水電站水輪機(jī)磨損與防護(hù)

摘要：本文主要就水電站水輪機(jī)磨損的形式、原因以及防護(hù)水電站水輪機(jī)磨損的具體措施進(jìn)行了分析研究。

關(guān)鍵詞：水電站;水輪機(jī);磨損;防護(hù)

一、水輪機(jī)的主要磨損形式

水輪機(jī)及其重要部件經(jīng)含有大量泥少的高速水流流過時(shí)，極易對其造成磨損，其磨損方式主要包括三種：一是沖蝕磨損;二是汽蝕磨損;三是沖蝕與汽蝕的復(fù)合磨損，具體表現(xiàn)在：

1、沖蝕磨損

一些小而松散的流動(dòng)粒子對材料形成沖擊的情況下材料表面出現(xiàn)破壞時(shí)稱這一磨損現(xiàn)象為沖蝕磨損。攜帶固體粒子的流體包括液流和高速汽流，液流為泥漿型沖蝕，而高速汽流會(huì)產(chǎn)生噴砂型沖蝕。

2、汽蝕磨損

汽蝕磨損是指水流在局部地區(qū)流速增高的情況下會(huì)產(chǎn)生汽化，這就出現(xiàn)了破壞現(xiàn)象，將其稱為汽蝕磨損。

3、沖蝕與汽蝕的復(fù)合磨損

高速水流在含量有泥沙和汽泡的情況下對流過的材料產(chǎn)生磨損被稱之為沖蝕與汽蝕的復(fù)合磨損，通常水電行業(yè)將其稱之為磨蝕。水輪機(jī)產(chǎn)生沖蝕與汽蝕的復(fù)合磨損主要是在水、汽和沙的共同作用下形成的，這是我國水電設(shè)備嚴(yán)重受磨蝕的主要原因。

二、水電站水輪機(jī)磨損的原因

1、與磨損物質(zhì)特性的關(guān)系

磨損物質(zhì)特性主要指泥沙顆粒的成分、大小、硬度、及形狀等。顆粒的成分，一般泥沙顆粒的成分主要有石英、長石、云母、鐵砂等物質(zhì)。有些物質(zhì)的硬度大于部件材質(zhì)的硬度，而硬度越大，磨損也越嚴(yán)重。顆粒的大小，磨損程度與顆粒的直徑成正比，粒徑越大磨損越嚴(yán)重。同樣顆粒形狀不同磨損也不同，尖角的顆粒比圓滑的顆粒磨損要快。

2、與水流特性的關(guān)系

水流的特性是指水流中含有泥沙的濃度、水流的速度、水流的方向的沖擊角等。水流中含有泥沙的濃度越大，磨損越嚴(yán)重。水流流速越快磨損越歷害，水流方向和沖擊角不同對磨損有不同的影響。不同條件下的沖蝕磨損試驗(yàn)研究表明，磨損率 W 與磨粒速度 V 有如下關(guān)系：

對 n 的取值，研究人員看法不一。Truscott報(bào)導(dǎo)了對不同材料，n 值不同，例如，在噴沙裝置上，對鋼材 St，n = 1.4;橡膠，n = 4.6。Daun等發(fā)現(xiàn)對不同試驗(yàn)臺(tái) n 值不同，例如旋轉(zhuǎn)式試驗(yàn)臺(tái)，n =2.5～3;圓盤式，n = 1.8 ～ 2.7;射流式，n = 2 ～ 2.2。由于流速指數(shù)值變化很大，在磨損速率預(yù)測和模擬時(shí)很難給出一個(gè)統(tǒng)一的 n 值。

3、與過流部件的材質(zhì)特性的關(guān)系

金屬材料的抗磨性取決于材料的物理性：硬度、內(nèi)部組織、化學(xué)成分、粗糙度、表面尺寸、彈性率等。表面硬度越高的材料，磨損量越小，材料的內(nèi)部組織越密實(shí)，晶體結(jié)構(gòu)越均勻抗磨性越好，表面粗糙度起好，抗磨性越好。

4、與運(yùn)行方式的關(guān)系

當(dāng)水輪機(jī)運(yùn)行情況良好汽蝕和磨損不產(chǎn)生聯(lián)合作用時(shí)，汽蝕與磨損情況是不同的。當(dāng)機(jī)組處于非設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的汽蝕，會(huì)與泥沙對機(jī)件表面產(chǎn)生聯(lián)合作用加大磨損的速度。

三、水電站水輪機(jī)磨損的防護(hù)措施

1、合理選擇防護(hù)方案

以水電機(jī)組葉輪防護(hù)處理技術(shù)為例，磨蝕分兩個(gè)方面：葉輪正面的磨蝕和葉輪背面的氣蝕。葉輪正面的磨蝕主要是含沙水流的沖擊和碰撞造成的，背面的氣蝕是空化造成的。復(fù)合樹脂金剛砂材料硬度高，有較高的邵氏硬度，可提高過流部件抗沖擊和磨損的性能，適用于葉輪正面的磨蝕防護(hù)。聚氨酯彈性體技術(shù)抗磨蝕性能好，具有一定的彈性，有較好的抗撕裂強(qiáng)度，可防止高速水流中砂粒、石塊對葉片產(chǎn)生劃傷和撕裂破壞，適用于葉輪背面的氣蝕防護(hù)。

2、合理選擇防護(hù)技術(shù)

2.1 “硬抗”技術(shù)

