泥沙粒徑級(jí)配對(duì)水輪機(jī)材料磨蝕性能的影響

任 巖

（華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011）

0 引言

為了用更加科學(xué)的方法防治和減輕黃河上水電站的泥沙磨蝕，有必要對(duì)水輪機(jī)的磨蝕特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，為黃河上水電站的合理調(diào)度與磨蝕表面防護(hù)等提供科學(xué)依據(jù)。

理論研究和實(shí)踐都表明，水輪機(jī)過流部件的磨蝕除了與水流的含沙量、水流速度有關(guān)系之外，還與泥沙的礦物成分組成及比例、沙粒的粒徑及級(jí)配有直接關(guān)系[1]。測(cè)定在不同泥沙粒徑和不同級(jí)配條件下水輪機(jī)材料的磨蝕失重量與磨蝕失重率，可判斷材料的磨蝕失效特性。

1 泥沙粒徑級(jí)配

試驗(yàn)沙樣取自三門峽庫區(qū)的原型沙。泥沙級(jí)配的粒徑分別為： d1=100～250 μm； d2=50～100 μm；d3=25～50 μm； d4=10～25 μm； d5≤10 μm。泥沙粒徑級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 泥沙粒徑級(jí)配曲線

2 水輪機(jī)材料的磨蝕與沙粒粒徑的關(guān)系

圖2 各流速下材料磨蝕與沙粒徑關(guān)系曲線

水輪機(jī)材料選用馬氏體不銹鋼。為了描述不同時(shí)段材料磨蝕與泥沙粒徑的關(guān)系，繪制了各流速時(shí)各時(shí)段材料的磨蝕失重量Wt（mg）與沙粒粒徑d（μm）的關(guān)系曲線（見圖2）。還對(duì)不同時(shí)段的曲線進(jìn)行了回歸計(jì)算，以磨蝕累計(jì)時(shí)間給出了磨蝕量與泥沙粒徑關(guān)系的回歸式，分別鑲嵌于各圖中，R2表示磨蝕量與沙粒粒徑的相關(guān)系數(shù)。材料磨蝕量與泥沙粒徑具有良好的相關(guān)性。

由圖2可以看出，在設(shè)定的流速V＝20～40 m/s范圍內(nèi)，材料的磨蝕量隨泥沙粒徑的增大而增大，材料的失重與泥沙粒徑呈冪函數(shù)關(guān)系。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得到本試驗(yàn)中2Cr13材料的磨蝕回歸式

式中，Wt為材料的失重量，mg；K為與材料、含沙量、沙粒形狀與礦物成分等有關(guān)的系數(shù)，由試驗(yàn)確定；d為試驗(yàn)?zāi)嗌沉剑蘭；n為粒徑d的冪，本試驗(yàn)中，n＝1.050 7～1.435 1，平均 n=1.182 9。

3 水輪機(jī)材料相對(duì)磨蝕強(qiáng)度與泥沙粒徑級(jí)配的關(guān)系

為了比較不同泥沙粒徑級(jí)配情況下的材料磨蝕特性，以d=25～50 μm時(shí)的磨蝕強(qiáng)度為1，建立材料的相對(duì)磨蝕強(qiáng)度與泥沙粒徑級(jí)配的關(guān)系曲線（見圖 3、 4）。

