泥沙粒径级配对水轮机材料磨蚀性能的影响

2011-06-12任岩

水力发电 2011年8期

任岩

（华北水利水电学院，河南郑州 450011）

0 引言

为了用更加科学的方法防治和减轻黄河上水电站的泥沙磨蚀，有必要对水轮机的磨蚀特性进行系统研究，为黄河上水电站的合理调度与磨蚀表面防护等提供科学依据。

理论研究和实践都表明，水轮机过流部件的磨蚀除了与水流的含沙量、水流速度有关系之外，还与泥沙的矿物成分组成及比例、沙粒的粒径及级配有直接关系[1]。测定在不同泥沙粒径和不同级配条件下水轮机材料的磨蚀失重量与磨蚀失重率，可判断材料的磨蚀失效特性。

1 泥沙粒径级配

试验沙样取自三门峡库区的原型沙。泥沙级配的粒径分别为： d1=100～250 μm； d2=50～100 μm；d3=25～50 μm； d4=10～25 μm； d5≤10 μm。泥沙粒径级配曲线如图1所示。

图1 泥沙粒径级配曲线

2 水轮机材料的磨蚀与沙粒粒径的关系

图2 各流速下材料磨蚀与沙粒径关系曲线

水轮机材料选用马氏体不锈钢。为了描述不同时段材料磨蚀与泥沙粒径的关系，绘制了各流速时各时段材料的磨蚀失重量Wt（mg）与沙粒粒径d（μm）的关系曲线（见图2）。还对不同时段的曲线进行了回归计算，以磨蚀累计时间给出了磨蚀量与泥沙粒径关系的回归式，分别镶嵌于各图中，R2表示磨蚀量与沙粒粒径的相关系数。材料磨蚀量与泥沙粒径具有良好的相关性。

由图2可以看出，在设定的流速V＝20～40 m/s范围内，材料的磨蚀量随泥沙粒径的增大而增大，材料的失重与泥沙粒径呈幂函数关系。对数据进行回归分析得到本试验中2Cr13材料的磨蚀回归式

式中，Wt为材料的失重量，mg；K为与材料、含沙量、沙粒形状与矿物成分等有关的系数，由试验确定；d为试验泥沙粒径，μm；n为粒径d的幂，本试验中，n＝1.050 7～1.435 1，平均 n=1.182 9。

3 水轮机材料相对磨蚀强度与泥沙粒径级配的关系

为了比较不同泥沙粒径级配情况下的材料磨蚀特性，以d=25～50 μm时的磨蚀强度为1，建立材料的相对磨蚀强度与泥沙粒径级配的关系曲线（见图 3、 4）。

图3 材料相对磨蚀强度与泥沙粒径的关系

3.1 材料磨蚀与泥沙粒径关系的一般规律

图4 材料在不同泥沙粒径时磨蚀强度对比

由图3可以看出，在流速V=20～45 m/s范围内，材料的相对磨蚀强度趋向于同一曲线；而且，均在d50=33.2 μm处出现转折点，这说明当d＞d50时，材料的磨蚀率加大；材料磨蚀与泥沙粒径级配的关系在不同流速下遵循同一规律，近似呈幂函数关系，幂指数，n＝1.030 7～1.435 1。泥沙粒径较小时，相对磨蚀强度较小，泥沙粒径增大时，相对磨蚀强度随之增大。d=10 μm时的相对磨蚀强度仅是d=25～50 μm 时的 16%，而 d=100～250 μm 时的相对磨蚀强度则是d=25～50 μm时的2.6倍。近年来，黄河各水电站的过机泥沙中值粒径在10～100 μm之间，当泥沙粒径d大于25 μm时，对水轮机的磨蚀作用会显著加大。