水轮机磨蚀与防护措施的研究

刘 敏

大唐衡阳发电股份有限公司，湖南衡阳 421001

1 概述

水力资源是我国最为丰富的自然清洁能源，我国的水电装机总容量目前为世界首位，已经突破2.3亿千瓦，为国家的经济发展提供了有力保障。在使用水力发电的过程中，水轮机会受到泥沙、气蚀及水流中腐蚀性物质的磨蚀，而水轮机的出力及其使用年限都会受到水轮机磨蚀的影响，并进而影响电站的效益以及电站的安全运行。如何防护水轮机的磨蚀一直是我国许多水电站的一个重大课题，多年来许多科研人员对此进行了大量的研究工作。

2 水轮机磨蚀的原因分析

水轮机的磨蚀是在常年的运行过程中慢慢积累下来的。目前我们已经探明泥沙磨损、气蚀破坏、耦合作用等是水轮机产生磨蚀的主要原因。

2.1 泥沙磨损

河水中包含的泥沙会对水轮机的过流部件造成磨损破坏，这就是泥沙磨蚀。水流的含沙特性、过流部件的材质、水轮机的工作条件等都是导致该种磨损产生的主要因素。河水中不可避免的带有大量的沙质，水轮机在高速运行过程中，含沙水流会不断冲刷部件表面，会不断摩擦形成切削效果，特别是当部件的较弱或有缺陷的表面区域被坚硬、尖利的沙粒冲刷后，更容易对金属表层产生切削，日久天长、不断磨损。

另外，由于水电站地理位置的不同，水轮机被磨损的程度也不一样。即使是同样的水轮机，如果在水质较清的河流或具有较大库容的水电站中使用，因河水中的泥沙较少，其受到的磨损程度也会轻微得多。从严格意义上来说，只要水流中含有沙粒，水轮机就会受到泥沙的磨损。此外，河流汛期是水轮机遭受泥沙磨损最严重的时期，因为汛期水流中的含沙度是最高的。

2.2 气蚀磨损

气蚀磨损是指水轮机过流通道内流动的水体中由于水压过低，从而使水汽化产生的微小气泡在其形成、发展、溃灭过程中对水轮机过流部件所产生的物理化学侵蚀作用。

气泡的形成溃灭过程是随着水流的连续不断高速流动，以很高的频率连续的进行。气泡在破裂的过程中所产生的冲击波其冲击速度达到100m/s～400m/s，冲击范围为1μm～25μm，压强达到100MPa～1000MPa；它伴随着微射流对水轮机过流部件的表面进行连续的冲击。这种冲击破坏的作用面积虽然小，但由于能量和密度高，所产生的冲击深度大且频繁，从而使过流部件表面出现麻点、针孔等，严重时甚至产生蜂窝或海绵状裂纹。

2.3 耦合作用

2.3.1 泥沙磨损与气蚀磨损的耦合

这两类破坏一般都会同时发生，并产生迭加效果。通常泥沙磨损是水轮机磨蚀的主要原因，而气蚀则会加快这种进度。泥沙磨损会造成过流部件表面形成局部凹坑或更加粗糙，而材料表面的粗糙和局部凹坑又会为气蚀的产生提供有利条件。在气蚀的作用下，过流部件表面会更加疏松、更易被泥沙磨损掉。这样在两者的同时作用下，水轮机表面材料抗疲劳度越来越降，从而产生耦合作用，两种破坏共同作用，加剧了水轮机的磨蚀。

2.3.2 磨蚀与震动的耦合

很多时候，大家都忽视了震动对于磨蚀的促进作用。水轮机在高速运转时气泡会发生破裂，其留下的空间会受到剧烈的水流冲击，从而造成紊流的脉动引起水轮机的剧烈震动。受震动的影响及在惯性作用下，已经破坏的微气泡体积，在脱离叶片的瞬间，受到水流的冲击后会对水轮机过流部件加剧磨蚀。

2.3.3 电化学作用与磨蚀的耦合

科研人员曾对水电站过机水流做了大量相关实验，通过物理指标检测，水中大量富含溶解氧，这是一种带电粒子。它会在合适的环境中析出，并且经过复杂的物理化学变化过程，转变为臭氧，从而对水轮机表面产生化学腐蚀。

另外，气泡在破裂的时候，附带的能量会随之释放并对过流表面不断打击，从而在部件局部产生高温，最高可达300℃，材料局部受热后会与周围材料出现温差，产生热电偶，同时伴随气泡破裂的不断击打，在材料内部形成微电流并产生电解电离，导致电化腐蚀。在此过程中，水中含有的一些矿物质就会发生质变，使部件附近的水变为腐蚀性溶液，再次造成过流部件表面的化学腐蚀，使得磨蚀进一步加剧。

3 水轮机磨蚀的防护措施

水轮机产生磨蚀的原因涉及到多种因素，结合湘江流域自身水资源的具体环境因素，开展了多方面的研究及探索，并分析了该区域水轮机磨蚀的规律，总结出以下有效措施可进行水轮机磨蚀的防护。

