水電站水輪機(jī)磨蝕原因及防護(hù)措施

水電站水輪機(jī)磨蝕原因及防護(hù)措施［摘要］水輪機(jī)中的過(guò)流部件，如水輪機(jī)葉片、轉(zhuǎn)輪本體、導(dǎo)葉、尾水管等，往往會(huì)受到水沙的磨蝕而導(dǎo)致過(guò)流部件表面的金屬流失，使設(shè)備在運(yùn)行中產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，造成設(shè)備運(yùn)行效率低下、大修頻繁、使用壽命縮短，嚴(yán)重影響機(jī)組的穩(wěn)定和安全。文章主要針對(duì)水電站水輪機(jī)磨蝕原因及防護(hù)措施進(jìn)行探討?！娟P(guān)鍵詞】水輪機(jī)過(guò)流部件；磨蝕；防護(hù)方法水輪機(jī)磨蝕是指水輪機(jī)在汽蝕破壞與泥沙磨損的聯(lián)合作用下的破壞現(xiàn)象，這個(gè)問(wèn)題長(zhǎng)期困擾著運(yùn)行在多泥沙河流上的水電站。多年來(lái)，許多水利水電工程技術(shù)人員和科研工作人員做了大量的研究工作，從磨蝕原因的研究到對(duì)磨蝕的防護(hù)以及治理措施技術(shù)等方面都取得一定的成果，對(duì)我國(guó)水輪機(jī)應(yīng)用與防護(hù)做出了很大的貢獻(xiàn)，但是目前仍然有許多問(wèn)題難以解決。本文在這里對(duì)水輪機(jī)的磨蝕以及防護(hù)措施加以研究。1、磨蝕發(fā)生機(jī)理的研究1氣蝕及其機(jī)理汽蝕是指水輪機(jī)的過(guò)流通道中水壓過(guò)低使水汽化產(chǎn)生汽泡和水壓高時(shí)汽泡的凝結(jié)破滅過(guò)程所引起的一系列物理化學(xué)現(xiàn)象對(duì)機(jī)器表面的破壞。這種破壞是一種高壓細(xì)射流沖擊、金屬氧化和電解，對(duì)機(jī)器表面的損壞較為嚴(yán)重。我們經(jīng)常見(jiàn)到的機(jī)器表面針孔形狀、麻面和海綿狀等都是由于汽蝕所造成的。汽蝕在機(jī)器材料表面的破壞無(wú)明顯的方向性，我們不能小看這種破壞，在破壞嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)使水輪機(jī)的葉片很快失效。1.2泥沙磨損泥沙磨損是指水流中含有的泥沙對(duì)水輪機(jī)過(guò)流部件造成的磨損破壞。高速含沙水流經(jīng)過(guò)部件表面時(shí)，會(huì)造成摩擦和切削作用，含沙水流沖擊部件表面的瞬間，可產(chǎn)生高溫高壓使金屬表面氧化，急劇的溫度變化會(huì)引起金屬保護(hù)膜的破壞而導(dǎo)致局部沖蝕。在泥沙的反復(fù)沖擊下，產(chǎn)生交變應(yīng)力加速保護(hù)膜的破壞。在沖蝕過(guò)程中不同材料的沖蝕規(guī)律隨沖蝕角的變化而異。當(dāng)沖蝕角較低時(shí)，材料的沖蝕率有一峰值，這是因?yàn)轫g性材料的微切削是沖蝕的主要機(jī)理，抗沖蝕性能的關(guān)鍵因素是水輪機(jī)葉片的彈性模量；此外流速、沙粒直徑和介質(zhì)流態(tài)等也是重要的影響因素。其中激烈的偏流會(huì)引起局部流速增大，造成材料的局部損壞增加，偏流還會(huì)引起側(cè)向加速度，增加了沙粒和材料表面的接觸應(yīng)力，使材料的沖蝕磨損加劇。1.3磨蝕磨蝕是指在氣蝕與泥沙磨損的聯(lián)合作用下對(duì)水輪機(jī)部件的破壞作用。汽蝕破壞是針對(duì)清水而言的，而泥沙磨損則是針對(duì)水中泥沙的破壞而言。實(shí)際水流之中總有一定量的泥沙存在，所以水輪機(jī)中往往同時(shí)存在汽蝕和泥沙磨損的聯(lián)合作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已建成水電站中有40%的水輪機(jī)存在嚴(yán)重的磨蝕問(wèn)題，所以人們?cè)陉P(guān)注汽蝕和泥沙磨損的同時(shí)，更加著重研究它們的聯(lián)合作用問(wèn)題。研究成果指出：含沙水流中由于有大量的固體微粒存在，這些固體微粒具有不平整的表面，在微觀和亞微觀縫隙中藏有不溶于水的氣體，含沙水流的氣穴數(shù)目遠(yuǎn)比清水水流豐富，提前并加劇了汽蝕的發(fā)生。在氣穴爆炸時(shí)，氣穴附近的固體顆粒又易受到氣穴爆炸沖擊力的影響而獲得加速度，加大了其對(duì)金屬材料的破壞能力。泥沙固有的磨損作用，造成流體邊界條件的變化，即原有的設(shè)計(jì)流線被破壞，從而造成其對(duì)金屬的磨削現(xiàn)象。2、磨蝕的危害1破壞水輪機(jī)的過(guò)流部件；2.2降低水輪機(jī)的出力和效率，年電能損失增加；2.3水輪機(jī)在汽蝕區(qū)運(yùn)行時(shí)，機(jī)組會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈震動(dòng)及負(fù)荷波動(dòng)，機(jī)級(jí)運(yùn)行不穩(wěn)定并引起強(qiáng)烈的噪音；2.4磨蝕縮短了檢修周期，增加了檢修工作的復(fù)雜性和工作量。