關于湖南中小水電站汽蝕磨損防護的探討

王昌生

（長沙理工大學 長沙市 410014）

陳芳

（湖南水利水電職業技術學院 長沙市 410131）

很多水電站都面臨一個十分棘手的問題，那就是水輪機的汽蝕磨損問題，我國北方河流因為含沙量大，對汽蝕磨損問題早有關注，南方含沙量相對較少，這一問題常常被忽視，但事實上這一問題在南方水電站同樣嚴重。

近年湖南省開始致力于中小水電站的改造問題，汽蝕磨損問題成為一個急待解決的重要問題。

1 汽蝕磨損機理

汽蝕磨損顧名思義就是汽蝕和磨損共同作用于水輪機上。

汽蝕的產生基于液體中存在著大量的溶性氣體及蒸汽組成的微小氣泡即氣核。一個氣核膨脹發育的過程是：氣核隨著周圍水體壓力的下降，氣核緩慢膨脹。當周圍壓力降低到汽化壓力以下的臨界點，低于臨界點時，氣核迅速膨脹形成空化，人們稱之為空化的爆炸性膨脹。空泡的潰滅是在極短的瞬間動態過程，潰滅時產生的射流的速度極高，可達100m/s以上，所形成的壓力可達數千大氣壓。當空泡的潰滅發生在固體壁面時，沖擊壓力波會造成壁面的損傷。汽蝕又包括翼型汽蝕、間隙汽蝕、局部汽蝕以及空腔汽蝕等。

磨損是水輪機除汽蝕外另一個最重要的破壞形式，尤其當水輪機是工作在泥沙含量高的河流中，磨粒磨損的危害更顯突出。磨損機理涉及磨粒的形狀、粒度、銳度、硬度、強度和濕度、以及作用力的大小、沖擊力的有無和是否存在腐蝕介質等因素；涉及材料成分、物理特性、化學特性、機械性能（硬度、強度、塑性、斷裂韌性等）、基體組織以及碳化物成分、晶體的結構、數量、形狀及其分布等因素。

汽蝕磨損作用相較于汽蝕、磨損作用中的任何一種，對于水輪機的破壞作用都更加明顯。很多時候都是汽蝕使水輪機某些部位的材料產生松動、剝離，水中的沙粒在水流的帶動下對水輪機進行沖擊磨損，破壞過流部件的原有形狀，從而使水輪機效率下降，同時水輪機本身遭到很大的破壞，有的甚至到最后無法工作，必須全部進行更換。

圖1為不同位置的汽蝕磨損。

圖1 葉片不同位置的汽蝕磨損

2 汽蝕磨損問題的防護

雙牌水電站坐落在永州市雙牌縣瀟水河畔，隸屬湖南省水利廳管轄。電站大壩為混凝土雙支墩大頭壩，最大壩高58.8m，壩長311m，右岸有一條綿延92km的灌溉主干渠道，左岸有單線雙向二級船閘一座。水庫控制流域面積10594km2，總庫容6.9億m3，屬季調節水庫，裝機容量13.5萬kW，近3年發電量見表1。

雙牌水電站的環境以及各項參數都是湖南省內各中小水電站的代表，在汽蝕磨損問題上也有相似的情況。

2.1 水輪機的水力設計及機型選擇

水力設計時應保證：①葉片是光滑流線型；②盡可能使葉片上的壓力分布均勻；③葉片表面應光滑無鼓包；④葉片出邊應較薄；⑤翼柵稠密度的增加可改善空化性能，降低空化系數。

表1 雙牌水電站近3年發電量

除此之外，葉片頭部形狀，進口邊應具有半徑（0.2～0.3）δmax（最大翼厚）的圓弧。為了減小間隙空化的危害，盡可能采用小而均勻的間隙，我國采用的間隙標準為1‰轉輪直徑。但事實上在實際當中水輪機的水力設計都已定，在遇到問題時我們必須依照良好的翼型對葉片進行修補或優化，對不符合正確水力設計的地方都要進行處理。

