水电站水轮机磨蚀原因及防护措施

水电站水轮机磨蚀原因及防护措施［摘要］水轮机中的过流部件，如水轮机叶片、转轮本体、导叶、尾水管等，往往会受到水沙的磨蚀而导致过流部件表面的金属流失，使设备在运行中产生振动和噪音，造成设备运行效率低下、大修频繁、使用寿命缩短，严重影响机组的稳定和安全。文章主要针对水电站水轮机磨蚀原因及防护措施进行探讨。【关键词】水轮机过流部件；磨蚀；防护方法水轮机磨蚀是指水轮机在汽蚀破坏与泥沙磨损的联合作用下的破坏现象，这个问题长期困扰着运行在多泥沙河流上的水电站。多年来，许多水利水电工程技术人员和科研工作人员做了大量的研究工作，从磨蚀原因的研究到对磨蚀的防护以及治理措施技术等方面都取得一定的成果，对我国水轮机应用与防护做出了很大的贡献，但是目前仍然有许多问题难以解决。本文在这里对水轮机的磨蚀以及防护措施加以研究。1、磨蚀发生机理的研究1气蚀及其机理汽蚀是指水轮机的过流通道中水压过低使水汽化产生汽泡和水压高时汽泡的凝结破灭过程所引起的一系列物理化学现象对机器表面的破坏。这种破坏是一种高压细射流冲击、金属氧化和电解，对机器表面的损坏较为严重。我们经常见到的机器表面针孔形状、麻面和海绵状等都是由于汽蚀所造成的。汽蚀在机器材料表面的破坏无明显的方向性，我们不能小看这种破坏，在破坏严重的时候会使水轮机的叶片很快失效。1.2泥沙磨损泥沙磨损是指水流中含有的泥沙对水轮机过流部件造成的磨损破坏。高速含沙水流经过部件表面时，会造成摩擦和切削作用，含沙水流冲击部件表面的瞬间，可产生高温高压使金属表面氧化，急剧的温度变化会引起金属保护膜的破坏而导致局部冲蚀。在泥沙的反复冲击下，产生交变应力加速保护膜的破坏。在冲蚀过程中不同材料的冲蚀规律随冲蚀角的变化而异。当冲蚀角较低时，材料的冲蚀率有一峰值，这是因为韧性材料的微切削是冲蚀的主要机理，抗冲蚀性能的关键因素是水轮机叶片的弹性模量；此外流速、沙粒直径和介质流态等也是重要的影响因素。其中激烈的偏流会引起局部流速增大，造成材料的局部损坏增加，偏流还会引起侧向加速度，增加了沙粒和材料表面的接触应力，使材料的冲蚀磨损加剧。1.3磨蚀磨蚀是指在气蚀与泥沙磨损的联合作用下对水轮机部件的破坏作用。汽蚀破坏是针对清水而言的，而泥沙磨损则是针对水中泥沙的破坏而言。实际水流之中总有一定量的泥沙存在，所以水轮机中往往同时存在汽蚀和泥沙磨损的联合作用。据统计，我国已建成水电站中有40%的水轮机存在严重的磨蚀问题，所以人们在关注汽蚀和泥沙磨损的同时，更加着重研究它们的联合作用问题。研究成果指出：含沙水流中由于有大量的固体微粒存在，这些固体微粒具有不平整的表面，在微观和亚微观缝隙中藏有不溶于水的气体，含沙水流的气穴数目远比清水水流丰富，提前并加剧了汽蚀的发生。在气穴爆炸时，气穴附近的固体颗粒又易受到气穴爆炸冲击力的影响而获得加速度，加大了其对金属材料的破坏能力。泥沙固有的磨损作用，造成流体边界条件的变化，即原有的设计流线被破坏，从而造成其对金属的磨削现象。2、磨蚀的危害1破坏水轮机的过流部件；2.2降低水轮机的出力和效率，年电能损失增加；2.3水轮机在汽蚀区运行时，机组会产生强烈震动及负荷波动，机级运行不稳定并引起强烈的噪音；2.4磨蚀缩短了检修周期，增加了检修工作的复杂性和工作量。3、 水轮机过流部件磨蚀的防护1设计、制造方面首先是在水轮机的设计以及制造工艺上，设计符合流态的叶片形状，保证作用在叶片上的压力分布均匀，并采用抗磨蚀材料，例如采用不锈钢转轮，提高加工光洁度等。