水電站水輪機磨損原因及防護措施

黑麋峰抽水蓄能有限公司 湖南長沙 410213

摘要：水輪機磨蝕是指水輪機在汽蝕破壞和泥沙磨損的聯合作用下的破壞情況，這個問題一直困擾著運行在多泥沙河流上的水電站。水輪機中的過流部件，像水輪機葉片、轉輪本體、導葉、尾水管等，常常會受到水沙的磨蝕而造成過流部件表面的金屬流失，讓設備在運行中出現振動與噪音，導致設備低下的運行效率、頻繁大修、縮短使用壽命，嚴重影響機組的穩定與安全。文章關鍵針對水電站水輪機磨蝕因素和防護措施實施探討。

關鍵詞：水輪機過流部件；磨蝕；防護方法

1、水輪機的關鍵磨損形式

1.1氣蝕

汽蝕是指水輪機的過流通道中水壓太低讓水汽化形成汽泡與水壓高時，汽泡的凝結破滅經過所引發的一連串物理化學情況對機器表面的破壞。這種破壞是一種高壓細射流沖擊、金屬氧化與電解，對機器表面相對嚴重的損壞。我們常常見到的機器表面針孔形狀、麻面與海綿狀等都是以為你氣蝕所導致的。氣蝕在機器材料表面的破壞沒有顯著的方向性，我們不可以小看這種破壞，在破壞嚴重的時候會讓水輪機的葉片非常快失效。

1.2泥沙磨損

泥沙磨損是指水流中含有的泥沙對水輪機過流部件導致的磨損破壞。高速含沙水流通過部件表面時，會導致摩擦與切削功能，含沙水流沖擊部件表面的瞬間，能形成高溫高壓讓金屬表面氧化，溫度的急劇變化會引發金屬保護膜的破壞而造成部分沖蝕。在泥沙的重復沖擊下，形成交變應力加速保護膜的破壞。在沖蝕經過中不一樣材料的沖蝕規律隨沖蝕角的改變而異。當沖蝕角相對低時，材料的沖蝕率有一峰值，這是由于韌性材料的微切削是沖蝕的關鍵機理，抗沖蝕功能的重要原因是水輪機葉片的彈性模量；另外流速、沙粒直徑與介質流態等也是關鍵的影響原因。當中激烈的偏流會引發部分增大流速，導致增加材料的部分損壞，偏流還會引發側向加速度，讓沙粒與材料表面的接觸應力增加了，加劇了材料的沖蝕磨損。

1.3沖蝕和氣蝕的復合磨損

高速水流在含量有泥沙與氣泡的狀況下對流過的材料形成磨損被稱之為沖蝕和氣蝕的復合磨損，一般水電行業把其稱之為磨蝕。水輪機形成沖蝕和氣蝕的復合磨損關鍵是在水、氣與沙的一起作用下產生的，這是中國水電設備嚴重受磨蝕的關鍵因素。

2、水電站水輪機的防護

2.1優化水輪機設計

經過查看分析，高流速、脫流、旋渦等都會讓水輪機的磨損加大。所以，在水輪機的設計和制造工藝上，葉片的形狀要跟水流流態相符，而且作用在葉片上一定要分布平均的壓力，此外使用抗磨蝕材料像不銹鋼轉輪，提升加工光潔度等，能進一步提高過流部件的抗磨能力。為了保證葉片的葉型更加準確，能應用數控機床對葉片實施精加工，減小葉片的流道誤差而且過流表面光滑，能夠更好地保證過流部件的抗磨蝕能力。

2.2減少過機泥沙

在水電站早期的建設經過中，中國有過很多的經驗和教訓，像在每年汛期時，水流中的泥沙非常多，水電站設施不到位的排沙，從而讓過機泥沙對水輪機導致非常大的磨蝕。所以，在實施水電站設計時就必須要思考怎樣把泥沙經過水輪機流道減少，像設置必然容量的沉沙池、排沙洞等設施；此外，使用蓄清排渾、洪水排沙、平水發電等形式，也能夠相對好地處理排沙和發電的關系。

2.3環氧金剛砂防護

環氧金剛砂分子構造緊密，這涂層能夠有效把酸、堿等腐蝕性介質對基材的擴散滲透能力減少或隔絕，而且具備低廉價格、簡易施工與抗磨性能好等特征，可以對泥沙磨蝕的非空化區起到有效的保護功能。在七十年代三門峽水電站第一次使用了這技術，應用這涂層完成了對水輪機葉片正面、固定導葉、中環等位置的保護；此后在多個水電站實施試驗，結果說明這涂層對水輪機過流部件的非氣蝕區有非常好的保護功能。但對于嚴重氣蝕區，這涂層的防護結果不是很理想。

