多沙水域水輪機防水力破壞措施分析

梁 興，李志紅

（南昌工程學院，江西 南昌 330099）

前言

由沖刷磨蝕以及空蝕等現象所造成的水力破壞，對葉片、導水機構、閥門、上冠、底環乃至水工建筑物等水電站過流部件都有一定的危害。受此影響，我國現有水電站，特別是黃河、長江流域的水電站幾乎每年都要進行大修。據不完全統計，由磨蝕造成的電能損失達20億度以上。而且隨著老電站機組日益老化、水文水質條件變化，以及新機組單機容量的日益增大，該水力破壞所造成的危害也將隨之增加。

這種由多相流繞流誘發的水力破壞現象，已經嚴重影響到了水電站工作效能以及水能資源的充分開發。從19世紀后期第一例空化現象被發現以來，國內外學者投入了大量的時間和精力，從多相流體力學、材料力學到葉輪設計、加工工藝、材料應用，從理論分析到試驗論證，多學科交叉研究，雖然取得了一定成果，但仍然存在一定的問題。本文從工程實際和材料科學出發，分析了水力破壞發生的機理，并從排沙設施、水輪機結構設計及工作參數優化、水輪機鑄造用材選擇和抗磨蝕涂層等方面進行討論，并展望了減輕水力破壞損失技術的發展趨勢。

1 多相流誘發的水力破壞現象

水輪機水力破壞現象一般被分為兩大類：沖刷磨蝕和空蝕。雖然它們都可以歸類于多相流誘發的水力破壞，且兩者之間也存在著相互促進的作用，但是它們的工作介質、發生機理以及發生部位卻不盡相同。

1.1 沖刷磨蝕

水流中挾帶著諸如河沙、巖石碎片等固體顆粒，通過轉輪等過流部件時，由于這些固體顆粒不斷的沖擊及切削作用，工作表面很容易出現魚鱗狀或波紋狀的劃痕，這種現象就是沖刷磨蝕，但是運行在清水中的水輪機葉輪表面，卻極少出現這種外貌特征。影響水輪機沖刷磨蝕的主要因素可以總結為表1。

表1 影響水輪機沖刷磨蝕的主要因素

在上述因素中，一般以流速、含沙量、沙粒特性等作為影響磨蝕的關鍵因素。段呂國[1]等認為在水流的沖刷磨蝕中，含沙量存在著一個臨界值，當小于這一臨界值時，沖刷磨蝕將隨著含沙量的增大而增大，如果大于這一臨界值，情況則相反。楚清河[2]等人則通過試驗研究了不同含沙量下磨蝕失重量的變化情況，并給出了一個磨蝕失重量與含沙量之間的參考公式：

其中tw為磨蝕的失重量，單位mg，s為含沙量，單位kg/m3。

Finnie[3]在剛性粒子的假定基礎上，研究了低攻角下沖刷磨蝕的情況，提出了微切削理論，用經驗公式定量表達了沖刷磨蝕率與攻角的對應關系。

GP Tilly[4]則側重于研究邊壁材料，并提出了第二相粒子脫層理論，他認為在實際應用中，邊壁的亞表面材料中夾雜著一些硬質顆粒，兩相流中固體粒子的連續沖擊下，一旦邊壁亞表面內所受應力超過某一值，這些硬質顆粒將自動與母體分離，加速磨蝕。

J.GA.Bitter[5]則著眼于邊壁材料的屈服強度，認為即便沖刷顆粒能量較小，但是經過長期反復沖刷，也會導致邊壁材料產生疲勞裂紋，進而提出疲勞剝落理論。

1.2 空蝕

空蝕與沖刷磨蝕的固液兩相流不同，它是一種氣液兩相流。在水流溫度不變的情況下，當內部壓力降低到某一臨界點后，會發生汽化現象形成空穴，由于水輪機內部流場流速變化劇烈，空穴會在極短的時間內潰滅，形成高速壓力波沖擊到葉片上，使葉片發生塑性變形、材料脫落等變化，在葉片表面上留下點狀、孔狀，甚至是蜂窩狀痕跡。鮑崇高[6]等人通過試驗，驗證了空蝕現象常在葉片背面發生，主要原因是葉片背面壓力分布不均勻，其低壓區易于出現空穴。常見的衡量空蝕的方法見表2。

