水輪機的汽蝕與熱處理工藝探討

摘 要：水輪機汽蝕的產生對于工業生產有嚴重的影響，所以要對汽蝕現象進行分析研究，從而制定出解決的措施，提高汽輪機的使用性能，保證工業生產的順利進行。文章對于汽輪機汽蝕的產生機理進行了分析，說明了汽蝕對工業生產的影響，然后介紹了幾種對汽蝕的處理方法，為提高汽輪機的使用性能提供了有利的條件。

關鍵詞：水輪機；汽蝕；熱處理；零汽蝕檢修

前言

水輪機在工業生產中發揮著重要的作用，其運行效率的高低直接影響到工業生產的效益。由于水輪機的運行介質主要是水，而水在一定的溫度下，就會產生汽蝕現象，這是一切液體都具有的氣化現象。而對于水輪機來講，在運行溫度達到100攝氏度，水面壓力降到0.24mH2O（2.354×103Pa）時，就會發生氣化現象，由此在水輪機內部形成汽蝕。水輪機的汽蝕不僅會影響到運行效率，同時還會縮短水輪機的使用壽命，對于工業生產來講具有很大的損失。所以說應該對水輪機的汽蝕現象進行充分的分析，然后有針對性的提出解決的對策，為水輪機的正常運行提供有利的基礎。

1 水輪機汽蝕的產生機理

在反擊式水輪機運行的過程中，由于邊界條件的變化極易出現汽蝕現象。在流道中由于局部的流速過高會導致壓力下降，在轉輪葉片的作用下，會對水流的動矩產生影響，從而在葉片的背面產生負壓。因為在水中一般會含有百分之五的空氣或者是汽核，當水中的壓力低于一定的限制，超出空化的壓力時，就會出現空化現象而導致氣泡的產生，當汽泡形發潰裂時，就是汽蝕現象產生的過程。

在水輪機運行的過程中，水在水輪機的流道內流動，在空化作用后，汽泡隨著水流進入到流道的高壓區，在高壓的作用下，汽泡外部的壓力和汽泡內部的壓力不平衡，在這種壓力作用下，汽泡就會潰裂。在汽泡潰裂的過程中，由于壓力的不同而產生極大的沖擊力，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，長此以往，金屬材料的韌性就會受到影響，轉變為脆性狀態。在此過程中，屈服點逐漸的降低，在屈服點達到一定的臨界后，在射流的沖擊力作用下，金屬表面的顆粒就會脫落，直接產生塑性變形，對水輪機造成很大的破壞。

2 汽蝕浸蝕造成的后果和影響

在水輪機運行時，產生汽蝕是比較常見的現象，其對水輪機部件產生了很大的損壞，直接影響到水輪機的運行效率。在汽蝕侵蝕中，對于水輪機損壞現象影響最大的是葉片，會導致葉片出現空孔、缺口，嚴重時甚至是脫落。汽蝕侵蝕會導致機組的強烈振動和較大的噪音，在汽蝕的作用下，加大了對水輪機的破壞力度，縮短了維修周期，提高了維修成本，對于水輪機的運行來講浪費很多的資金。水輪機受到的損害直接影響到運行效率，從而影響到工業生產的經濟效益，所以說對水輪機進行防汽蝕措施具有重要的意義。

3 水輪機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。

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

鋼的熱處理是將鋼在固體狀態下，通過加熱、保溫、冷卻的方法，改變其內部組織結構，從而獲得所需機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疲勞的過程，金屬材料逐漸由韌性狀態轉變到脆性狀態，其持久極限值也逐漸下降。要使水輪機產生超過屈服點的塑性變形直至破壞，則水輪機遭受到水錘效應產生的水擊壓力必須超過其屈服點，否則即使水輪機過流部件遭受到無限多次汽泡潰裂產生水錘效應的打擊作用，金屬材料也不會產生機械破壞。以上說明汽蝕對水輪機過流部件的浸蝕是有潛伏期的，且潛伏期就是水輪機過流部件的疲勞過程，即金屬材料持久極限屈服點降至水錘效應產生水擊壓力值以下的這段時間。如果在汽蝕浸蝕的潛伏期內對水輪機過流部件進行調質處理使金屬材料重新獲得抗汽蝕的機械性能，可使金屬材料避免遭受塑性變形直至破壞。

尺寸大的轉輪葉片難以進行整體加溫，可采取局部熱處理或表面熱處理。在轉輪葉片汽蝕浸蝕比較嚴重的部位進行淬火，利用氧氣和乙炔火焰，或高頻感應電流將汽蝕浸蝕嚴重的部位快速加熱到淬火溫度，不等熱量傳到內部就立即冷卻。由于冷卻速度不一致會產生內應力，所以要進行回火處理。這樣使汽蝕侵蝕嚴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，在轉輪葉片制造和對已經形成金屬破壞的轉輪葉片進行修補時也可得到廣泛的應用。

在工廠制造轉輪葉片時，將轉輪與葉片分別鑄造后再與轉輪體進行焊接。在焊接過程中由于冷卻速度不一致，導致產生熱應力和奧氏體轉變成馬氏體過程中體積膨脹產生的組織應力。所以要對焊接后的轉輪進行去應力退火，其目的是消除鑄件、鍛件及焊接的內應力，防止在以后的運行過程中產生變形和裂紋。在轉輪的制造過程中，如有條件還可以進行表面化學熱處理。表面化學熱處理是將轉輪葉片放在化學介質中，通過加熱和保溫，使介質中的某些元素滲入葉片金屬表面，改變表面層材料的化學元素成份，從而改變表層性能的方法。對于含Cr、Mo、V等合金元素的中碳合金鋼，進行滲氮處理。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、耐蝕性和疲勞強度。

4 結束語

水輪機在工業生產中應用的比較廣泛，促進了工業生產的進步，提高了企業的經濟效益。為了保證經濟的穩步發展，需要水輪機正常運行，以高質量、高效率的狀態穩定運行。由于水輪機的運行需要以水為動力，所以汽蝕現象在所難免，汽蝕的產生嚴重的影響到水輪機零部件的質量，因而影響到運行性能和使用壽命，對于水輪機的運行效率有很大的影響。所以在科學技術不斷發展的情況下，應該對水輪機汽蝕的原因進行詳細的分析，然后采取有效的防治措施，降低汽蝕現象的發生，實現零汽蝕檢修，降低生產維護成本，提高運行效率，為工業生產企業提高經濟效益創造有利的基礎。

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