在汽蝕磨損的處理中還可以在葉片汽蝕破壞區，加順水流方向的導流板，從而起到降低壓力的作用，伸長空穴的長度，使空穴在葉片后潰滅，起到減蝕作用。設置順水流向的導流板時，形狀宜取流線型和圓角過渡，厚度不宜過厚，長度大體與汽蝕破壞區順水流向的長度而定，數量以空蝕破壞區寬度而定，可設一至數片。

加裙邊也可以起到很好的效果，這種方法有時不僅可以提高抗汽蝕磨損的能力，而且有利于出力的提高，也可以作為參考，如圖2。葛洲壩和紅河就是采用這種方法的。

圖2 軸流式水輪機葉片抗汽蝕邊

水力設計很重要，但如果水輪機機型選擇錯誤的話，整個機組就會長期在非額定工況下工作，這將是非常有害的。此時即使葉片設計再完美，汽蝕磨損依然會很嚴重的發生，所以機型的選擇也是非常重要的。

水輪機選擇應遵循的原則是：在滿足水電站出力要求和與水電站參數（水頭和流量）相適應的條件下，選用性能好和尺寸小的水輪機。

雙牌水電站機組機型及參數為：2、3號機組：HL123-LH-410；1號機組：HL240-LH-410；機組特性曲線為標準曲線。

其中HL123-LH-410的參數為：水頭H為25m；額定功率為46.4MW；額定流量為138.5m3/s；水輪機直徑為4.1m；最大水頭為43.7m。

HL240-LH-410的參數為：額定水頭為38m；額定功率為44MW；額定流量為138m3/s；水輪機直徑為4.1m；最小水頭為24.7m。

到目前為止，雙牌水電站的水輪機還基本符合整個水電站的運行需要。現在存在問題主要是雙牌水電站建站已久，隨著環境、機組增容、應對汽蝕磨損的要求等因素，實際運行情況遠遠低于原有的參數性能。

2.2 機組運行條件選擇

水輪機運行好壞不僅與其本身的有關，還和機組運行條件有著密不可分的關系，機組運行條件的選擇在解決水輪機效率低下及汽蝕磨損起著很大的作用。

從雙牌水電站幾十年來的觀察情況來看，對于在設計上比較優秀的水輪機來說，在設計水頭和最優工況區運行時，一般汽蝕現象并不嚴重，但實際情況往往并非這樣。如表2、表3，從表中可以看出以雙牌水電站為典型的湖南中小型水電站很多都屬季節性的，機組的運行負荷和水頭都是不斷變化的。

表2 雙牌水電站逐日平均庫水位表 m

表3 雙牌水電站日平均下游水位表 m

通過表2、表3可以看出1年中最高和最低的水庫水位和下游水位相差分別約有8m和7m，這將直接影響機組運行時的負荷及水頭。而機組在低負荷和低水頭情況下工作對防止汽蝕磨損問題極為不利。所以對于這些中小型水電站應該要做好水量的調配問題，做出最大的努力減少因為季節原因而造成的機組負荷、水頭不穩定，特別是低水頭、低負荷所產生的影響。

減少汽蝕磨損還可以利用補氣的方式。向空化區補入適量的空氣，不但可以降低負壓值，減少空穴的產生，而且由于空氣的彈性可以吸收空泡潰滅時所產生的沖擊壓力，從而減輕對固體邊界的汽蝕磨損。通過實驗室及實踐表明向汽蝕磨損區直接補氣可以完全消除空蝕。雙牌水電站采取的是主軸中心自然補氣方法，如圖3所示。

在實際中可能存在主軸中心自然補氣效果不明顯的問題，所以我們可以在原有基礎上外加強迫補氣的方法，這樣效果將更加明顯。

圖3 主軸中心自然補氣

2.3 抗汽蝕磨損的材料及工藝

近年來，合金鋼廣泛用于水輪機部件，特別是用于制造大型和巨型水輪機過流部件。我國科研工作者先后研制出 Cr5Cu、Cr8CuMo、0Cr13Ni4CuMo、0Cr13Ni6Mo、0Cr13 Ni4Mo、17-4PH等鋼種。目前為止，綜合我國水輪機抗磨蝕所普遍采用的材料，可分為以下6個系列近20個牌號：

