中小型水輪機磨蝕及防護方法

易忠桂 陳芳 孫毅

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學院長沙市410131）

水輪機中的過流部件，如水輪機葉片、轉(zhuǎn)輪本體、導葉、尾水管等，往往會受到泥沙的磨蝕而導致過流部件表面的金屬流失，使設備在運行中產(chǎn)生振動和噪音，造成設備運行效率低下、大修頻繁、使用壽命縮短，嚴重影響機組的穩(wěn)定和安全。

1 磨蝕發(fā)生機理的研究

1.1 氣蝕及其機理

氣蝕是指在低壓流動的液體中，溶解的氣體或蒸發(fā)的氣體（氣泡）在破滅時對材料表面形成高壓細射流沖擊所造成的破壞。被磨蝕面的針孔、麻面和海綿狀等都屬于氣蝕磨蝕的特征，破壞無明顯的方向性，嚴重時水輪機葉片會很快失效。在水輪機流道中經(jīng)常出現(xiàn)旋渦、脫流現(xiàn)象，由于旋渦中心壓力較低，所以容易發(fā)生氣蝕磨蝕；脫流會引起水流紊亂擾動，從而使水流與過流部件表面形成一定角度的沖擊流，故水流的局部損失增大、比壓能降低且產(chǎn)生氣損，脫流還會引起水流流速加快，致使磨蝕速率增加。氣蝕的破壞形式主要與裂紋形成和裂紋擴展有關(guān)。在初期階段，氣蝕破壞主要表現(xiàn)為材料的塑性變形、氣蝕坑和裂紋的形成，故材料的耐氣蝕能力在此階段主要取決于抗塑性變形能力與抗裂紋能力；在過渡與穩(wěn)定氣蝕階段，由裂紋擴展引起的剝落現(xiàn)象為氣蝕的主要破壞方式，故此階段材料的耐氣蝕能力主要取決于材料的抗裂紋擴展能力，而材料的抗裂紋擴展能力又與材料的硬度有關(guān)，即材料的抗氣蝕性能與材料的硬度成正比。

1.2 泥沙磨損

泥沙磨蝕是指水流中含有的泥沙對水輪機過流部件造成的磨損破壞。高速含沙水流經(jīng)過部件表面時，會造成摩擦和切削作用，含沙水流沖擊部件表面的瞬間，可產(chǎn)生高溫高壓使金表面氧化，急劇的溫度變化會引起金屬保護膜的破壞而導致局部腐蝕。在泥沙的反復沖擊下，產(chǎn)生交變應力加速保護膜的破壞。在沖蝕過程中不同材料的沖蝕規(guī)律隨沖蝕角的變化而異，當沖蝕角較低時，材料的沖蝕率有一峰值，這是因為韌性材料的微切削是沖蝕的主要機理?？箾_蝕性能的關(guān)鍵因素是水輪機葉片的彈性模量，此外流速、沙粒直徑和介質(zhì)流態(tài)等也是重要的影響因素；其中激烈的偏流會引起局部流速增大，造成材料的局部損壞增加；偏流還會引起側(cè)向加速度，增加了沙粒和材料表面的接觸應力，使材料的沖蝕磨損加劇。

另外，某些堅硬的泥沙顆粒且有尖銳的棱角，當它們以很高的速度沖擊金屬表面時，沖擊點的局部應力大于材料的破壞強度時，會引起金屬表面細微顆粒逐步脫落。泥沙磨損的現(xiàn)象是:金屬表面形成溝槽、波紋及魚鱗坑，其方向與水流方向一致。

1.3 磨蝕

磨蝕是指在氣蝕與泥沙磨損的聯(lián)合作用下對水輪機部件的破壞作用。汽蝕破壞是針對清水而言的，泥沙磨損針對水中泥沙的破壞而言。實際水流之中總有一定量的泥沙存在，所以水輪機中往往同時存在汽蝕和泥沙磨蝕的聯(lián)合作用。據(jù)統(tǒng)計，我國已建成水電站中有40%的水輪機存在嚴重的磨蝕問題，所以人們在關(guān)注汽蝕和泥沙磨損的同時，更加著重研究它們的聯(lián)合作用問題。研究成果指出:含沙水流中由于有大量的固體微粒存在，這些固體微粒具有不平整的表面，在微觀和亞微觀縫隙中藏有不溶于水的氣體，含沙水流的氣穴數(shù)目遠比清水水流豐富，提前并加劇了汽蝕的發(fā)生。在氣穴爆炸時，氣穴附近的固體顆粒又易受到氣穴爆炸沖擊力的影響而獲得加速度，加大了金屬材料的破壞能力。泥沙固有的磨損作用，造成流體邊界條件的變化，即原有的設計流線被破壞，從而造成其對金屬的磨削能力。

2 水輪機過流部件磨蝕的表面防護

2.1 設計、制造方面

改善水輪機葉片翼型設計。改善端部形狀，使轉(zhuǎn)輪葉片呈光滑流線型，適應水流流線；最大限度使葉片上的壓力分布均勻，縮小低壓區(qū)；葉片背面無隆起的不平整現(xiàn)象，出口邊較薄。同時合理選擇吸出高度。水輪機氣蝕破壞與吸出高度密切相關(guān)，選擇合適的吸出高度，并相應選就低的數(shù)據(jù)，可以減輕氣蝕破壞，但是會增加廠房開挖深度，增加電站修建成本。

