水輪機抗泥沙磨損技術的研究

劉煒

摘要：針對我國水輪機在含沙水流磨損較嚴重的情況，介紹了水輪機主要易磨損部件的抗泥沙磨損措施。在機組合理選型，材料的選擇，抗磨層表面噴涂技術等方面提出了有效抗磨措施。

關鍵詞：水輪機 ?泥沙磨損 ?技術

1、簡述：

我國大陸水力資源可開發容量在3.8億kW以上，水力資源位居世界第一。但我國河流特點之一是含沙量比較大，年平均輸沙量在1000 萬t 以上的河流有115 條，直接入海泥沙總量達1914 億t，我國各水電站水輪機受泥沙磨損問題突出。由于磨損，水輪機效率降低，出力明顯下降，年發電量減少;水輪機大修周期縮短，比單純氣蝕的檢修期長且工作量大，檢修費用大大增加;還影響正常開、停機，因而降低了機組運行的可靠性和靈活性。因此研究水輪機的抗泥沙磨損技術對我國水電事業意義重大。

2、水輪機的磨損和失效特征

水輪機主要部件轉輪、轉輪室、葉片、抗磨環、底環等部位運行一段時間后，就會出現光滑密實坑槽、針孔、麻點、麻面、波紋、蜂窩狀等缺陷。材料的失效是由氣、液、固等組成的多相流引起的，有液一氣雙相流空蝕、液一固雙相流沖刷腐蝕磨損破壞形式，也有材料的腐蝕疲勞破壞形式，還存在空蝕、沖蝕磨損、腐蝕及疲勞彼此間的相互促進效應，在含沙水流中泥沙磨損更是其失效重要原因。泥沙磨損主要指當水流挾帶懸移質泥沙和推移質泥沙運動時，具有一定動能的硬質沙粒對水力機械過流部件表面反復沖擊和切削帶來的磨粒磨損。

3、泥沙磨損措施

3.1沙磨損因素

據國內外研究表明，泥沙磨損量可以用如下公式計算：

m為流態影響指數，在平流或平順繞流區，m取2～2.32，在流動紊亂或較大水流沖角部位時m取2.3～3.0

在泥沙磨損中，大量試驗表明，對于泥沙顆粒，粒徑小于 0.025mm 的泥沙基本不造成磨損，粒徑大于0.025至0.4磨損量顯著加劇，粒徑越大磨損越嚴重。粒徑大于0.25的硬質顆粒和粒徑大于0.4的軟質顆粒為有害顆粒。公式也表明，磨損與水流相對流速的2～3次方成正比，因此速度是影響磨損的關鍵因素。

3.2 水輪機選型

采用適當降低水輪機參數水平，降低相對流速，國外經驗認為對多沙河流電站水輪機的相對流速不大于45 m/ s 比較合適;合理降低比轉速，改變葉片數，優化結構設計，提高葉片加工精度以求減輕沙粒對水輪機的磨損。對于高水頭的多泥沙水電站，且泥沙以石英和其他硬質材料為主時，宜選擇沖擊式水輪機。

3.3、水輪機各主要易損件的抗磨措施

（1）蝸殼：

通常來說蝸殼由于流速較低一般磨損輕微，但是當有推移質進入時，也可使底部磨出溝槽，嚴重的使鋼板穿孔。

因此，殼體可采用低合金鋼，如16Mn。進口處適當加厚。同時，將座環改成帶蝶形邊結構，可使水流更順暢，從而降低磨損。

（2） 頂蓋

水中含沙量大時，轉輪間隙所受磨損增加，大量含沙水流射向頂蓋內，并隨轉輪沿圓周高速運轉，在離心力的作用下，比重較大沙粒就不停地作圓周摩擦運動，對頂蓋構成磨損。一旦頂蓋磨損穿眼，就會引發嚴重漏水，導致機組不能正常運行，同時金屬因磨損嚴重變薄，強度降低振動增加，使水導油盆經常進水。因此頂蓋在含沙水流中磨損嚴重，帶來的影響重大。經研究，在水輪機內設計安裝一道密封止沙裝置，并配套設計制作止漏環、抗磨硅膠和壓板抗磨效果良好。先將受損部位補焊平整后再內襯一層1.2 cm厚不銹鋼護板（以便今后磨損后更換護板），外裝用硅膠制成的抗磨損止沙裝置擋住含沙水流進入頂蓋內部。硅膠在彈性和水壓下緊貼轉輪錐面，在開機運行時，水能給硅膠起到潤滑和降溫作用，因此硅膠輕易不會受到磨損，從而達到抗磨止漏的目的。另外在頂蓋板內加裝挑流板，改變水流形式，亦能減輕磨損。

（3）固定導葉區：

固定導葉區一般有磨損但不嚴重，但是如果對固定導葉形線和安放角不夠重視，則有可能造成水流紊亂，影響能量指標，同時造成磨損加劇。各水電站可根據水輪機模型資料優化固定導葉形線及安放角，合理改變固定導葉個數，材料采用低合金鋼16Mn減輕磨損。

