水電站水輪機磨損與防護

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

關鍵詞：水電站;水輪機;磨損;防護

一、水輪機的主要磨損形式

水輪機及其重要部件經含有大量泥少的高速水流流過時，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合磨損，具體表現在：

1、沖蝕磨損

一些小而松散的流動粒子對材料形成沖擊的情況下材料表面出現破壞時稱這一磨損現象為沖蝕磨損。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，而高速汽流會產生噴砂型沖蝕。

2、汽蝕磨損

汽蝕磨損是指水流在局部地區流速增高的情況下會產生汽化，這就出現了破壞現象，將其稱為汽蝕磨損。

3、沖蝕與汽蝕的復合磨損

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

二、水電站水輪機磨損的原因

1、與磨損物質特性的關系

磨損物質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。有些物質的硬度大于部件材質的硬度，而硬度越大，磨損也越嚴重。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研究表明，磨損率 W 與磨粒速度 V 有如下關系：

對 n 的取值，研究人員看法不一。Truscott報導了對不同材料，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等發現對不同試驗臺 n 值不同，例如旋轉式試驗臺，n =2.5～3;圓盤式，n = 1.8 ～ 2.7;射流式，n = 2 ～ 2.2。由于流速指數值變化很大，在磨損速率預測和模擬時很難給出一個統一的 n 值。

3、與過流部件的材質特性的關系

金屬材料的抗磨性取決于材料的物理性：硬度、內部組織、化學成分、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，材料的內部組織越密實，晶體結構越均勻抗磨性越好，表面粗糙度起好，抗磨性越好。

4、與運行方式的關系

當水輪機運行情況良好汽蝕和磨損不產生聯合作用時，汽蝕與磨損情況是不同的。當機組處于非設計工況運行時產生的汽蝕，會與泥沙對機件表面產生聯合作用加大磨損的速度。

三、水電站水輪機磨損的防護措施

1、合理選擇防護方案

以水電機組葉輪防護處理技術為例，磨蝕分兩個方面：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。聚氨酯彈性體技術抗磨蝕性能好，具有一定的彈性，有較好的抗撕裂強度，可防止高速水流中砂粒、石塊對葉片產生劃傷和撕裂破壞，適用于葉輪背面的氣蝕防護。

2、合理選擇防護技術

2.1 “硬抗”技術

由于水流中含有一定硬度的泥沙、石塊等顆粒狀物體，這些物體高速進入機組后，對機組產生很強的撞擊、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材料。目前主要有復合樹脂金剛砂技術、耐磨焊條技術、熱鍍硬鉻技術、金屬陶瓷技術等。這類抗磨蝕防護技術稱為“硬抗”。

2.2 “軟抗”技術

由于機組過流部件存在某些缺陷，造成機組內部壓強不均勻，進而產生普遍存在的氣蝕現象。其周圍的液體以極高的速度沖向機組部件的表面，產生高強度的沖擊波，產生噪音并引起振動。另外，液體中的微量溶解氧及酸堿性物質的化學腐蝕作用，對金屬材料也會產生化學腐蝕破壞。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。這類抗磨蝕防護技術稱為 “軟抗”。

3、焊接修復技術

焊接是目前水輪機修復的重要方法。目前，主要方式有補焊、噴焊、利用防護材料修復等。對于Cr13型馬氏體不銹鋼來說，焊后即使是空冷也會由高溫狀態的奧氏體轉變為馬氏體，并表現出明顯的淬硬傾向。當采用材質相同的焊接材料焊接Cr13型馬氏體不銹鋼時，為了細化焊縫金屬的晶粒，提高焊縫的塑性和韌性，焊接材料中通常會添加少量的M o、Ti、Al 等合金元素，同時采用特定的工藝措施。對于含碳量低的馬氏體不銹鋼，冷卻結晶時會轉變為低碳馬氏體，不會表現出顯著的淬硬傾向。且不同的冷卻速度，對焊縫和熱影響區的硬度不會有明顯的影響，且具有良好的焊接性。這種不銹鋼經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。表現出強韌性良好的匹配和優良的耐蝕能力。具體的焊接方法包括以下幾種：

3.1 低電壓短弧焊法

在整個焊接過程中保持弧長不變，收弧時應填滿弧坑。在多層焊接時，每焊完一層應徹底清除熔渣，待冷卻后再焊接下一層，并盡量減少焊接層數，以避免重復加熱，否則會使熱影響區擴大，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，對焊接手法和運條方法都有較高的要求，而且在工程量日益增大的今天，其生產效率也是問題。

3.2 熔化極氣體保護焊

熔化極氣體保護焊有焊接效率高、熔合比低、焊接變形小等特點，可以滿足水輪機焊接的需要，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性比較好，能夠方便和準確的調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合保護，獲得良好成形性。藥芯中加入穩弧劑使電弧更穩定，熔滴過渡更為均勻，使焊接過程中飛濺少且顆粒細小。最后，藥芯焊絲在生產過程中，對環境的污染小于焊條和實芯焊絲。因此，推薦水輪機的修復采用相應的藥芯焊絲焊接。

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焊帶進行焊接。目前，東方電氣公司已經成功的使用該方法對水輪機進行了焊接，但工裝極為復雜，且需要巨型的變位設備，其推廣起來有一定困難。另外該種方法高溫停留的時間長，難以控制熔合區的組織成分，從而對其使用性能有一定的影響。

結束語

綜上所述，水電站水輪機的磨損會給其運行效率產生極大的影響，因此，需要對于其磨損的形式與原因進行分析，并采取相應措施，進一步加強水電站水輪機磨損的防護，從而為水電站的正常運行提供有效保障。

參考文獻：

[1]王志高.三門峽水電站水輪機磨蝕與防護[J].水利水電工程設計，1998，01：41-44.

[2]龐學健.淺談我處小水電站水輪機空蝕磨損及防護[J].科技資訊，2008，06：20.

[3]謝翠松，段文忠，謝葆玲，楊國錄.水輪機沙粒磨損問題研究[J].湖北水力發電，2002，01：37-40.