水輪機(jī)的汽蝕與熱處理工藝探討

摘 要：水輪機(jī)汽蝕的產(chǎn)生對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)有嚴(yán)重的影響，所以要對(duì)汽蝕現(xiàn)象進(jìn)行分析研究，從而制定出解決的措施，提高汽輪機(jī)的使用性能，保證工業(yè)生產(chǎn)的順利進(jìn)行。文章對(duì)于汽輪機(jī)汽蝕的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析，說明了汽蝕對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的影響，然后介紹了幾種對(duì)汽蝕的處理方法，為提高汽輪機(jī)的使用性能提供了有利的條件。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；汽蝕；熱處理；零汽蝕檢修

前言

水輪機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用，其運(yùn)行效率的高低直接影響到工業(yè)生產(chǎn)的效益。由于水輪機(jī)的運(yùn)行介質(zhì)主要是水，而水在一定的溫度下，就會(huì)產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，這是一切液體都具有的氣化現(xiàn)象。而對(duì)于水輪機(jī)來講，在運(yùn)行溫度達(dá)到100攝氏度，水面壓力降到0.24mH2O（2.354×103Pa）時(shí)，就會(huì)發(fā)生氣化現(xiàn)象，由此在水輪機(jī)內(nèi)部形成汽蝕。水輪機(jī)的汽蝕不僅會(huì)影響到運(yùn)行效率，同時(shí)還會(huì)縮短水輪機(jī)的使用壽命，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)來講具有很大的損失。所以說應(yīng)該對(duì)水輪機(jī)的汽蝕現(xiàn)象進(jìn)行充分的分析，然后有針對(duì)性的提出解決的對(duì)策，為水輪機(jī)的正常運(yùn)行提供有利的基礎(chǔ)。

1 水輪機(jī)汽蝕的產(chǎn)生機(jī)理

在反擊式水輪機(jī)運(yùn)行的過程中，由于邊界條件的變化極易出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象。在流道中由于局部的流速過高會(huì)導(dǎo)致壓力下降，在轉(zhuǎn)輪葉片的作用下，會(huì)對(duì)水流的動(dòng)矩產(chǎn)生影響，從而在葉片的背面產(chǎn)生負(fù)壓。因?yàn)樵谒幸话銜?huì)含有百分之五的空氣或者是汽核，當(dāng)水中的壓力低于一定的限制，超出空化的壓力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)空化現(xiàn)象而導(dǎo)致氣泡的產(chǎn)生，當(dāng)汽泡形發(fā)潰裂時(shí)，就是汽蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的過程。

在水輪機(jī)運(yùn)行的過程中，水在水輪機(jī)的流道內(nèi)流動(dòng)，在空化作用后，汽泡隨著水流進(jìn)入到流道的高壓區(qū)，在高壓的作用下，汽泡外部的壓力和汽泡內(nèi)部的壓力不平衡，在這種壓力作用下，汽泡就會(huì)潰裂。在汽泡潰裂的過程中，由于壓力的不同而產(chǎn)生極大的沖擊力，形成較高的射流，這種瞬間的射流沖擊力非常大。在高頻率的射流水擊下，過流表面需要承受很大的沖擊載荷，長(zhǎng)此以往，金屬材料的韌性就會(huì)受到影響，轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。在此過程中，屈服點(diǎn)逐漸的降低，在屈服點(diǎn)達(dá)到一定的臨界后，在射流的沖擊力作用下，金屬表面的顆粒就會(huì)脫落，直接產(chǎn)生塑性變形，對(duì)水輪機(jī)造成很大的破壞。

2 汽蝕浸蝕造成的后果和影響

在水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生汽蝕是比較常見的現(xiàn)象，其對(duì)水輪機(jī)部件產(chǎn)生了很大的損壞，直接影響到水輪機(jī)的運(yùn)行效率。在汽蝕侵蝕中，對(duì)于水輪機(jī)損壞現(xiàn)象影響最大的是葉片，會(huì)導(dǎo)致葉片出現(xiàn)空孔、缺口，嚴(yán)重時(shí)甚至是脫落。汽蝕侵蝕會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的強(qiáng)烈振動(dòng)和較大的噪音，在汽蝕的作用下，加大了對(duì)水輪機(jī)的破壞力度，縮短了維修周期，提高了維修成本，對(duì)于水輪機(jī)的運(yùn)行來講浪費(fèi)很多的資金。水輪機(jī)受到的損害直接影響到運(yùn)行效率，從而影響到工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，所以說對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行防汽蝕措施具有重要的意義。

3 水輪機(jī)防汽蝕的熱處理工藝

下面主要講述一下熱處理在防汽蝕方面的作用。水輪機(jī)是由金屬材料制成，所以金屬材料的抗蝕性能十分重要。例如金屬材料的硬度、極限拉伸度、彈性及晶粒的性質(zhì)。

金屬材料的性能不僅與成份有關(guān)，而且與其組成元素間的相互結(jié)合方式、形態(tài)及分布即與其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)也有關(guān)。同一成份的金屬材料也可以通過改變其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)以改變其機(jī)械性能。例如鋼在熱處理工藝后可改變其內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)來改變其機(jī)械性能。