3.1 涂层防护

水轮机过流部件表面涂层防护技术已经比较成熟，目前国内外常用于表面涂层防护的方法有环氧金刚砂涂层防护、聚氨酯涂层防护、抗磨焊条堆焊防护、碳化钨喷涂水轮机磨蚀防护。

3.1.1 环氧金刚砂涂层防护

环氧金刚砂分子结构紧密，该涂层可以有效减少或隔绝酸、碱等腐蚀性介质对基材的扩散渗透能力，且具有价格低廉、施工简易和抗磨性能好等特点，能对泥沙磨蚀的非空化区起到有效的保护作用。在70年代三门峡水电站首次采用了该技术，使用此涂层实现了对水轮机叶片正面、固定导叶、中环等部位的保护；此后在多个水电站进行试验，结果表明该涂层对水轮机过流部件的非气蚀区有很好的保护作用。但对于严重气蚀区，该涂层的防护效果不够理想。

3.1.2 聚氨酯涂层防护

聚氨酯为有机高分子化合物，该涂层在抗气蚀磨损方面具有很好的效果。聚氨酯涂层可以吸收泥沙颗粒的冲击力，且具有耐磨、强度高、弹性大等特点。但涂层抗硬物冲击和割伤能力较差，一旦局部被划伤，会造成大面积脱落，或因为粘接强度不够，往往机组运行时间不长涂层便大面积或整体脱落。目前，国内已经研制成功粘接强度达到30MPa的聚氨酯涂层，现已在各大水电站推广使用。

3.1.3 抗磨焊条堆焊防护

在气蚀区堆焊，可以加强碳钢类过流部件的抗磨效果。焊条的筛选要结合抗磨损、抗气蚀及焊接工艺等多方面因素综合考虑，针对强气蚀区，推荐堆焊材料最好选用A132、0Cr13Ni4Mo、GB1焊条，这3种焊条的抗磨蚀性能排序为GB1＞0Cr13Ni4Mo＞A132。根据不同的气蚀强度，可在不同区域使用不同的堆焊材料，如叶片头部三角区、背部出水边和外缘区，采用抗磨性能优良的GB1焊条，在一般气蚀区采用发烟少、焊接工艺好、价格低的0Cr13Ni4Mo焊条或A132焊条。

3.1.4 高速氧燃喷涂碳化钨防护

丙烷、丙稀和氧气利用超音速火焰喷涂枪，经过混合燃烧后，产生速度在1500m/s以上的高温气流，同时在喷嘴处它会将高压空气送入的碳化钨粉末粉末熔化，并且产生500m/s左右的高速射流，从而均匀地把熔化后的粉末喷涂在材料表面上，形成高密度的强化涂层。这种涂层虽然在抗气蚀、抗硬物冲击方面较弱，但对泥沙磨损具有很好的抵抗能力。在不受硬物撞击的非气蚀区，即使含沙量很高的河水中磨蚀率也会降低很多。碳化钨涂层是目前最为有效的表面防护方法，但需要专门的喷涂设备，成本较高。

3.2 优化水轮机设计

通过观察分析，流速高、脱流、旋涡等均会加大水轮机的磨蚀。因此，在水轮机的设计以及制造工艺上，叶片的形状需符合水流流态，且作用在叶片上的压力必须分布均匀，另外采用抗磨蚀材料如不锈钢转轮，提高加工光洁度等，可使过流部件的抗磨能力进一步提高。为了确保叶片的叶型更加正确，可使用数控机床对叶片进行精加工，使叶片的流道误差减小且过流表面光滑，可以更好地保障过流部件的抗磨蚀能力。

3.3 减少过机泥沙

在早期的水电站建设过程中，我国有过不少的经验与教训，如在每年汛期时，水流中的泥沙特别多，水电站的排沙设施不到位，从而使过机泥沙对水轮机造成很大的磨蚀。因此，在进行水电站设计时就一定要考虑如何减少泥沙通过水轮机流道，如设置一定容量的沉沙池、排沙洞等设施；另外，采用蓄清排浑、洪水排沙、平水发电等方式，也可以较好地解决排沙与发电的关系。目前，我们已经通过多种技术手段有效地减少了过机泥沙含量，从而降低水轮机过流部件的磨蚀程度。

4 结论

对于水电站来说，水轮机过流部件的磨蚀是一个必须重视的问题，研究造成其磨蚀的原因并找到解决问题的办法，可以有效地延长水轮机组寿命、提高水电站的经济效益和更好地循环利用这一可再生的且环保的水力资源。

水轮机的磨蚀防护必须参考各个水电站的具体水文环境条件，根据各个电站、机组的自身情况，甚至细化到不同部件的具体位置，有针对性地采用行之有效的手段，有效地保护水轮机的抗磨蚀能力，从而更好地确保水轮机组的安全稳定运行。

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