選用耐磨蝕材料在材料和工藝上符合設計要求，并盡可能提高表面光潔度，增加部件表面韌度和硬度。

2.2 運行方面

優(yōu)化水輪機運行條件，合理選擇工作區(qū)，盡量避開在容易發(fā)生汽蝕工況下運行。必要時向轉(zhuǎn)輪出口補氣，將空氣送進氣蝕區(qū)域，降低真空度，降低氣泡潰滅時產(chǎn)生的沖擊力，從而減輕氣蝕破壞。

2.3 檢修方面

（1）堆焊。

堆焊是我國采用較多的一種抗磨蝕處理方法，它的主要優(yōu)點是設備簡單、技術(shù)成熟、現(xiàn)場施工方便。長期以來，在各個電站普遍采用，尤其是中小型電站上。目前，用于水輪機抗磨蝕堆焊的焊條主要有高鉻鑄鐵型、高Cr—Mn奧氏體型、Cr—Ni奧氏體不銹鋼型和低碳馬氏體不銹鋼型等，其中0Crl3Ni4—6MoRe系列低碳馬氏體不銹鋼焊條具有較好的抗磨蝕性能，其抗磨蝕能力為1Crl8Ni9Ti（A102）的2倍左右。堆焊法可使焊層與基體形成冶金結(jié)合，且結(jié)合強度高，但該方法沖淡率大，焊層厚且不均勻，加工量大，對基體材料的可焊性要求高，不易保證流道型線，焊后容易產(chǎn)生變形，并可能對過流部件產(chǎn)生熱影響而降低部件的機械強度等性能。

瀏陽株樹橋水電站的水輪機轉(zhuǎn)輪葉片部位發(fā)生輕微的磨蝕，并伴有葉片端部的裂紋，在大修過程中，采用堆焊并打磨拋光的修復措施，取得很好的效果。

（2）噴焊。

在水輪機磨蝕方面修復另外常用的一種方法是噴焊法。噴焊法是在噴涂和堆焊基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種表面防護技術(shù)，利用氧氣乙炔火焰配合專用噴焊槍，將具有特殊性能的自熔合金粉末噴焊到工件基體表面，形成一層均勻的保護。在這個過程中，由于噴焊層經(jīng)過重熔過程，所以與基體形成冶金結(jié)合，其結(jié)合強度可高達（300～500）MPa，覆層為致密無孔的鑄態(tài)結(jié)晶組織，具有材料省和效率高等優(yōu)點。

（3）非金屬涂層法。

為了解決水輪機嚴重磨蝕的問題，在選用非金屬材料方面，可以使用EP金剛砂、S80（美國）、聚氨酯（PU）橡膠（德國）、熱噴涂尼龍和高分子聚乙烯等材料。非金屬涂層屬于高分子材料，可用于水輪機活動導葉、轉(zhuǎn)輪室、葉片正面和頭部等非氣蝕區(qū)。目前，我國用于水輪發(fā)電機過流部件的非金屬保護涂層主要有EP聚合物、復合尼龍和PU系列。

環(huán)氧金剛砂由環(huán)氧樹脂為主體輔以多元醇縮水甘油醚為活性稀釋劑，加固化劑組成。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的粘接力，并且施工工藝簡易，可在常溫下施工。在加溫至（50～60）℃時與鋼鐵的粘接抗拉強度為（40～60）MPa。剪切強度為（20～35）MPa，加入剛性填料金剛砂后抗磨性能優(yōu)異，抗磨系數(shù)是30#鋼的2倍，耐磨蝕性能相當于30#鋼。

復合尼龍粉末為灰白色粉末，由高分子材料尼龍、環(huán)氧和多種添加劑經(jīng)復合處理混合而成，既具有尼龍材料的耐磨、耐沖擊性能又兼?zhèn)洵h(huán)氧的優(yōu)異的粘接性能。粉末噴涂在表面經(jīng)過噴沙處理加熱至200℃左右的轉(zhuǎn)輪上，粉末噴涂就熔融流平形成保護層，經(jīng)固化成膜，具有優(yōu)良的耐磨蝕性能，其抗磨系數(shù)是30#鋼的2～3倍，耐磨蝕性能是30#鋼的1.5倍，粘接強度達60 MPa以上，剪切強度35 MPa，替代工件表面抵御流體中泥沙顆粒及空蝕的破壞，從而使工件使用壽命延長，保證了使用期的效率。

3 結(jié)語

水輪機過流部件的泥沙磨蝕嚴重影響到水力發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行，研究其磨蝕機理并提出解決問題的方法，特別是試驗研究表面防護措施，對于提高水電站的經(jīng)濟效益、延長機組壽命、加快水力資源這一環(huán)?？稍偕茉吹拈_發(fā)、促進國民經(jīng)濟的健康可持續(xù)發(fā)展有著極其重要的意義。

1 鄧軍，楊永全，沈煥榮，等.水流含沙量對磨蝕的影響[J].泥沙研究，2000，8（4）：1-3.

2 高梅英，崔岱恒.軟涂層防護在三門峽水電廠機組上的應用[J].華中電力，2008，2（21）：52-65.

3 解建軍.龍建明我國水輪機磨獨研究及防護、治理技術(shù)的進展[J].中國農(nóng)村水利水電，2007，6（3）：137-139.

4 王志高.水機磨蝕涂層的結(jié)構(gòu)性進展[J].水利水電工程設計,2008，27（2）：1-3.

5 胡少坤.我國水機磨蝕的現(xiàn)狀及防護材料的發(fā)展[J].水科學與工程技術(shù),2009，1：55-57.

6 胡少坤，于晶，陳繼明，等.水輪機用耐磨蝕磨損涂層技術(shù)的研究[J].中國膠粘劑,2009，18（1）：2-3.

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