鋼的熱處理是將鋼在固體狀態(tài)下，通過加熱、保溫、冷卻的方法，改變其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需機(jī)械性能的一種操作工藝。熱處理可分為普通熱處理和表面熱處理兩大類。普通熱處理又分退火、正火、淬火、回火。

由于汽蝕浸蝕是一個(gè)疲勞的過程，金屬材料逐漸由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變到脆性狀態(tài)，其持久極限值也逐漸下降。要使水輪機(jī)產(chǎn)生超過屈服點(diǎn)的塑性變形直至破壞，則水輪機(jī)遭受到水錘效應(yīng)產(chǎn)生的水擊壓力必須超過其屈服點(diǎn)，否則即使水輪機(jī)過流部件遭受到無限多次汽泡潰裂產(chǎn)生水錘效應(yīng)的打擊作用，金屬材料也不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械破壞。以上說明汽蝕對(duì)水輪機(jī)過流部件的浸蝕是有潛伏期的，且潛伏期就是水輪機(jī)過流部件的疲勞過程，即金屬材料持久極限屈服點(diǎn)降至水錘效應(yīng)產(chǎn)生水擊壓力值以下的這段時(shí)間。如果在汽蝕浸蝕的潛伏期內(nèi)對(duì)水輪機(jī)過流部件進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理使金屬材料重新獲得抗汽蝕的機(jī)械性能，可使金屬材料避免遭受塑性變形直至破壞。

尺寸大的轉(zhuǎn)輪葉片難以進(jìn)行整體加溫，可采取局部熱處理或表面熱處理。在轉(zhuǎn)輪葉片汽蝕浸蝕比較嚴(yán)重的部位進(jìn)行淬火，利用氧氣和乙炔火焰，或高頻感應(yīng)電流將汽蝕浸蝕嚴(yán)重的部位快速加熱到淬火溫度，不等熱量傳到內(nèi)部就立即冷卻。由于冷卻速度不一致會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，所以要進(jìn)行回火處理。這樣使汽蝕侵蝕嚴(yán)重部位提高了抗蝕性能，也避免了整體熱處理的大量工作。

熱處理工藝不僅使用于此，在轉(zhuǎn)輪葉片制造和對(duì)已經(jīng)形成金屬破壞的轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行修補(bǔ)時(shí)也可得到廣泛的應(yīng)用。

在工廠制造轉(zhuǎn)輪葉片時(shí)，將轉(zhuǎn)輪與葉片分別鑄造后再與轉(zhuǎn)輪體進(jìn)行焊接。在焊接過程中由于冷卻速度不一致，導(dǎo)致產(chǎn)生熱應(yīng)力和奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體過程中體積膨脹產(chǎn)生的組織應(yīng)力。所以要對(duì)焊接后的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行去應(yīng)力退火，其目的是消除鑄件、鍛件及焊接的內(nèi)應(yīng)力，防止在以后的運(yùn)行過程中產(chǎn)生變形和裂紋。在轉(zhuǎn)輪的制造過程中，如有條件還可以進(jìn)行表面化學(xué)熱處理。表面化學(xué)熱處理是將轉(zhuǎn)輪葉片放在化學(xué)介質(zhì)中，通過加熱和保溫，使介質(zhì)中的某些元素滲入葉片金屬表面，改變表面層材料的化學(xué)元素成份，從而改變表層性能的方法。對(duì)于含Cr、Mo、V等合金元素的中碳合金鋼，進(jìn)行滲氮處理。將氮原子滲入到零件的表層，氮原子滲入鋼中能與合金元素形成高硬度的氮化物，從而提高表層的硬度、耐磨性、耐蝕性和疲勞強(qiáng)度。

4 結(jié)束語

水輪機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的比較廣泛，促進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。為了保證經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展，需要水輪機(jī)正常運(yùn)行，以高質(zhì)量、高效率的狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行。由于水輪機(jī)的運(yùn)行需要以水為動(dòng)力，所以汽蝕現(xiàn)象在所難免，汽蝕的產(chǎn)生嚴(yán)重的影響到水輪機(jī)零部件的質(zhì)量，因而影響到運(yùn)行性能和使用壽命，對(duì)于水輪機(jī)的運(yùn)行效率有很大的影響。所以在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的情況下，應(yīng)該對(duì)水輪機(jī)汽蝕的原因進(jìn)行詳細(xì)的分析，然后采取有效的防治措施，降低汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)零汽蝕檢修，降低生產(chǎn)維護(hù)成本，提高運(yùn)行效率，為工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益創(chuàng)造有利的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]周銀康.論水電站水輪機(jī)汽蝕產(chǎn)生原因分析及防范措施[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2011-10-10.

[2]譚學(xué)彪，張金華，朱占春.高水頭多泥沙水質(zhì)水輪機(jī)汽蝕磨損分析及防護(hù)[J].中國(guó)水運(yùn)（理論版），2006-02-20.

[3]丁彰雄，張?jiān)魄?，陳江?水輪機(jī)抗汽蝕材料及表面防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].水利電力機(jī)械，2006-04-25.