圖3 材料相對(duì)磨蝕強(qiáng)度與泥沙粒徑的關(guān)系

3.1 材料磨蝕與泥沙粒徑關(guān)系的一般規(guī)律

圖4 材料在不同泥沙粒徑時(shí)磨蝕強(qiáng)度對(duì)比

由圖3可以看出，在流速V=20～45 m/s范圍內(nèi)，材料的相對(duì)磨蝕強(qiáng)度趨向于同一曲線；而且，均在d50=33.2 μm處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這說明當(dāng)d＞d50時(shí)，材料的磨蝕率加大；材料磨蝕與泥沙粒徑級(jí)配的關(guān)系在不同流速下遵循同一規(guī)律，近似呈冪函數(shù)關(guān)系，冪指數(shù)，n＝1.030 7～1.435 1。泥沙粒徑較小時(shí)，相對(duì)磨蝕強(qiáng)度較小，泥沙粒徑增大時(shí)，相對(duì)磨蝕強(qiáng)度隨之增大。d=10 μm時(shí)的相對(duì)磨蝕強(qiáng)度僅是d=25～50 μm 時(shí)的 16%，而 d=100～250 μm 時(shí)的相對(duì)磨蝕強(qiáng)度則是d=25～50 μm時(shí)的2.6倍。近年來，黃河各水電站的過機(jī)泥沙中值粒徑在10～100 μm之間，當(dāng)泥沙粒徑d大于25 μm時(shí)，對(duì)水輪機(jī)的磨蝕作用會(huì)顯著加大。

3.2 關(guān)鍵數(shù)據(jù)與臨界參數(shù)

為了進(jìn)一步分析材料的磨蝕與泥沙粒徑的關(guān)系，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中整理、繪制出累計(jì)磨蝕時(shí)間均為14 h時(shí)，各流速下的磨蝕量Wt與泥沙粒徑d的關(guān)系曲線（見圖 5）。

圖5 試驗(yàn)累計(jì)14 h材料的磨蝕與泥沙粒徑關(guān)系

圖5進(jìn)一步說明如下事實(shí)：

（1）當(dāng)泥沙粒徑級(jí)配大于試驗(yàn)沙的中值粒徑（d50=33.2 μm，d=25～50 μm） 時(shí)，材料失重量加大。

（2）當(dāng)流速大于30 m/s時(shí)，磨蝕明顯加大。

（3）以V≥30 m/s和d50=33.2 μm兩個(gè)標(biāo)志性數(shù)據(jù)建立材料泥沙磨蝕的速度粒徑判數(shù)，有V/d50=30/33.2=0.904 m·s-1·μm-1。本試驗(yàn)中，當(dāng) V/d50＞0.904 m·s-1·μm-1時(shí)磨蝕加快。

（4）三門峽水電站在汛期過機(jī)泥沙的中值粒徑d50=31 μm，水輪機(jī)葉片外緣區(qū)的相對(duì)流速V=35 m/s，泥沙中值粒徑稍小于本試驗(yàn)的中值粒徑，但流速正是磨蝕加速區(qū)，因此水輪機(jī)的磨蝕十分嚴(yán)重。

4 結(jié)論

（1）材料的磨蝕與泥沙級(jí)配之間的關(guān)系可表示為：Wt=Kd1.1829。

（2） 當(dāng)流速 V≥30 m/s和泥沙粒徑 d50≥33.2 μm（d≥25～50 μm） 時(shí)磨蝕加快。

（3）本試驗(yàn)?zāi)嗌衬ノg的速度粒徑判數(shù)V/d50=0.904 m·s-1·μm-1，可稱為三門峽水輪機(jī)泥沙磨蝕的速度粒徑判數(shù)。

［1］吳培豪.影響磨損的因素磨損磨蝕機(jī)理影響因素等綜述［G］//全國(guó)水機(jī)磨蝕試驗(yàn)研究中心.水機(jī)磨蝕，2004.

［2］黃河水利委員會(huì)三門峽水利樞紐汛期發(fā)電試驗(yàn)研究組.三門峽水利樞紐汛期發(fā)電試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.黃河水利委員會(huì)三門峽水利樞紐，2000.

［3］任巖，李興易，張小寶.高速氧燃噴涂碳化鎢在水輪機(jī)磨蝕防護(hù)中的應(yīng)用［J］.水力發(fā)電，2009，35（8）:61-63.

［4］孟安波，顏廷松，陳德新.多泥沙河流水電站機(jī)組檢修策略的探討［J］.水力發(fā)電，2007，33（12）:47-49.

［5］任巖，魯改鳳，王龍，等.黃河上的水電站水輪機(jī)磨蝕狀態(tài)檢修的研究［J］.水力發(fā)電，2010，36（4）:57-59.