水輪機(jī)磨蝕與防護(hù)措施的研究

劉 敏

大唐衡陽發(fā)電股份有限公司，湖南衡陽 421001

1 概述

水力資源是我國最為豐富的自然清潔能源，我國的水電裝機(jī)總?cè)萘磕壳盀槭澜缡孜?，已?jīng)突破2.3億千瓦，為國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了有力保障。在使用水力發(fā)電的過程中，水輪機(jī)會受到泥沙、氣蝕及水流中腐蝕性物質(zhì)的磨蝕，而水輪機(jī)的出力及其使用年限都會受到水輪機(jī)磨蝕的影響，并進(jìn)而影響電站的效益以及電站的安全運行。如何防護(hù)水輪機(jī)的磨蝕一直是我國許多水電站的一個重大課題，多年來許多科研人員對此進(jìn)行了大量的研究工作。

2 水輪機(jī)磨蝕的原因分析

水輪機(jī)的磨蝕是在常年的運行過程中慢慢積累下來的。目前我們已經(jīng)探明泥沙磨損、氣蝕破壞、耦合作用等是水輪機(jī)產(chǎn)生磨蝕的主要原因。

2.1 泥沙磨損

河水中包含的泥沙會對水輪機(jī)的過流部件造成磨損破壞，這就是泥沙磨蝕。水流的含沙特性、過流部件的材質(zhì)、水輪機(jī)的工作條件等都是導(dǎo)致該種磨損產(chǎn)生的主要因素。河水中不可避免的帶有大量的沙質(zhì)，水輪機(jī)在高速運行過程中，含沙水流會不斷沖刷部件表面，會不斷摩擦形成切削效果，特別是當(dāng)部件的較弱或有缺陷的表面區(qū)域被堅硬、尖利的沙粒沖刷后，更容易對金屬表層產(chǎn)生切削，日久天長、不斷磨損。

另外，由于水電站地理位置的不同，水輪機(jī)被磨損的程度也不一樣。即使是同樣的水輪機(jī)，如果在水質(zhì)較清的河流或具有較大庫容的水電站中使用，因河水中的泥沙較少，其受到的磨損程度也會輕微得多。從嚴(yán)格意義上來說，只要水流中含有沙粒，水輪機(jī)就會受到泥沙的磨損。此外，河流汛期是水輪機(jī)遭受泥沙磨損最嚴(yán)重的時期，因為汛期水流中的含沙度是最高的。

2.2 氣蝕磨損

氣蝕磨損是指水輪機(jī)過流通道內(nèi)流動的水體中由于水壓過低，從而使水汽化產(chǎn)生的微小氣泡在其形成、發(fā)展、潰滅過程中對水輪機(jī)過流部件所產(chǎn)生的物理化學(xué)侵蝕作用。

氣泡的形成潰滅過程是隨著水流的連續(xù)不斷高速流動，以很高的頻率連續(xù)的進(jìn)行。氣泡在破裂的過程中所產(chǎn)生的沖擊波其沖擊速度達(dá)到100m/s～400m/s，沖擊范圍為1μm～25μm，壓強(qiáng)達(dá)到100MPa～1000MPa；它伴隨著微射流對水輪機(jī)過流部件的表面進(jìn)行連續(xù)的沖擊。這種沖擊破壞的作用面積雖然小，但由于能量和密度高，所產(chǎn)生的沖擊深度大且頻繁，從而使過流部件表面出現(xiàn)麻點、針孔等，嚴(yán)重時甚至產(chǎn)生蜂窩或海綿狀裂紋。

2.3 耦合作用

2.3.1 泥沙磨損與氣蝕磨損的耦合

這兩類破壞一般都會同時發(fā)生，并產(chǎn)生迭加效果。通常泥沙磨損是水輪機(jī)磨蝕的主要原因，而氣蝕則會加快這種進(jìn)度。泥沙磨損會造成過流部件表面形成局部凹坑或更加粗糙，而材料表面的粗糙和局部凹坑又會為氣蝕的產(chǎn)生提供有利條件。在氣蝕的作用下，過流部件表面會更加疏松、更易被泥沙磨損掉。這樣在兩者的同時作用下，水輪機(jī)表面材料抗疲勞度越來越降，從而產(chǎn)生耦合作用，兩種破壞共同作用，加劇了水輪機(jī)的磨蝕。

