水輪機磨蝕與防護措施的研究

劉 敏

大唐衡陽發電股份有限公司，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，我國的水電裝機總容量目前為世界首位，已經突破2.3億千瓦，為國家的經濟發展提供了有力保障。在使用水力發電的過程中，水輪機會受到泥沙、氣蝕及水流中腐蝕性物質的磨蝕，而水輪機的出力及其使用年限都會受到水輪機磨蝕的影響，并進而影響電站的效益以及電站的安全運行。如何防護水輪機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行了大量的研究工作。

2 水輪機磨蝕的原因分析

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

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、水輪機的工作條件等都是導致該種磨損產生的主要因素。河水中不可避免的帶有大量的沙質，水輪機在高速運行過程中，含沙水流會不斷沖刷部件表面，會不斷摩擦形成切削效果，特別是當部件的較弱或有缺陷的表面區域被堅硬、尖利的沙粒沖刷后，更容易對金屬表層產生切削，日久天長、不斷磨損。

另外，由于水電站地理位置的不同，水輪機被磨損的程度也不一樣。即使是同樣的水輪機，如果在水質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。從嚴格意義上來說，只要水流中含有沙粒，水輪機就會受到泥沙的磨損。此外，河流汛期是水輪機遭受泥沙磨損最嚴重的時期，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過流通道內流動的水體中由于水壓過低，從而使水汽化產生的微小氣泡在其形成、發展、潰滅過程中對水輪機過流部件所產生的物理化學侵蝕作用。

氣泡的形成潰滅過程是隨著水流的連續不斷高速流動，以很高的頻率連續的進行。氣泡在破裂的過程中所產生的沖擊波其沖擊速度達到100m/s～400m/s，沖擊范圍為1μm～25μm，壓強達到100MPa～1000MPa；它伴隨著微射流對水輪機過流部件的表面進行連續的沖擊。這種沖擊破壞的作用面積雖然小，但由于能量和密度高，所產生的沖擊深度大且頻繁，從而使過流部件表面出現麻點、針孔等，嚴重時甚至產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生，并產生迭加效果。通常泥沙磨損是水輪機磨蝕的主要原因，而氣蝕則會加快這種進度。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，水輪機表面材料抗疲勞度越來越降，從而產生耦合作用，兩種破壞共同作用，加劇了水輪機的磨蝕。

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作用。水輪機在高速運轉時氣泡會發生破裂，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的劇烈震動。受震動的影響及在慣性作用下，已經破壞的微氣泡體積，在脫離葉片的瞬間，受到水流的沖擊后會對水輪機過流部件加劇磨蝕。

2.3.3 電化學作用與磨蝕的耦合

科研人員曾對水電站過機水流做了大量相關實驗，通過物理指標檢測，水中大量富含溶解氧，這是一種帶電粒子。它會在合適的環境中析出，并且經過復雜的物理化學變化過程，轉變為臭氧，從而對水輪機表面產生化學腐蝕。

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，從而在部件局部產生高溫，最高可達300℃，材料局部受熱后會與周圍材料出現溫差，產生熱電偶，同時伴隨氣泡破裂的不斷擊打，在材料內部形成微電流并產生電解電離，導致電化腐蝕。在此過程中，水中含有的一些礦物質就會發生質變，使部件附近的水變為腐蝕性溶液，再次造成過流部件表面的化學腐蝕，使得磨蝕進一步加劇。

3 水輪機磨蝕的防護措施

水輪機產生磨蝕的原因涉及到多種因素，結合湘江流域自身水資源的具體環境因素，開展了多方面的研究及探索，并分析了該區域水輪機磨蝕的規律，總結出以下有效措施可進行水輪機磨蝕的防護。

3.1 涂層防護

水輪機過流部件表面涂層防護技術已經比較成熟，目前國內外常用于表面涂層防護的方法有環氧金剛砂涂層防護、聚氨酯涂層防護、抗磨焊條堆焊防護、碳化鎢噴涂水輪機磨蝕防護。

3.1.1 環氧金剛砂涂層防護

環氧金剛砂分子結構緊密，該涂層可以有效減少或隔絕酸、堿等腐蝕性介質對基材的擴散滲透能力，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起到有效的保護作用。在70年代三門峽水電站首次采用了該技術，使用此涂層實現了對水輪機葉片正面、固定導葉、中環等部位的保護；此后在多個水電站進行試驗，結果表明該涂層對水輪機過流部件的非氣蝕區有很好的保護作用。但對于嚴重氣蝕區，該涂層的防護效果不夠理想。

3.1.2 聚氨酯涂層防護

聚氨酯為有機高分子化合物，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，或因為粘接強度不夠，往往機組運行時間不長涂層便大面積或整體脫落。目前，國內已經研制成功粘接強度達到30MPa的聚氨酯涂層，現已在各大水電站推廣使用。

3.1.3 抗磨焊條堆焊防護

在氣蝕區堆焊，可以加強碳鋼類過流部件的抗磨效果。焊條的篩選要結合抗磨損、抗氣蝕及焊接工藝等多方面因素綜合考慮，針對強氣蝕區，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。根據不同的氣蝕強度，可在不同區域使用不同的堆焊材料，如葉片頭部三角區、背部出水邊和外緣區，采用抗磨性能優良的GB1焊條，在一般氣蝕區采用發煙少、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

丙烷、丙稀和氧氣利用超音速火焰噴涂槍，經過混合燃燒后，產生速度在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，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方法，但需要專門的噴涂設備，成本較高。

3.2 優化水輪機設計

通過觀察分析，流速高、脫流、旋渦等均會加大水輪機的磨蝕。因此，在水輪機的設計以及制造工藝上，葉片的形狀需符合水流流態，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輪，提高加工光潔度等，可使過流部件的抗磨能力進一步提高。為了確保葉片的葉型更加正確，可使用數控機床對葉片進行精加工，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 減少過機泥沙

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

4 結論

對于水電站來說，水輪機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組壽命、提高水電站的經濟效益和更好地循環利用這一可再生的且環保的水力資源。

水輪機的磨蝕防護必須參考各個水電站的具體水文環境條件，根據各個電站、機組的自身情況，甚至細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，有效地保護水輪機的抗磨蝕能力，從而更好地確保水輪機組的安全穩定運行。

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