3、 水輪機(jī)過(guò)流部件磨蝕的防護(hù)1設(shè)計(jì)、制造方面首先是在水輪機(jī)的設(shè)計(jì)以及制造工藝上，設(shè)計(jì)符合流態(tài)的葉片形狀，保證作用在葉片上的壓力分布均勻，并采用抗磨蝕材料，例如采用不銹鋼轉(zhuǎn)輪，提高加工光潔度等。其次是在水電站設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的減沙措施，如修沉池、攔沙檻等，盡量減少過(guò)機(jī)泥沙。選擇合適的水輪機(jī)吸出高度Hs，據(jù)此來(lái)決定水輪機(jī)安裝的高度以減小汽蝕發(fā)生的幾率。3.2運(yùn)行方面優(yōu)化水輪機(jī)運(yùn)行條件，合理選擇工作區(qū)，盡量避開(kāi)在低水頭和低負(fù)荷等容易發(fā)生汽蝕工況下運(yùn)行。必要時(shí)采用補(bǔ)氣裝置，向尾水管補(bǔ)氣，降低真空度，降低氣泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的沖擊力。從而減輕空腔氣蝕破壞。3.3檢修方面堆焊。堆焊是我國(guó)采用較多的一種抗磨蝕處理方法，它的主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、現(xiàn)場(chǎng)施工方便。長(zhǎng)期以來(lái)，在各個(gè)電站普遍采用，尤其是中小型電站上。目前，用于水輪機(jī)抗磨蝕堆焊的焊條主要有高銘鑄鐵型、高Cr-Mn奧氏體型、Cr一Ni奧氏體不銹鋼型和低氫馬氏體不銹鋼型等，其中0Cr13Ni4--6MoRe系列低氫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。堆焊法可使焊層與基體形成冶金結(jié)合，且結(jié)合強(qiáng)度高。但該方法沖淡率大，焊層厚且不均勻，加工量大，對(duì)基體材料的可焊性要求高，不易保證流道型線，焊后容易產(chǎn)生變形，并可能對(duì)過(guò)流部件產(chǎn)生熱影響而降低部件的機(jī)械強(qiáng)度等性能噴焊。在水輪機(jī)磨蝕方面修復(fù)另外常用的一種方法是噴焊法。噴焊法是在噴涂和堆焊基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種表面防護(hù)技術(shù)，利用氧氣乙炔火焰配合專用噴焊槍，將具有特殊性能的自熔合金粉末噴焊到工件基體表面，形成一層均勻的保護(hù)。在這個(gè)過(guò)程中，由于噴焊層經(jīng)過(guò)重熔過(guò)程，所以與基體形成冶金結(jié)合。其結(jié)合強(qiáng)度可高達(dá)(300?500)MPa，覆層為致密無(wú)孔的鑄態(tài)結(jié)晶組織，具有材料省和效率高等優(yōu)點(diǎn)。非金屬涂層法。為了解決水輪機(jī)嚴(yán)重磨蝕的問(wèn)題，在選用非金屬材料方面，可以使用環(huán)氧(EP)金剛砂、S80(美國(guó))、聚氨酯(PU)橡膠(德國(guó))、熱噴涂尼龍和高分子聚乙烯等材料。非金屬涂層屬于高分子材料，可用于水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪室、葉片正面和頭部等非氣蝕區(qū)。目前，我國(guó)用于水輪發(fā)電機(jī)過(guò)流部件的非金屬保護(hù)涂層主要有環(huán)氧(EP)聚合物、復(fù)合尼龍和聚氨酯(PU)系列。環(huán)氧金剛砂由環(huán)氧樹脂為主體輔以多元醇縮水甘油醚為活性稀釋劑，加同化劑組成。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的粘接力，并且施工工藝簡(jiǎn)易，可在常溫下施工。在加溫至(50?60)°C時(shí)與鋼鐵的粘接抗拉強(qiáng)度為(40?60)Mpa，剪切強(qiáng)度為(20?35)Mpa。加入剛性填料金剛砂后抗磨性能優(yōu)異，抗磨系數(shù)是30#鋼的2倍，耐磨蝕性能相當(dāng)于30#鋼。復(fù)合尼龍粉末為灰白色粉末，由高分子材料尼龍、環(huán)氧和多種添加劑經(jīng)復(fù)合處理混合而成，既具有尼龍材料的耐磨、耐沖擊性能，又兼?zhèn)洵h(huán)氧的優(yōu)異的粘接性能。粉末噴涂在表面經(jīng)過(guò)噴沙處理加熱至200°C左右的轉(zhuǎn)輪上，粉末噴涂就熔融流平形成保護(hù)層，經(jīng)固化成膜。具有優(yōu)良的耐磨蝕性能，其抗磨系數(shù)是30#鋼的2?3倍，耐磨蝕性能是30#鋼的1.5倍，粘接強(qiáng)度達(dá)60MPa以上，剪切強(qiáng)度35MPa。聚氨酯橡膠抗磨涂層具有彈性和韌性，能吸收汽蝕破壞能量，對(duì)磨損和汽蝕作用起到以柔克剛的效果?？蛊g能力是1Cr18Ni8的1.5倍，抗磨損能力是鑄鐵的22?24倍，抗腐蝕能力是1Gr13的1.26?1.54倍，是0Cr13Ni4Mo的1.10?1.24倍。以上幾種非金屬涂層材料噴涂于水輪機(jī)葉片等工件表面，能有效抵御流體中泥沙顆粒及空蝕的破壞。從而使工件使用壽