其次是在水电站设计时，应当采取相应的减沙措施，如修沉池、拦沙槛等，尽量减少过机泥沙。选择合适的水轮机吸出高度Hs，据此来决定水轮机安装的高度以减小汽蚀发生的几率。3.2运行方面优化水轮机运行条件，合理选择工作区，尽量避开在低水头和低负荷等容易发生汽蚀工况下运行。必要时采用补气装置，向尾水管补气，降低真空度，降低气泡溃灭时产生的冲击力。从而减轻空腔气蚀破坏。3.3检修方面堆焊。堆焊是我国采用较多的一种抗磨蚀处理方法，它的主要优点是设备简单、技术成熟、现场施工方便。长期以来，在各个电站普遍采用，尤其是中小型电站上。目前，用于水轮机抗磨蚀堆焊的焊条主要有高铭铸铁型、高Cr-Mn奥氏体型、Cr一Ni奥氏体不锈钢型和低氢马氏体不锈钢型等，其中0Cr13Ni4--6MoRe系列低氢马氏体不锈钢焊条具有较好的抗磨蚀性能，其抗磨蚀能力为1Crl8Ni9Ti(A102)的2倍左右。堆焊法可使焊层与基体形成冶金结合，且结合强度高。但该方法冲淡率大，焊层厚且不均匀，加工量大，对基体材料的可焊性要求高，不易保证流道型线，焊后容易产生变形，并可能对过流部件产生热影响而降低部件的机械强度等性能喷焊。在水轮机磨蚀方面修复另外常用的一种方法是喷焊法。喷焊法是在喷涂和堆焊基础上发展起来的一种表面防护技术，利用氧气乙炔火焰配合专用喷焊枪，将具有特殊性能的自熔合金粉末喷焊到工件基体表面，形成一层均匀的保护。在这个过程中，由于喷焊层经过重熔过程，所以与基体形成冶金结合。其结合强度可高达(300〜500)MPa，覆层为致密无孔的铸态结晶组织，具有材料省和效率高等优点。非金属涂层法。为了解决水轮机严重磨蚀的问题，在选用非金属材料方面，可以使用环氧(EP)金刚砂、S80(美国)、聚氨酯(PU)橡胶(德国)、热喷涂尼龙和高分子聚乙烯等材料。非金属涂层属于高分子材料，可用于水轮机活动导叶、转轮室、叶片正面和头部等非气蚀区。目前，我国用于水轮发电机过流部件的非金属保护涂层主要有环氧(EP)聚合物、复合尼龙和聚氨酯(PU)系列。环氧金刚砂由环氧树脂为主体辅以多元醇缩水甘油醚为活性稀释剂，加同化剂组成。环氧树脂具有优异的粘接力，并且施工工艺简易，可在常温下施工。在加温至(50〜60)°C时与钢铁的粘接抗拉强度为(40〜60)Mpa，剪切强度为(20〜35)Mpa。加入刚性填料金刚砂后抗磨性能优异，抗磨系数是30#钢的2倍，耐磨蚀性能相当于30#钢。复合尼龙粉末为灰白色粉末，由高分子材料尼龙、环氧和多种添加剂经复合处理混合而成，既具有尼龙材料的耐磨、耐冲击性能，又兼备环氧的优异的粘接性能。粉末喷涂在表面经过喷沙处理加热至200°C左右的转轮上，粉末喷涂就熔融流平形成保护层，经固化成膜。具有优良的耐磨蚀性能，其抗磨系数是30#钢的2〜3倍，耐磨蚀性能是30#钢的1.5倍，粘接强度达60MPa以上，剪切强度35MPa。聚氨酯橡胶抗磨涂层具有弹性和韧性，能吸收汽蚀破坏能量，对磨损和汽蚀作用起到以柔克刚的效果。抗汽蚀能力是1Cr18Ni8的1.5倍，抗磨损能力是铸铁的22〜24倍，抗腐蚀能力是1Gr13的1.26〜1.54倍，是0Cr13Ni4Mo的1.10〜1.24倍。以上几种非金属涂层材料喷涂于水轮机叶片等工件表面，能有效抵御流体中泥沙颗粒及空蚀的破坏。从而使工件使用寿