2.4聚氨酯防護

聚氨酯為有機高分子化合物，這涂層在抗氣蝕磨損方面具備非常好的效果。聚氨酯涂層能夠吸收泥沙顆粒的沖擊力，而且具備耐磨、高強度、彈性大等特征。但涂層相對差的抗硬物沖擊與割傷能力，局部一旦被劃傷，會導致大面積脫落，或由于不夠的粘接強度，常常機組運行時間不長涂層便大面積或全體脫落。現在，我國已經研制成功粘接強度達到30MPa的聚氨酯涂層，目前在各大水電站宣傳應用。

2.5堆焊

堆焊是中國使用相對多的一種抗磨損解決辦法，它的關鍵優勢是簡單的設備、成熟的技術、現場施工方便。一直以來，在每一個電站廣泛使用，特別是中小型電站上。現在，高鉻鑄鐵型、高Cr―Mn奧氏體型、Cr一Ni奧氏體不銹鋼型與低氫馬氏體不銹鋼型等是關鍵用于水輪機抗磨蝕堆焊的焊條，當中0Cr13Ni4--6MoRe系列低氫馬氏體不銹鋼焊條具備相對好的抗磨蝕功能，其為1Crl8Ni9Ti（A102）2倍左右的抗磨蝕能力。堆焊法能讓焊層和基體產生冶金結合，而且結合強度高。但這辦法沖淡率大，焊層厚而且不平均，焊后容易出現變形，并也許對過流部件形成熱影響而把部件的機械強度降低等功能。

2.6噴焊

在水輪機磨損方面修復另外常用的一種辦法是噴焊法。在這個經過中，因為噴焊層通過重熔經過，因此和基體產生冶金結合。其結合強度能高達（300～500）MPa，覆層為致密無孔的鑄態結晶組織，具備省材料與高效率等優勢。

2.4高速氧燃噴涂碳化鎢防護

丙烷、丙稀與氧氣運用超音速火焰噴涂槍，通過混合燃燒后，在1 500m/s以上的形成速度高溫氣流，同時在噴嘴處它會把高壓空氣送入的碳化鎢粉末粉末熔化，而且形成500m/s左右的高速射流，從而平均地把熔化后的粉末噴涂在材料表面上，產生高密度的加強涂層。這種涂層盡管在抗氣蝕、抗硬物沖擊方面相對弱，但對泥沙磨損具備非常好的抵抗能力。在不受硬物撞擊的非氣蝕區，就算含沙量非常高的河水中磨蝕率也會降低不少。碳化鎢涂層是現在最為有效的表面防護辦法，但需要專門的噴涂設備，相對高的成本。

3、抗磨損其他措施

3.1 過流部件選材和噴涂處理水輪機轉輪、活動導葉、抗磨板等關鍵過流部件使用抗氣蝕、磨損功能好與焊接功能好的不銹鋼制做。在轉輪部分容易磨蝕位置使用進一步防護方法像噴焊碳化鎢涂層等。

3.2 使用泵板與無接觸間隙密封的是機組主軸密封，使用泵板與無接觸間隙密封的是工作密封，材料不銹鋼的是泵板，把上止漏環處泄漏水排入頂蓋排水腔的是經過泵板作用，把水排到集水井的是頂蓋排水腔的排水管。靜止部分和轉動部分是工作密封不接觸的，壽命長的密封，冷卻或潤滑在正常運行是不用的，避免固體進入主軸密封的轉輪密宮環，把主軸密封的磨損防止了。

3.3 為避免汛期轉輪磨損破壞修復延誤機組運行就要選用備用轉輪，影響發電，在相對高含沙量的電站配置備用轉輪，方便更換一臺機組轉輪時，備用轉輪投入應用。

結語：

水輪機磨損的因素多樣復雜，對其研究是多個學科的系統項目。其磨損機理與處理方法的研究是避免與減輕汽蝕的一個關鍵課題。水輪機的磨蝕防護一定要參考每一個水電站的詳細水文環境條件，依據各個電站、機組的本身狀況，甚至細化到不一樣部件的詳細部位，有針對性地使用行之有效的方法，有效地保護水輪機的抗磨蝕能力，從而更好地保證水輪機組的安全穩定運行。

參考文獻：

[1]王華仁，孫川寧.水輪機過流部件的磨蝕與表面防護[J].華電技術，2008，30（5）：30-32.

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