劉煒

摘要：針對(duì)我國(guó)水輪機(jī)在含沙水流磨損較嚴(yán)重的情況，介紹了水輪機(jī)主要易磨損部件的抗泥沙磨損措施。在機(jī)組合理選型，材料的選擇，抗磨層表面噴涂技術(shù)等方面提出了有效抗磨措施。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī) ?泥沙磨損 ?技術(shù)

1、簡(jiǎn)述：

我國(guó)大陸水力資源可開發(fā)容量在3.8億kW以上，水力資源位居世界第一。但我國(guó)河流特點(diǎn)之一是含沙量比較大，年平均輸沙量在1000 萬(wàn)t 以上的河流有115 條，直接入海泥沙總量達(dá)1914 億t，我國(guó)各水電站水輪機(jī)受泥沙磨損問題突出。由于磨損，水輪機(jī)效率降低，出力明顯下降，年發(fā)電量減少;水輪機(jī)大修周期縮短，比單純氣蝕的檢修期長(zhǎng)且工作量大，檢修費(fèi)用大大增加;還影響正常開、停機(jī)，因而降低了機(jī)組運(yùn)行的可靠性和靈活性。因此研究水輪機(jī)的抗泥沙磨損技術(shù)對(duì)我國(guó)水電事業(yè)意義重大。

2、水輪機(jī)的磨損和失效特征

水輪機(jī)主要部件轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)輪室、葉片、抗磨環(huán)、底環(huán)等部位運(yùn)行一段時(shí)間后，就會(huì)出現(xiàn)光滑密實(shí)坑槽、針孔、麻點(diǎn)、麻面、波紋、蜂窩狀等缺陷。材料的失效是由氣、液、固等組成的多相流引起的，有液一氣雙相流空蝕、液一固雙相流沖刷腐蝕磨損破壞形式，也有材料的腐蝕疲勞破壞形式，還存在空蝕、沖蝕磨損、腐蝕及疲勞彼此間的相互促進(jìn)效應(yīng)，在含沙水流中泥沙磨損更是其失效重要原因。泥沙磨損主要指當(dāng)水流挾帶懸移質(zhì)泥沙和推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)時(shí)，具有一定動(dòng)能的硬質(zhì)沙粒對(duì)水力機(jī)械過流部件表面反復(fù)沖擊和切削帶來的磨粒磨損。

3、泥沙磨損措施

3.1沙磨損因素

據(jù)國(guó)內(nèi)外研究表明，泥沙磨損量可以用如下公式計(jì)算：

m為流態(tài)影響指數(shù)，在平流或平順繞流區(qū)，m取2～2.32，在流動(dòng)紊亂或較大水流沖角部位時(shí)m取2.3～3.0

在泥沙磨損中，大量試驗(yàn)表明，對(duì)于泥沙顆粒，粒徑小于 0.025mm 的泥沙基本不造成磨損，粒徑大于0.025至0.4磨損量顯著加劇，粒徑越大磨損越嚴(yán)重。粒徑大于0.25的硬質(zhì)顆粒和粒徑大于0.4的軟質(zhì)顆粒為有害顆粒。公式也表明，磨損與水流相對(duì)流速的2～3次方成正比，因此速度是影響磨損的關(guān)鍵因素。

3.2 水輪機(jī)選型

采用適當(dāng)降低水輪機(jī)參數(shù)水平，降低相對(duì)流速，國(guó)外經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為對(duì)多沙河流電站水輪機(jī)的相對(duì)流速不大于45 m/ s 比較合適;合理降低比轉(zhuǎn)速，改變?nèi)~片數(shù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高葉片加工精度以求減輕沙粒對(duì)水輪機(jī)的磨損。對(duì)于高水頭的多泥沙水電站，且泥沙以石英和其他硬質(zhì)材料為主時(shí)，宜選擇沖擊式水輪機(jī)。

3.3、水輪機(jī)各主要易損件的抗磨措施

（1）蝸殼：

通常來說蝸殼由于流速較低一般磨損輕微，但是當(dāng)有推移質(zhì)進(jìn)入時(shí)，也可使底部磨出溝槽，嚴(yán)重的使鋼板穿孔。

因此，殼體可采用低合金鋼，如16Mn。進(jìn)口處適當(dāng)加厚。同時(shí)，將座環(huán)改成帶蝶形邊結(jié)構(gòu)，可使水流更順暢，從而降低磨損。