表2 衡量空蝕的方法

空蝕不僅涉及到了葉片表面的材料因素，比如硬度、抗疲勞性、韌性、表面粗糙度、晶粒尺寸以及耐高溫性等特性，而且與水流酸堿性、流場溫度、水流含氣量、流速等因素有關，同時，氣液兩相流中是否含有固體顆粒對空蝕的危害也有很大影響。科研人員在空蝕機理方面取得了不少進展。比如，G.Bregliozzi[7]等人研究了在相同空蝕條件下，不同硬度材料的抗空蝕特性，并給出了選材的建議。

1.3 空蝕、磨蝕及腐蝕聯合作用

由于水流具有一定酸堿度，而水流中夾帶的顆粒，比如粘滯性較強的土壤碎末等，也會帶有酸堿性，一旦它們附著在過流部件的表面上，化學腐蝕是難以避免的。更重要的是，Wyler[8]通過試驗證實了化學腐蝕和空蝕之間是互相促進的，兩者聯合作用所造成的破壞要遠遠大于單獨作用所產生的破壞。

從理論上分析，空蝕所產生的高溫、水汽及氧，會加快腐蝕速度，而被腐蝕的金屬表面受到疲勞破壞時，也更加容易變形、剝蝕。邢文靜[9]等人采用失重法、表面粗糙度測量等方法，分析了幾種耐磨鋼在不同酸性介質中的磨蝕和空蝕情況后，不僅得出顆粒濃度是影響磨蝕程度的關鍵因素，而且也驗證了腐蝕和空蝕相互間的促進作用。

沖刷磨蝕和空蝕的聯合作用要比上述討論的破壞作用更大，有時甚至比直接噴砂還要嚴重。姜勝利[10]等人通過旋轉圓盤儀對多相流破壞行為進行了研究，結果表明空蝕對失重量的影響隨含沙量的增加而增大，到達轉折點以后，空蝕對失重量的影響趨于穩定。

2 誘發磨蝕和空蝕現象的主要原因

（1）和一些發達國家相比，我國河流含沙量較大，其中黃河（陜縣站）多年平均含沙量為36.9kg/m3，居世界第一，遼河（鐵嶺站）為3.60 kg/m3，長江支流嘉陵江（北碚站）為2.31kg/m3，因此，我國大部分水電站極易受到沖刷磨蝕影響。例如，田莊水電站由于磨蝕作用，轉輪葉片出口處缺口掉邊，導致水輪機效率僅為設計效率的50%；

（2）在 1990年以前，我國水輪機選型的通用方法是型譜法。由于地理位置的不同，實際運行中的水電站經常偏離其設計工況，甚至不在其設計工況下運行，另外還存在著氣候、水文條件的變化及管道效率下降等因素，這導致過流條件惡化，水力損失增大，水輪機性能下降，穩定性較差，極大地增加了空蝕發生的可能性。例如，實測龔嘴水電站2號機組，大修后的平均效率比大修前提高了3.1%；

（3）我國國土面積廣闊，各條河流水質條件比如酸堿性等是不同的，水輪機所用材料，特別是耐蝕涂料如果選擇不當，可能會加速腐蝕現象。例如，萬家寨水電站基本上是清水發電，2號水輪機轉輪采用了法國奈爾皮克技術噴涂了聚氨酯涂層，在很短的運行時間內發生了鼓包和嚴重脫落，但是，采用碳化硅環氧復合涂層的4號水輪機轉輪，在運行1949h之后只有局部脫落，大部分是完好的；而沒有采用抗磨蝕涂層的1號水輪機轉輪在運行13666h后，表面僅有個別輕微空蝕點，轉輪型線完好如初。