2.3.2 磨蝕與震動的耦合

很多時候，大家都忽視了震動對于磨蝕的促進(jìn)作用。水輪機(jī)在高速運轉(zhuǎn)時氣泡會發(fā)生破裂，其留下的空間會受到劇烈的水流沖擊，從而造成紊流的脈動引起水輪機(jī)的劇烈震動。受震動的影響及在慣性作用下，已經(jīng)破壞的微氣泡體積，在脫離葉片的瞬間，受到水流的沖擊后會對水輪機(jī)過流部件加劇磨蝕。

2.3.3 電化學(xué)作用與磨蝕的耦合

科研人員曾對水電站過機(jī)水流做了大量相關(guān)實驗，通過物理指標(biāo)檢測，水中大量富含溶解氧，這是一種帶電粒子。它會在合適的環(huán)境中析出，并且經(jīng)過復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程，轉(zhuǎn)變?yōu)槌粞?，從而對水輪機(jī)表面產(chǎn)生化學(xué)腐蝕。

另外，氣泡在破裂的時候，附帶的能量會隨之釋放并對過流表面不斷打擊，從而在部件局部產(chǎn)生高溫，最高可達(dá)300℃，材料局部受熱后會與周圍材料出現(xiàn)溫差，產(chǎn)生熱電偶，同時伴隨氣泡破裂的不斷擊打，在材料內(nèi)部形成微電流并產(chǎn)生電解電離，導(dǎo)致電化腐蝕。在此過程中，水中含有的一些礦物質(zhì)就會發(fā)生質(zhì)變，使部件附近的水變?yōu)楦g性溶液，再次造成過流部件表面的化學(xué)腐蝕，使得磨蝕進(jìn)一步加劇。

3 水輪機(jī)磨蝕的防護(hù)措施

水輪機(jī)產(chǎn)生磨蝕的原因涉及到多種因素，結(jié)合湘江流域自身水資源的具體環(huán)境因素，開展了多方面的研究及探索，并分析了該區(qū)域水輪機(jī)磨蝕的規(guī)律，總結(jié)出以下有效措施可進(jìn)行水輪機(jī)磨蝕的防護(hù)。

3.1 涂層防護(hù)

水輪機(jī)過流部件表面涂層防護(hù)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，目前國內(nèi)外常用于表面涂層防護(hù)的方法有環(huán)氧金剛砂涂層防護(hù)、聚氨酯涂層防護(hù)、抗磨焊條堆焊防護(hù)、碳化鎢噴涂水輪機(jī)磨蝕防護(hù)。

3.1.1 環(huán)氧金剛砂涂層防護(hù)

環(huán)氧金剛砂分子結(jié)構(gòu)緊密，該涂層可以有效減少或隔絕酸、堿等腐蝕性介質(zhì)對基材的擴(kuò)散滲透能力，且具有價格低廉、施工簡易和抗磨性能好等特點，能對泥沙磨蝕的非空化區(qū)起到有效的保護(hù)作用。在70年代三門峽水電站首次采用了該技術(shù)，使用此涂層實現(xiàn)了對水輪機(jī)葉片正面、固定導(dǎo)葉、中環(huán)等部位的保護(hù)；此后在多個水電站進(jìn)行試驗，結(jié)果表明該涂層對水輪機(jī)過流部件的非氣蝕區(qū)有很好的保護(hù)作用。但對于嚴(yán)重氣蝕區(qū)，該涂層的防護(hù)效果不夠理想。

3.1.2 聚氨酯涂層防護(hù)

聚氨酯為有機(jī)高分子化合物，該涂層在抗氣蝕磨損方面具有很好的效果。聚氨酯涂層可以吸收泥沙顆粒的沖擊力，且具有耐磨、強(qiáng)度高、彈性大等特點。但涂層抗硬物沖擊和割傷能力較差，一旦局部被劃傷，會造成大面積脫落，或因為粘接強(qiáng)度不夠，往往機(jī)組運行時間不長涂層便大面積或整體脫落。目前，國內(nèi)已經(jīng)研制成功粘接強(qiáng)度達(dá)到30MPa的聚氨酯涂層，現(xiàn)已在各大水電站推廣使用。