（2） 頂蓋

水中含沙量大時(shí)，轉(zhuǎn)輪間隙所受磨損增加，大量含沙水流射向頂蓋內(nèi)，并隨轉(zhuǎn)輪沿圓周高速運(yùn)轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，比重較大沙粒就不停地作圓周摩擦運(yùn)動(dòng)，對(duì)頂蓋構(gòu)成磨損。一旦頂蓋磨損穿眼，就會(huì)引發(fā)嚴(yán)重漏水，導(dǎo)致機(jī)組不能正常運(yùn)行，同時(shí)金屬因磨損嚴(yán)重變薄，強(qiáng)度降低振動(dòng)增加，使水導(dǎo)油盆經(jīng)常進(jìn)水。因此頂蓋在含沙水流中磨損嚴(yán)重，帶來的影響重大。經(jīng)研究，在水輪機(jī)內(nèi)設(shè)計(jì)安裝一道密封止沙裝置，并配套設(shè)計(jì)制作止漏環(huán)、抗磨硅膠和壓板抗磨效果良好。先將受損部位補(bǔ)焊平整后再內(nèi)襯一層1.2 cm厚不銹鋼護(hù)板（以便今后磨損后更換護(hù)板），外裝用硅膠制成的抗磨損止沙裝置擋住含沙水流進(jìn)入頂蓋內(nèi)部。硅膠在彈性和水壓下緊貼轉(zhuǎn)輪錐面，在開機(jī)運(yùn)行時(shí)，水能給硅膠起到潤(rùn)滑和降溫作用，因此硅膠輕易不會(huì)受到磨損，從而達(dá)到抗磨止漏的目的。另外在頂蓋板內(nèi)加裝挑流板，改變水流形式，亦能減輕磨損。

（3）固定導(dǎo)葉區(qū)：

固定導(dǎo)葉區(qū)一般有磨損但不嚴(yán)重，但是如果對(duì)固定導(dǎo)葉形線和安放角不夠重視，則有可能造成水流紊亂，影響能量指標(biāo)，同時(shí)造成磨損加劇。各水電站可根據(jù)水輪機(jī)模型資料優(yōu)化固定導(dǎo)葉形線及安放角，合理改變固定導(dǎo)葉個(gè)數(shù)，材料采用低合金鋼16Mn減輕磨損。

（4）活動(dòng)導(dǎo)葉：

活動(dòng)導(dǎo)葉區(qū)是磨損非常嚴(yán)重的地區(qū)，經(jīng)過一個(gè)汛期的運(yùn)行，很多電站導(dǎo)葉密封面都出現(xiàn)磨損，導(dǎo)致水輪機(jī)漏水嚴(yán)重，無(wú)法停機(jī);由于導(dǎo)葉上下端面與頂蓋底環(huán)存在較小的間隙，在導(dǎo)葉內(nèi)外側(cè)壓差的作用下間隙流動(dòng)是不可避免的，同時(shí)由于沿導(dǎo)葉弦長(zhǎng)也是順壓梯度，故從外側(cè)面斷面間隙進(jìn)入的水流首先收縮形成漩渦，并使抗磨板流速局部升高，沿?cái)嗝孢M(jìn)口造成嚴(yán)重磨損，即葉形磨損。

因此，可以將導(dǎo)葉采用含鎳量不小于4%以及含鉻量不小于13%的不銹鋼板焊接制造，并焊接到鍛鋼或鑄鋼的不銹鋼導(dǎo)葉桿上或采用不銹鋼整體鑄造，使之具有較好的抗泥沙磨損特性。

同時(shí)，可采用新型的導(dǎo)葉端面密封。這種新型的導(dǎo)葉端面密封是端部密封條方案：在每個(gè)導(dǎo)葉的上、下端面中線處開有凹槽并壓人可拆卸和可更換的硬質(zhì)合金、高強(qiáng)度合成材料造成的密封條，密封條與凹槽底接觸的部位配置有橡膠或其它材料以保證導(dǎo)葉端部密封條與頂蓋、底環(huán)上的抗磨板緊密接觸，密封延伸至導(dǎo)葉桿，完全地密封住導(dǎo)葉上、下端部之聞的間隙;它隨導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng)，并與端部密封條的方向保持一致。另外，適當(dāng)提高導(dǎo)葉的加工精度，也可以有效地抗泥沙的磨損。

（5）止漏環(huán)：

雖然固定止漏環(huán)以及與轉(zhuǎn)輪上環(huán)和下環(huán)成為一體的轉(zhuǎn)動(dòng)止漏環(huán)是可拆卸和可更換的，但是在含沙水流中運(yùn)行的轉(zhuǎn)輪選擇耐磨性能較好的材料制造這些止漏環(huán)，并且使固定止漏環(huán)和轉(zhuǎn)動(dòng)止漏環(huán)具有不同硬度，提高其耐磨性并延長(zhǎng)其使用壽命是必要的。所以，止漏環(huán)必須用合適的不銹鋼或合金材料制造，轉(zhuǎn)動(dòng)和固定止漏環(huán)的硬度差不小于布氏硬度40 點(diǎn)。