3 減輕水力破壞的措施

針對水力破壞產生的原因，國內外學者從防止和防護兩角度出發，在水輪機運行方式、水電站設計、水輪機結構設計、水輪機主體材料應用以及抗磨蝕涂層等方面，進行了大量有益的探索與研究。現總結如下：

3.1 合理布置水工建筑物，減少過機的泥沙量

布置水工建筑物，尤其是取水口以及沖沙底孔的位置時，應考慮泥沙因素，充分利用地形條件，減少泥沙進入，合理設置排沙設施，選擇適當的時間調水調沙。例如，三門峽水電站改變原有排沙方式后，在汛期利用排沙底孔排沙，將過機的泥沙量減少了50%，不僅降低了沖刷磨蝕影響，而且讓水輪機可以在汛期滿負荷發電，充分利用水能資源。

3.2 優化水輪機結構，提高加工工藝

從磨蝕、空蝕機理中可以看出，運行在含沙水域中的水輪機及其過流部件，作為邊壁都是磨蝕、空蝕的一個重要影響因素，特別是水輪機轉輪的設計、用材以及加工工藝更是重中之重。近年來CFD計算的發展更是為分析水輪機結構及翼型空化提供了有力的工具。宋海輝等[10]利用 CFD技術模擬了轉輪抗空蝕性能，并通過實踐證明，驗證了經過抗空蝕改造后，水輪機的抗空蝕性能有很大的提高。

在轉輪鑄造用材上則偏重于選擇硬度高、韌性好、質量分布均勻、疲勞極限高、結晶顆粒細的材料，比如馬氏體不銹鋼 0Cr13Ni4Mo、0Cr13Ni5Mo、ZG06Cr16Ni5Mo等材料。三門峽水電站發電試驗表明，ZG06Cr16Ni5Mo鑄鋼的抗磨蝕性要優于馬氏體不銹鋼0Cr13Ni4Mo。高云濤[11]等人介紹了劉家峽水電站水輪機抗磨蝕性能，該電站水輪機母材為0Cr13Ni5Mo。張小彬[12]等調整合金成分，通過真空精煉工藝，開發了M-CrNiMo不銹鋼，該材料具有較強的抗磨蝕性能，且不易出現裂紋。但是由于加工成本較高，工藝復雜，這類新型材料還有待進一步的研究。

3.3 涂層保護

只要水輪機在含沙水域中運行，至少沖刷磨蝕是必然存在的。因此，水輪機轉輪的涂層保護，無論是涂層材料，還是噴涂工藝，一直都是國內外研究的熱點，并且已取得了顯著成效。噴涂材料有金屬、合金、陶瓷、塑料等多種類別。噴涂工藝則由表面刷涂、堆焊、電鍍，逐漸發展到火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂等，比如東川電站就采用電鍍的方法，在水機表面形成了以稀土鉻合金為主的電鍍層，硬度高達HV1000，具有較好的抗磨蝕性能。張健生等[13]人跟蹤分析了小浪底水電站所采用的聚氨酯涂層和碳化鎢硬涂層抗磨蝕、抗空蝕的效果，給出了有益的建議。

另外，吳鋼[14]等人采用噴丸工藝以強化水力機械的表面，提高了機械材料的疲勞壽命，且利用 ansys軟件進行了數值仿真，并與試驗資料驗證，得出噴丸工藝的有效性。

4 結語

由于我國河流泥沙含量相對較大，沖刷磨蝕和空蝕現象在水輪機運行中不可避免。但受各水電站工作環境等因素的影響，抗磨蝕抗空蝕措施千變萬化，效果也有好有壞。因此，總結磨蝕規律，研究空蝕機理，理清減輕水力破壞的思路，探索抗磨蝕和空蝕的措施，對水電站經濟運行具有很大的參考價值和指導意義，對已投產電站來說，發展新型抗磨蝕材料、采用高新噴涂工藝是提高水電站經濟運行的有力保障。

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