（4）活動導葉：

活動導葉區是磨損非常嚴重的地區，經過一個汛期的運行，很多電站導葉密封面都出現磨損，導致水輪機漏水嚴重，無法停機;由于導葉上下端面與頂蓋底環存在較小的間隙，在導葉內外側壓差的作用下間隙流動是不可避免的，同時由于沿導葉弦長也是順壓梯度，故從外側面斷面間隙進入的水流首先收縮形成漩渦，并使抗磨板流速局部升高，沿斷面進口造成嚴重磨損，即葉形磨損。

因此，可以將導葉采用含鎳量不小于4%以及含鉻量不小于13%的不銹鋼板焊接制造，并焊接到鍛鋼或鑄鋼的不銹鋼導葉桿上或采用不銹鋼整體鑄造，使之具有較好的抗泥沙磨損特性。

同時，可采用新型的導葉端面密封。這種新型的導葉端面密封是端部密封條方案：在每個導葉的上、下端面中線處開有凹槽并壓人可拆卸和可更換的硬質合金、高強度合成材料造成的密封條，密封條與凹槽底接觸的部位配置有橡膠或其它材料以保證導葉端部密封條與頂蓋、底環上的抗磨板緊密接觸，密封延伸至導葉桿，完全地密封住導葉上、下端部之聞的間隙;它隨導葉轉動，并與端部密封條的方向保持一致。另外，適當提高導葉的加工精度，也可以有效地抗泥沙的磨損。

（5）止漏環：

雖然固定止漏環以及與轉輪上環和下環成為一體的轉動止漏環是可拆卸和可更換的，但是在含沙水流中運行的轉輪選擇耐磨性能較好的材料制造這些止漏環，并且使固定止漏環和轉動止漏環具有不同硬度，提高其耐磨性并延長其使用壽命是必要的。所以，止漏環必須用合適的不銹鋼或合金材料制造，轉動和固定止漏環的硬度差不小于布氏硬度40 點。

（6）轉輪：

轉輪作為水輪機轉輪的主要工作部位，在含沙水流中極易磨損，其抗磨損能力直接關系到大修周期及水電站的經濟效益。目前主要的抗磨損方法有：

1）涂抹環氧金剛砂漿抗磨層。在葉片上涂抹環氧金剛砂漿抗磨層，實踐證明抗泥沙磨損效果很好。葉片正面在一個大修期內涂層面積有60 %～70 %較為完好。此方法工藝要求不高，非常經濟，操作簡便，效果良好（不足之處是涂層不能用于空蝕區），應用較廣泛。

2）采用超音速（ HVOF） 噴涂（碳化鎢） 涂層。由原西安噴涂中心采用超音速火焰噴涂技術對轉輪葉片進行了全方位表面涂層防護，經15 284 h 運行后，發現正面涂層完好，厚度無明顯減薄;葉片外緣基本完好。

3）背面及轉輪室環面鋪焊不銹鋼板條。以不銹鋼良好的抗空蝕性保護母材，提高部件的壽命。在青銅峽水電站機組投運以來就使用此方法，但不銹鋼板總是不能與基礎很好地貼合，而且焊縫中不易排渣，焊接缺陷多。在強空蝕區內容易出現焊縫開裂，不銹鋼板穿孔、脫落現象，壽命較短。

4）轉輪葉片外緣加裝裙邊轉輪葉片頭部割圓角，在轉輪葉片進水邊正面磨蝕區加導流板。下環內表面加導流板。

5） 要求制造廠家采用數控銑床把葉片加工成型，并要求葉片表面粗糙度不超過6. 3μm，使之有較小的葉型誤差和光潔度。

（7）底環（后蓋頂）

在多泥沙河流中，底環的磨損也較嚴重。目前水輪機的抗磨板材料多采用抗磨蝕更好的超高分子量聚乙烯抗磨板材，取得了很好效果。在空蝕也較嚴重時，底環抗磨板采用聚氨酯材料中間夾帶鋼骨架形式，抗磨蝕效果很好。這種抗磨板的表面材料具有良好的彈性和韌性，能保證過流表面的型線，并且與整體澆注出的密封條能很好地解決導葉上下端面密封的難題。用這種材料做成V形密封條安裝在導葉立面密封位置，在相鄰導葉的壓緊力下實現了立面無間隙，克服了水流的間隙空蝕。采用高速火焰噴涂技術，可進行金屬噴涂，碳化物噴涂和特殊噴涂，亦可減輕底環的磨損。

3.4合理利用水庫排沙措施

含沙量大于0.5kg/M3或者有害顆粒大于0.2kg/m3，必須采取工程措施排除，如果含沙量很高，即使比較細的顆粒（粒徑0.1-0.05mm），對水輪機磨損仍然十分嚴重。

在黃河上的幾座水電站中，有的水電站在設計時就沒有考慮排沙設施，造成汛期大量泥沙過機;而且使大量粗沙過機，形成水輪機的嚴重磨蝕。如三門峽水電站改變水沙運行方式，汛期打開底孔排沙，使過機泥沙減少50%，粗沙減少 4/5，大大減輕了水輪機的磨蝕，使該電站得以汛期渾水發電。

4、結語：

水輪機因泥沙磨損而導致其能量特性變壞，會造成巨大的經濟損失。因此我們要在吸取各個水電站經驗的基礎上，研究，明確水輪機及其導葉的抵抗泥沙磨損的措施這對于保證水輪機的長期穩定運行和延長其壽命是非常必要的。

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