（6）轉(zhuǎn)輪：

轉(zhuǎn)輪作為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的主要工作部位，在含沙水流中極易磨損，其抗磨損能力直接關(guān)系到大修周期及水電站的經(jīng)濟(jì)效益。目前主要的抗磨損方法有：

1）涂抹環(huán)氧金剛砂漿抗磨層。在葉片上涂抹環(huán)氧金剛砂漿抗磨層，實(shí)踐證明抗泥沙磨損效果很好。葉片正面在一個(gè)大修期內(nèi)涂層面積有60 %～70 %較為完好。此方法工藝要求不高，非常經(jīng)濟(jì)，操作簡(jiǎn)便，效果良好（不足之處是涂層不能用于空蝕區(qū)），應(yīng)用較廣泛。

2）采用超音速（ HVOF） 噴涂（碳化鎢） 涂層。由原西安噴涂中心采用超音速火焰噴涂技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行了全方位表面涂層防護(hù)，經(jīng)15 284 h 運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)正面涂層完好，厚度無(wú)明顯減薄;葉片外緣基本完好。

3）背面及轉(zhuǎn)輪室環(huán)面鋪焊不銹鋼板條。以不銹鋼良好的抗空蝕性保護(hù)母材，提高部件的壽命。在青銅峽水電站機(jī)組投運(yùn)以來就使用此方法，但不銹鋼板總是不能與基礎(chǔ)很好地貼合，而且焊縫中不易排渣，焊接缺陷多。在強(qiáng)空蝕區(qū)內(nèi)容易出現(xiàn)焊縫開裂，不銹鋼板穿孔、脫落現(xiàn)象，壽命較短。

4）轉(zhuǎn)輪葉片外緣加裝裙邊轉(zhuǎn)輪葉片頭部割圓角，在轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊正面磨蝕區(qū)加導(dǎo)流板。下環(huán)內(nèi)表面加導(dǎo)流板。

5） 要求制造廠家采用數(shù)控銑床把葉片加工成型，并要求葉片表面粗糙度不超過6. 3μm，使之有較小的葉型誤差和光潔度。

（7）底環(huán)（后蓋頂）

在多泥沙河流中，底環(huán)的磨損也較嚴(yán)重。目前水輪機(jī)的抗磨板材料多采用抗磨蝕更好的超高分子量聚乙烯抗磨板材，取得了很好效果。在空蝕也較嚴(yán)重時(shí)，底環(huán)抗磨板采用聚氨酯材料中間夾帶鋼骨架形式，抗磨蝕效果很好。這種抗磨板的表面材料具有良好的彈性和韌性，能保證過流表面的型線，并且與整體澆注出的密封條能很好地解決導(dǎo)葉上下端面密封的難題。用這種材料做成V形密封條安裝在導(dǎo)葉立面密封位置，在相鄰導(dǎo)葉的壓緊力下實(shí)現(xiàn)了立面無(wú)間隙，克服了水流的間隙空蝕。采用高速火焰噴涂技術(shù)，可進(jìn)行金屬噴涂，碳化物噴涂和特殊噴涂，亦可減輕底環(huán)的磨損。

3.4合理利用水庫(kù)排沙措施

含沙量大于0.5kg/M3或者有害顆粒大于0.2kg/m3，必須采取工程措施排除，如果含沙量很高，即使比較細(xì)的顆粒（粒徑0.1-0.05mm），對(duì)水輪機(jī)磨損仍然十分嚴(yán)重。

在黃河上的幾座水電站中，有的水電站在設(shè)計(jì)時(shí)就沒有考慮排沙設(shè)施，造成汛期大量泥沙過機(jī);而且使大量粗沙過機(jī)，形成水輪機(jī)的嚴(yán)重磨蝕。如三門峽水電站改變水沙運(yùn)行方式，汛期打開底孔排沙，使過機(jī)泥沙減少50%，粗沙減少 4/5，大大減輕了水輪機(jī)的磨蝕，使該電站得以汛期渾水發(fā)電。

4、結(jié)語(yǔ)：

水輪機(jī)因泥沙磨損而導(dǎo)致其能量特性變壞，會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此我們要在吸取各個(gè)水電站經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究，明確水輪機(jī)及其導(dǎo)葉的抵抗泥沙磨損的措施這對(duì)于保證水輪機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和延長(zhǎng)其壽命是非常必要的。

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