%，相關(guān)度較好。

Q345R：

Es=8.26×10-5W2.72,R2=98.72%；(4)

06Cr19Ni10：

Es=3.32×10-5W2.80,R2=99.25%；(5)

04Cr13Ni5Mo：

Es=7.97×10-5W3.05,R2=98.82%；(6)

06Cr16Ni5Mo：

Es=9.64×10-5W2.96,R2=96.48%。(7)

由3.4節(jié)分析可知泥沙粒徑大小對磨損深度影響顯著，因此需要將工況4泥沙中值粒徑0.025 mm與黃金峽泵站懸移質(zhì)粒徑0.031 5 mm進(jìn)行擬合分析，求出泥沙粒徑大小對磨損率的相對磨損影響系數(shù)Kd，從而消除其對真機(jī)磨損的影響，得到真機(jī)磨損量。

以試驗(yàn)?zāi)嗌持兄盗紻50為特征粒徑值，分別選定4個(gè)不同的水流相對速度W及其對應(yīng)的單位磨損率Esij。以泥沙中值粒徑D50=0.025 mm的單位磨損率為基準(zhǔn)，記作Es1j，分別求出不同工況下的單位磨損率Esij與基準(zhǔn)單位磨損率Es1j的比值，即為泥沙中值粒徑D50=i在水流相對流速W=j時(shí)的相對磨損系數(shù)Kdij，見式(8)。對不同流速的相對磨損系數(shù)Kdij取均值，即可得到泥沙中值粒徑D50=i時(shí)的相對磨損系數(shù)Kdi，見式(9)。計(jì)算數(shù)值見表2。

表2 不同泥沙中值粒徑D50及水流相對速度W下的Esij及KdijTable 2 Esij and Kdijunder different water relative velocity W and sediment’s median diameter D50

Kdij=Esij/Es1j；

(8)

(9)

各材料相對磨損系數(shù)與粒徑的變化關(guān)系見圖5，如圖所示，4種材料的關(guān)系曲線有所不同，但均為近似對數(shù)關(guān)系。將4種粒徑大小下的相對磨損系數(shù)Kdi與泥沙中值粒徑D50相互擬合，得到兩者擬合關(guān)系式，見式(10)。

圖5 各材料的泥沙相對磨損系數(shù)與中值粒徑關(guān)系Fig.5 Relationship between relative wear coefficient of each material and sediment’s median diameter

Kd=Kdi×ln(D50)+C。

(10)

式中：i為不同泥沙中值粒徑，分別為0.025、0.045、0.062、0.096 mm；j為不同水流相對速度，分別為30、35、40、45 m/s。

通過對4種材料的單位磨損率公式(式(4)—式(7))進(jìn)行泥沙粒徑系數(shù)修正，得到可應(yīng)用于真機(jī)泥沙磨損預(yù)估的磨損率公式，見式(11)—式(12)，代入已求得數(shù)據(jù)見式(13)—式(16)。

真機(jī)材料磨損率的表達(dá)式為

E=Ks,pKCsWN；

(11)

真機(jī)過機(jī)泥沙相對影響系數(shù)的表達(dá)式為

(12)

式中：Ks,p為真機(jī)過機(jī)泥沙相對影響系數(shù)(相對于試驗(yàn)?zāi)嗌?；D50,t為試驗(yàn)?zāi)嗌持兄盗?μm)；D50,p為真機(jī)過機(jī)泥沙中值粒徑(μm)。

Q345R：

(13)

06Cr19Ni10：

(14)

04Cr13Ni5Mo：

(15)

06Cr16Ni5Mo：

(16)

4.3 磨損量估算

引漢濟(jì)渭工程黃金峽水利樞紐泵站設(shè)計(jì)水平年調(diào)水15億m3時(shí)，水泵年運(yùn)行時(shí)間為6 970 h。通過試驗(yàn)得到的材料磨損率關(guān)系式及真機(jī)磨損預(yù)估關(guān)系式，以多年平均含沙量0.846 kg/m3、特征流速W=25 m/s計(jì)算得到4種材料的全年累計(jì)磨損量分別為3.64、2.15、1.43、1.05 mm，計(jì)算參數(shù)與結(jié)果見表3。

表3 磨損量估算計(jì)算參數(shù)與結(jié)果Table 3 Calculation parameters and results of abrasion amount estimation

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般過庫后的過機(jī)泥沙濃度、中值粒徑均小于天然河道懸移質(zhì)的泥沙濃度、中值粒徑，因此目前根據(jù)水文站測得的泥沙河道懸移質(zhì)多年平均數(shù)據(jù)(沙含量、泥沙中值粒徑)預(yù)估得到的黃金峽水泵母材材料的泥沙磨損量應(yīng)大于實(shí)際運(yùn)行時(shí)母材的泥沙磨損量。

5 結(jié) 論

本文通過對黃金峽水利樞紐水泵母材進(jìn)行泥沙磨損試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

(1)材料測點(diǎn)磨損深度隨著測點(diǎn)半徑的增大而增大，相同測試時(shí)間內(nèi)材料的磨損深度存在下列關(guān)系：Q345R>06Cr19Ni10>04Cr13Ni5Mo>06Cr16Ni5Mo。

(2)泥沙中值粒徑大小對試件磨損影響顯著，磨損深度隨泥沙中值粒徑增大而增大，但不同材料的磨損深度隨泥沙中值粒徑大小變化的規(guī)律有所不同。

(3)根據(jù)磨損預(yù)估測試得到Q345R、06Cr19Ni10、04Cr13Ni5Mo、06Cr16Ni5Mo 4種材料的磨損率關(guān)系式，通過與D50=0.025 mm的沙樣磨損結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得出4種材料的速度指數(shù)N值分別為2.72、2.80、3.05、2.96，且材料磨損率與粒徑呈近似對數(shù)關(guān)系。

(4)由于局部磨損在磨損量及危害性上遠(yuǎn)大于普遍磨損，因此應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注主要磨損部位在過流通道的水力設(shè)計(jì)、材質(zhì)與加工制造，根據(jù)各過流部件的相對流速分布情況，對相對流速超過30 m/s的區(qū)域采取局部磨損的防護(hù)措施，水泵葉輪出口、導(dǎo)葉進(jìn)口部位可進(jìn)行碳化鎢涂層防護(hù)，對主要磨損部件應(yīng)考慮便于修復(fù)與防護(hù)的方案；從磨損量估算結(jié)果看，建議本工程水泵葉輪與抗磨環(huán)采用優(yōu)先選用抗磨性更高的06Cr16Ni5Mo材料，同時(shí)考慮降低水泵總體磨損強(qiáng)度，建議水泵葉輪出口的相對流速不宜超過35 m/s。