水輪機抗磨損問題研究

肖翔

摘 要：水輪機是水電站不可或缺的動力設備之一，在水電站所有的動力設備中，工作環境最為嚴酷的當屬水輪機。在當前的水輪機運行過程中，水輪機過流部件磨蝕現象對水輪機的正常運行有非常大的影響，因此，分析和研究影響泥沙磨蝕的原因，并找到合適的解決方法，對水輪機運行過程中的安全問題的解決具有重要的指導意義。

關鍵詞：水輪機；泥沙磨損；嚴重性；影響因素；抗損措施

1 泥沙磨損問題的嚴重性

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。我國大部分地區水土流失比較嚴重，河流中大量的泥沙導致水輪機的泥沙磨損問題尤為突出。泥沙磨損可使水輪機過流部件遭受不同程度的破壞，在流速較高的轉輪、導葉部件中破壞更為嚴重，有些破壞甚至無法修復。當高速的水流夾帶著泥沙撞擊固體表面時，大的沖擊應力可能超過材料的屈服極限而使材料發生塑性變形，小的沖擊應力由于頻率高會導致材料疲勞損壞。磨蝕造成的損失很多。首先是磨蝕會導致水輪機的效率變低，發電量會減少。水輪機效率降低的具體表現為水能效率，容積效率以及機械效率的大幅度降低。其次是水輪機的安全性會因為磨蝕而降低。水輪機由于磨損會加劇水輪機組的振動，關機時間也會延長，還有漏水問題都會影響水輪機組的安全運行。最后，水輪機的運行成本由于磨蝕而增加了，電站的經濟效益也因此而下降。發電量和安全性能的降低致使維修的工作量增加，維修周期縮短了，維修時間變長了，自然會增加維護的成本，經濟效應也就隨之下降了。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。據不完全統計顯示，我國中小型水電站中，約有30%左右的水輪機存在泥沙磨損問題，導致水輪機出現進水閥嚴重漏水，甚至還會出現無法正常停機和開機，部分水輪機的葉片出現斷裂或者裂紋問題，影響水輪機的正常運轉。 因此探討水輪機的防泥沙磨損問題具有重要的經濟意義和社會意義。

2 水輪機泥沙磨損防護措施

2.1 影響磨損的因素分析

泥沙對水輪機的磨蝕作用主要取決于水輪機的工作條件、水流的含沙特性、過流部件的材質等。水輪機的工作條件主要包括過機水流流速、過流歷時、水流摻氣、流態等；水流的含沙特性主要包括泥沙含量、顆粒級配、形狀、礦物質含量及硬度等。在影響磨損程度的因素中，以過機水流流速的影響最為顯著，一般磨損量與其成3次方關系。磨損強度與含沙量、顆粒粒徑成線形關系。

2.2 減少泥沙磨損的措施

（1）采用合理的設計

首先，設計中應根據水輪機的過機含沙量、泥沙中值粒徑及泥沙礦物成份等條件，選用單位轉速相近或略低，單位流量適當減小，模型空化系數適當降低，模型效率較高的新型轉輪，并合理加大導水葉分布圖相對直徑，改進導水葉型線，降低和勻化導葉區流速；其次，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，設置行之有效的沉、排沙建筑物，非常顯著和有效的能排除水流中的泥沙，抗泥沙磨蝕效果非常顯著，可以在水電站的樞紐設計當中充分利用本地的地形，對于底孔、流道進口高程等水工建筑進行合理的布置，來減少和防止粗顆粒泥沙過機，或者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；再次，含沙水流電站，當機型確定后，水輪機結構設計要采取措施減輕磨損，做到容易維護和更換被磨損部件。總原則是使高速含沙水流與部件的接觸面積盡可能小，并避免水流持續沖刷、急劇變化或方向突變。

（2）做好日常維護管理

泥沙磨損和汽蝕都隨水流速度的增加而急劇加大。低水頭或者過負荷運轉時，通過過流部件的水流速度增大，汽蝕和磨損速度必然增加，因此必須避免這兩種工況盡量保持在額定工況運行。比如可以根據一般情況下進入機組中泥沙的含量以及特性，適當減小水輪機的速度，降低過機的流速，改進水力和結構設計，或選用抗磨損的材料及保護涂層等合理的運行方式。而且，在非常時期如潮汛期間泥沙量有明顯增大，可以采取必要的過濾排泥措施或短時間停運，從而對水輪機進行保護，延長期使用壽命。來水含沙量較多時，應邊運行邊開啟渠首沖砂閘門拉沙；當洪水過大或含沙量超標時，停機敞開沖沙閘門拉沙；汛后清水挾沙能力強，充分利用檢修等停機機會清水沖淤。汛期前池也須定期沖沙，定期人工清理前池中堆積的石塊。

（3）加強水輪機過流部件的表面防護

由于水流中含有一定硬度的泥沙、石塊等顆粒狀物體，這些物體高速進入機組后，對機組產生很強的撞擊、切削破壞。針對這種磨蝕破壞情況，則要采用有一定硬度的抗磨蝕防護材料。目前主要有復合樹脂金剛砂技術、耐磨焊條技術、熱鍍硬鉻技術、金屬陶瓷技術等。這類抗磨蝕防護技術稱為“硬抗”。復合樹脂金剛砂材料硬度高，有較高的邵氏硬度，可提高過流部件抗沖擊和磨損的性能，適用于葉輪正面的磨蝕防護。聚氨酯彈性體技術抗磨蝕性能好，具有一定的彈性，有較好的抗撕裂強度，可防止高速水流中砂粒、石塊對葉片產生劃傷和撕裂破壞，適用于葉輪背面的氣蝕防護。

3 結語

河水中不可避免的帶有大量的沙質，水輪機在高速運行過程中，含沙水流會不斷沖刷部件表面，會不斷摩擦形成切削效果，特別是當部件的較弱或有缺陷的表面區域被堅硬、尖利的沙粒沖刷后，更容易對金屬表層產生切削，日久天長、不斷磨損。因此，在今后水輪機選擇時，應充分考慮抗磨損問題，結合電站運行的實際情況，選擇合適的機型，同時做好運行過程中的維護工作，提高水輪機的抗磨蝕能力，更好的地確保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.

（作者單位：湖南省電力公司東江水力發電廠）