中小型水轮机磨蚀及防护方法

2010-04-09易忠桂陈芳孙毅

湖南水利水电 2010年5期

关键词：气蚀冲蚀过流

易忠桂陈芳孙毅

（湖南水利水电职业技术学院长沙市410131）

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，往往会受到泥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。

1 磨蚀发生机理的研究

1.1 气蚀及其机理

气蚀是指在低压流动的液体中，溶解的气体或蒸发的气体（气泡）在破灭时对材料表面形成高压细射流冲击所造成的破坏。被磨蚀面的针孔、麻面和海绵状等都属于气蚀磨蚀的特征，破坏无明显的方向性，严重时水轮机叶片会很快失效。在水轮机流道中经常出现旋涡、脱流现象，由于旋涡中心压力较低，所以容易发生气蚀磨蚀；脱流会引起水流紊乱扰动，从而使水流与过流部件表面形成一定角度的冲击流，故水流的局部损失增大、比压能降低且产生气损，脱流还会引起水流流速加快，致使磨蚀速率增加。气蚀的破坏形式主要与裂纹形成和裂纹扩展有关。在初期阶段，气蚀破坏主要表现为材料的塑性变形、气蚀坑和裂纹的形成，故材料的耐气蚀能力在此阶段主要取决于抗塑性变形能力与抗裂纹能力；在过渡与稳定气蚀阶段，由裂纹扩展引起的剥落现象为气蚀的主要破坏方式，故此阶段材料的耐气蚀能力主要取决于材料的抗裂纹扩展能力，而材料的抗裂纹扩展能力又与材料的硬度有关，即材料的抗气蚀性能与材料的硬度成正比。

1.2 泥沙磨损

泥沙磨蚀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腐蚀。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。

另外，某些坚硬的泥沙颗粒且有尖锐的棱角，当它们以很高的速度冲击金属表面时，冲击点的局部应力大于材料的破坏强度时，会引起金属表面细微颗粒逐步脱落。泥沙磨损的现象是:金属表面形成沟槽、波纹及鱼鳞坑，其方向与水流方向一致。

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，泥沙磨损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蚀的联合作用。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能力。

2 水轮机过流部件磨蚀的表面防护

2.1 设计、制造方面

改善水轮机叶片翼型设计。改善端部形状，使转轮叶片呈光滑流线型，适应水流流线；最大限度使叶片上的压力分布均匀，缩小低压区；叶片背面无隆起的不平整现象，出口边较薄。同时合理选择吸出高度。水轮机气蚀破坏与吸出高度密切相关，选择合适的吸出高度，并相应选就低的数据，可以减轻气蚀破坏，但是会增加厂房开挖深度，增加电站修建成本。

选用耐磨蚀材料在材料和工艺上符合设计要求，并尽可能提高表面光洁度，增加部件表面韧度和硬度。

2.2 运行方面

优化水轮机运行条件，合理选择工作区，尽量避开在容易发生汽蚀工况下运行。必要时向转轮出口补气，将空气送进气蚀区域，降低真空度，降低气泡溃灭时产生的冲击力，从而减轻气蚀破坏。

2.3 检修方面

（1）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铬铸铁型、高Cr—Mn奥氏体型、Cr—Ni奥氏体不锈钢型和低碳马氏体不锈钢型等，其中0Crl3Ni4—6MoRe系列低碳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。

浏阳株树桥水电站的水轮机转轮叶片部位发生轻微的磨蚀，并伴有叶片端部的裂纹，在大修过程中，采用堆焊并打磨抛光的修复措施，取得很好的效果。

（2）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。

（3）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EP聚合物、复合尼龙和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，加固化剂组成。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）℃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℃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60 MPa以上，剪切强度35 MPa，替代工件表面抵御流体中泥沙颗粒及空蚀的破坏，从而使工件使用寿命延长，保证了使用期的效率。