由于水流中含有一定硬度的泥沙、石塊等顆粒狀物體，這些物體高速進(jìn)入機(jī)組后，對機(jī)組產(chǎn)生很強(qiáng)的撞擊、切削破壞。針對這種磨蝕破壞情況，則要采用有一定硬度的抗磨蝕防護(hù)材料。目前主要有復(fù)合樹脂金剛砂技術(shù)、耐磨焊條技術(shù)、熱鍍硬鉻技術(shù)、金屬陶瓷技術(shù)等。這類抗磨蝕防護(hù)技術(shù)稱為“硬抗”。

2.2 “軟抗”技術(shù)

由于機(jī)組過流部件存在某些缺陷，造成機(jī)組內(nèi)部壓強(qiáng)不均勻，進(jìn)而產(chǎn)生普遍存在的氣蝕現(xiàn)象。其周圍的液體以極高的速度沖向機(jī)組部件的表面，產(chǎn)生高強(qiáng)度的沖擊波，產(chǎn)生噪音并引起振動(dòng)。另外，液體中的微量溶解氧及酸堿性物質(zhì)的化學(xué)腐蝕作用，對金屬材料也會(huì)產(chǎn)生化學(xué)腐蝕破壞。針對這種空蝕破壞情況，則要采用有一定彈性（韌性）及抗腐蝕性能的高分子抗磨蝕材料，主要有聚氨酯和超高密度聚乙烯材料等。這類抗磨蝕防護(hù)技術(shù)稱為 “軟抗”。

3、焊接修復(fù)技術(shù)

焊接是目前水輪機(jī)修復(fù)的重要方法。目前，主要方式有補(bǔ)焊、噴焊、利用防護(hù)材料修復(fù)等。對于Cr13型馬氏體不銹鋼來說，焊后即使是空冷也會(huì)由高溫狀態(tài)的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，并表現(xiàn)出明顯的淬硬傾向。當(dāng)采用材質(zhì)相同的焊接材料焊接Cr13型馬氏體不銹鋼時(shí)，為了細(xì)化焊縫金屬的晶粒，提高焊縫的塑性和韌性，焊接材料中通常會(huì)添加少量的M o、Ti、Al 等合金元素，同時(shí)采用特定的工藝措施。對于含碳量低的馬氏體不銹鋼，冷卻結(jié)晶時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榈吞捡R氏體，不會(huì)表現(xiàn)出顯著的淬硬傾向。且不同的冷卻速度，對焊縫和熱影響區(qū)的硬度不會(huì)有明顯的影響，且具有良好的焊接性。這種不銹鋼經(jīng)過淬火或回火處理后，由于韌化的奧氏體均勻的彌散分布于回火馬氏體的基體，使其具有較高的輕度和良好的塑性及韌性。表現(xiàn)出強(qiáng)韌性良好的匹配和優(yōu)良的耐蝕能力。具體的焊接方法包括以下幾種：

3.1 低電壓短弧焊法

在整個(gè)焊接過程中保持弧長不變，收弧時(shí)應(yīng)填滿弧坑。在多層焊接時(shí)，每焊完一層應(yīng)徹底清除熔渣，待冷卻后再焊接下一層，并盡量減少焊接層數(shù)，以避免重復(fù)加熱，否則會(huì)使熱影響區(qū)擴(kuò)大，降低焊縫的抗腐蝕性能。由此可見，在使用焊條焊接1Cr13型馬氏體不銹鋼時(shí)，對焊接手法和運(yùn)條方法都有較高的要求，而且在工程量日益增大的今天，其生產(chǎn)效率也是問題。

3.2 熔化極氣體保護(hù)焊

熔化極氣體保護(hù)焊有焊接效率高、熔合比低、焊接變形小等特點(diǎn)，可以滿足水輪機(jī)焊接的需要，并且該方法的焊接成本相對較低。因此，焊接Cr13Ni 5型馬氏體不銹鋼可使用E410Ni M o藥芯焊絲。首先，藥芯焊絲對鋼材焊接的適應(yīng)性比較好，能夠方便和準(zhǔn)確的調(diào)整焊劑的成分和比例，使熔敷金屬可以滿足焊縫所需求的化學(xué)成分。其次，藥芯焊絲的工藝性能好，焊縫成形美觀。藥芯焊絲采用氣渣聯(lián)合保護(hù)，獲得良好成形性。藥芯中加入穩(wěn)弧劑使電弧更穩(wěn)定，熔滴過渡更為均勻，使焊接過程中飛濺少且顆粒細(xì)小。最后，藥芯焊絲在生產(chǎn)過程中，對環(huán)境的污染小于焊條和實(shí)芯焊絲。因此，推薦水輪機(jī)的修復(fù)采用相應(yīng)的藥芯焊絲焊接。

3.3 帶極電渣焊

帶極電渣焊是一種高效的焊接方法，自動(dòng)化程度較高。通常，焊接Cr13Ni 5型馬氏體不銹鋼可以使用D410Ni M oL焊帶進(jìn)行焊接。目前，東方電氣公司已經(jīng)成功的使用該方法對水輪機(jī)進(jìn)行了焊接，但工裝極為復(fù)雜，且需要巨型的變位設(shè)備，其推廣起來有一定困難。另外該種方法高溫停留的時(shí)間長，難以控制熔合區(qū)的組織成分，從而對其使用性能有一定的影響。

結(jié)束語

綜上所述，水電站水輪機(jī)的磨損會(huì)給其運(yùn)行效率產(chǎn)生極大的影響，因此，需要對于其磨損的形式與原因進(jìn)行分析，并采取相應(yīng)措施，進(jìn)一步加強(qiáng)水電站水輪機(jī)磨損的防護(hù)，從而為水電站的正常運(yùn)行提供有效保障。

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