●碳鋼類：ZG25，ZG30,ZG35等；

●低合金鋼類：ZG20SiMn，ZG15MnMoVCu，5MnCuTi等；

●中合金鋼類：ZGCr5Cu，ZGCr8CuMo等；

●高合金鋼類：0Cr13NiCu，1Cr13，2Cr13，0Cr13Ni等；

●鎳鉻不銹鋼類：ZG0Cr13Ni4Mo，ZG0Cr13Ni6Mo，馬氏體沉淀強化不銹鋼17-4PH等；

●表面工程材料：環氧金剛砂涂層，陶瓷涂層，高分子復合涂層等。

雙牌水電站水輪機部件所用的材料就是低合金鋼中的ZG20SiMn，這種材料雖然加工方便，價格便宜，但由于其抗汽蝕，磨損及腐蝕的能力都較差，往往一個汛期就需要維修甚至更換，盡管中小型的水電站比大型水電站更換部件容易，但也給生產帶來了諸多的不便，且更換和維修的費用將成為每年的財政負擔。如果需要更換的話，建議使用0Cr13Ni4-6Mo系列馬氏體不銹鋼。

在主體材料已定的情況下，最主要的措施還應該是加強過流部件表面的防護措施，主要包括以下幾方面：

（1）電鍍。就是利用電解原理在某些金屬表面上鍍上一薄層其它金屬或合金的過程，是利用電解作用使金屬或其它材料制件的表面附著一層金屬膜的工藝從而起到防止腐蝕,提高耐磨性。它的主要優點的是不經過高溫加工，沒有變形問題，表面光潔度高，鍍層硬度高達1000 HV左右，電鍍層的主要成分為稀土鉻合金。

（2）加軟涂層。軟涂層包括聚氨酯橡膠、尼龍等，通過實踐表明涂有軟涂層的水輪機過流部件的抗汽蝕磨損能力具有顯著提高。例如復合尼龍噴涂粉末在五一渠實驗運用中它的抗汽蝕磨損性能得到驗證，其抗磨系數是30#鋼的2～3倍，耐磨蝕性能是30#鋼的1.5倍，并且對傳統軟涂層不易和母體粘結的缺陷也有所改進。在底環、頂蓋抗磨板和導水葉密封改造中，采用這種方法將收到良好的抗磨蝕效果。

（3）加硬涂層。硬涂層包括不銹鋼抗氣蝕焊條堆焊；納米碳化鎢超音速火焰噴涂；金屬陶瓷等材料噴焊、噴涂等。

堆焊是我國采用較多的一種抗磨蝕處理方法，它的主要優點是設備簡單、技術成熟、現場施工方便。目前，我國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。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，焊后容易產生變形，并可能對過流部件產生熱影響而降低部件的機械強度等性能。現在處理汽蝕磨損采用的最多的就是堆焊，然后再打磨光滑，如圖4所示，這種方法很適合湖南境內中小水電站過流部件的修復和改造。

納米碳化鎢超音速火焰噴涂屬于超音速噴涂技術，超音速噴涂技術是近年來高速發展起來的高質量表面涂層制備技術，如圖5，它利用經特殊設計的超音速噴嘴等特殊結構的噴槍，并使用高壓和高能燃料，使噴涂的粉末粒子以很高的速度噴射到工件表面，形成結合強度很高的涂層。這種技術較一般的噴涂法抗汽蝕磨損性能更佳，且壽命更長。隨著這種技術的逐步成熟，可以積極采用。

圖5 納米碳化鎢超音速火焰噴涂

3 汽蝕磨損問題解決展望

水輪機的汽蝕磨損問題逐漸成為國際性的問題，它的解決將意味著水電站效益的極大提升，但因為汽蝕磨損問題的復雜性，要想很好地解決，特別是南方中小水電還有很多方面需要加強。主要有水電科學調度、汽蝕磨損機理研究、國內水輪機制造水平和質量提高、抗汽蝕磨損的更加有效的材料開發、有代表性電站各種數據和資料的收集、水輪機汽蝕磨損問題監測和檢修等。

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