3.1.3 抗磨焊條堆焊防護(hù)

在氣蝕區(qū)堆焊，可以加強(qiáng)碳鋼類過流部件的抗磨效果。焊條的篩選要結(jié)合抗磨損、抗氣蝕及焊接工藝等多方面因素綜合考慮，針對強(qiáng)氣蝕區(qū)，推薦堆焊材料最好選用A132、0Cr13Ni4Mo、GB1焊條，這3種焊條的抗磨蝕性能排序為GB1＞0Cr13Ni4Mo＞A132。根據(jù)不同的氣蝕強(qiáng)度，可在不同區(qū)域使用不同的堆焊材料，如葉片頭部三角區(qū)、背部出水邊和外緣區(qū)，采用抗磨性能優(yōu)良的GB1焊條，在一般氣蝕區(qū)采用發(fā)煙少、焊接工藝好、價格低的0Cr13Ni4Mo焊條或A132焊條。

3.1.4 高速氧燃噴涂碳化鎢防護(hù)

丙烷、丙稀和氧氣利用超音速火焰噴涂槍，經(jīng)過混合燃燒后，產(chǎn)生速度在1500m/s以上的高溫氣流，同時在噴嘴處它會將高壓空氣送入的碳化鎢粉末粉末熔化，并且產(chǎn)生500m/s左右的高速射流，從而均勻地把熔化后的粉末噴涂在材料表面上，形成高密度的強(qiáng)化涂層。這種涂層雖然在抗氣蝕、抗硬物沖擊方面較弱，但對泥沙磨損具有很好的抵抗能力。在不受硬物撞擊的非氣蝕區(qū)，即使含沙量很高的河水中磨蝕率也會降低很多。碳化鎢涂層是目前最為有效的表面防護(hù)方法，但需要專門的噴涂設(shè)備，成本較高。

3.2 優(yōu)化水輪機(jī)設(shè)計

通過觀察分析，流速高、脫流、旋渦等均會加大水輪機(jī)的磨蝕。因此，在水輪機(jī)的設(shè)計以及制造工藝上，葉片的形狀需符合水流流態(tài)，且作用在葉片上的壓力必須分布均勻，另外采用抗磨蝕材料如不銹鋼轉(zhuǎn)輪，提高加工光潔度等，可使過流部件的抗磨能力進(jìn)一步提高。為了確保葉片的葉型更加正確，可使用數(shù)控機(jī)床對葉片進(jìn)行精加工，使葉片的流道誤差減小且過流表面光滑，可以更好地保障過流部件的抗磨蝕能力。

3.3 減少過機(jī)泥沙

在早期的水電站建設(shè)過程中，我國有過不少的經(jīng)驗與教訓(xùn)，如在每年汛期時，水流中的泥沙特別多，水電站的排沙設(shè)施不到位，從而使過機(jī)泥沙對水輪機(jī)造成很大的磨蝕。因此，在進(jìn)行水電站設(shè)計時就一定要考慮如何減少泥沙通過水輪機(jī)流道，如設(shè)置一定容量的沉沙池、排沙洞等設(shè)施；另外，采用蓄清排渾、洪水排沙、平水發(fā)電等方式，也可以較好地解決排沙與發(fā)電的關(guān)系。目前，我們已經(jīng)通過多種技術(shù)手段有效地減少了過機(jī)泥沙含量，從而降低水輪機(jī)過流部件的磨蝕程度。

4 結(jié)論

對于水電站來說，水輪機(jī)過流部件的磨蝕是一個必須重視的問題，研究造成其磨蝕的原因并找到解決問題的辦法，可以有效地延長水輪機(jī)組壽命、提高水電站的經(jīng)濟(jì)效益和更好地循環(huán)利用這一可再生的且環(huán)保的水力資源。

水輪機(jī)的磨蝕防護(hù)必須參考各個水電站的具體水文環(huán)境條件，根據(jù)各個電站、機(jī)組的自身情況，甚至細(xì)化到不同部件的具體位置，有針對性地采用行之有效的手段，有效地保護(hù)水輪機(jī)的抗磨蝕能力，從而更好地確保水輪機(jī)組的安全穩(wěn)定運行。

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