水力机械抗磨蚀技术的应用与发展

水力机械抗磨蚀技术的应用与发展

王宇杰

天津市水利勘测设计院天津300204

摘要：水利水电工程能够提高水资源利用效率，对我国环境保护与经济建设具有重要作用。由于长期的河流泥沙对水力机械的冲蚀，导致水力机械零部件损坏、机械的磨损、水轮机力度减小、流机之间的摩擦缝隙增大、工作效率下降等问题，同时还会造成噪声污染。本文通过分析目前我国水力机械抗磨蚀技术存在的问题，讨论常见的机械抗磨蚀技术以及抗磨蚀技术的新材料和新工艺，希望对水力机械抗磨蚀技术的进一步发展提供理论支持。

分析。

关键词：水力机械；抗磨蚀；应用与发展

1目前抗磨蚀技术的不足

1.1水利枢纽的布置问题

水力机械受到的外部磨蚀主要来自于河流中的砂石和泥土，因此水力枢纽的布置水平对于水力机械遭受的腐蚀有直接影响。但我国目前大部分水利工程的水力枢纽的布置缺乏科学的设计和规范，对水利枢纽的选址和布局的重视程度和资源投入不足，因此很多水利枢纽的布置水平无法满足水力机械抗磨蚀的需要，影响了水力机械的运行效率。

1.2过流部件的结构设计问题

合理的过流部件结构设计对抗磨蚀效果有重要影响，可以避免泥沙沉积，有效控制流速，是水力机械正常运行的重要保障。但我国水力机械的制造厂家虽然强化了水力机械的功能，但对于过流部件的结构设计并没有引起足够的重视，水力机械在实际运行中会因为过流部件结构设计问题，无法有效发挥运行水平，降低水力机械的使用寿命和运行效率。

1.3基体材料质量问题

水力机械的基体材料质量问题是影响水力机械抗磨蚀水平的直接因素。国外材料质量好，但价格很高，国内大多数制造厂家由于工艺技术的局限，以及对成本的控制，导致基体材料质量都比较差，严重影响了水力机械基体抗磨蚀水平。

2目前我国常见的抗磨蚀措施

常见的抗磨蚀方法有：水利枢纽的合理布局，机组参数的合理选择，过流部件的结构优化、高质量的基体材料。

2.1水利枢纽的合理布局

水利枢纽的合理规划是影响机械抗磨蚀水平的重要因素,只有加强水利枢纽的布置水平，才能减少水力机械的腐蚀程度，确保水力机械有效运行。在进行水利工程的设计过程中，要充分考量和利用地形条件，科学设计流道进口高程、底孔、沉沙池、拦沙栅，并最大限度的减少过机泥沙，尤其要进行调水调沙、蓄清排浑，减少粗颗粒泥沙过机。如改建后的三门峡水电站，利用坝前地形和近坝段的漏斗河床形态，使坝前的流速、含沙量的横向和流线分布发生有利于减少过机沙量的变化。首先，要提高水利枢纽选址和布置的重视程度，保证科学合理的资金投入水平。其次，施工单位在施工过程中要加强施工质量，提高施工水平，使用高质量的施工材料。

2.2选择合理的机组参数

选择合理的机组运行工况、流速和高程，能有效的减少磨蚀的不利影响。非最优工况运行的水力发电机组，容易使水流流态发生变化，出现空腔汽蚀的情况，尾水管压力脉动大，会导致机组振动，加速水力机械磨蚀。通过在非振动区域运行、减少振动区域运行时间、出口设置补气装置、低压区进行自然补气等手段，可以在一定程度上降低磨蚀。

2.3优化水力机械过流部件的结构

合理的过流部件的结构设计可以保证流速均匀，防止泥沙磨蚀。通过改进转轮叶片出水边与下环的连接问题，使水流流畅，避免加速突变和漩涡，消除局部汽蚀，提高转轮的抗磨蚀水平。通过运用机械手段改变流道内的流动和运行情况，减少固体颗粒与过流部件表面的冲撞，达到提高水力机械抗磨蚀水平的目的。在叶轮进口处增加导轮，通过导轮对流体的导向作用避免固体颗粒在叶轮叶片上的聚集、减少叶片磨损。通过射流调节的方法，在叶轮的后盖板处加入射流与来流混合，使合成的速度与方向发生改变，向远离后盖板处偏移，减少后盖板的磨损。射流也会使叶片表面产生漩涡，形成边界层和气垫，起到防止叶片磨损的作用。

2.4优化水力机械基体材料

通过长期运行实践，选择含碳量低、可加工性好、可焊性好、高硬度、强韧性、拉力强、结晶颗粒细、结构致密、疲劳极限高的材料具有更好的抗磨蚀效果。

3抗磨蚀的新材料与新工艺

由于磨蚀主要发生在过流部件的表面，因此采用表面防护技术可以节约成本，并且能够保护磨蚀严重部位，解决设备制造中的工艺问题。随着技术的发展，国际上主要采用表面防护技术来提高水力机械的抗磨蚀性能。

3.1金属焊条堆焊

金属焊条堆焊是使用率最高的方法，这种方法的优点是抗磨蚀能力非常强，使用设备比较简单、技术相对成熟、施工比较方便。焊条选择主要有高铬铸铁型、低碳马氏体不锈钢型、高Ｃｒ－Ｍｎ奥氏体型、Ｃｒ－Ｎｉ奥氏体不锈钢型。金属焊条堆焊使基体与焊层有效结合，结合强度比较高。缺点是焊层厚度不均匀，加工余量比较大，对基体材料的可焊性要求比较高。通过金属焊条堆焊处理的水轮机叶片表面，很容易在堆焊点周围发生新的空蚀破坏，不能彻底解决水力机械过流部件的磨蚀问题。

3.2非金属涂层

非金属涂层可应用于大型轴流式和中低水头的混流式水轮机中，主要包括表面聚氨酯弹性涂层、环氧金刚砂涂层、高温复合尼龙等几种涂层材料，这种工艺的特点是成本比较低，操作简便，涂层材料工艺技术要求不高。葛洲坝、青铜峡等电站水轮机叶片正面及固定过流部件，都应用了这种方式。但缺点是抗空蚀能力不强，不能用于空蚀区。

3.3合金粉末喷焊

合金粉末喷焊是利用氧气乙炔火焰配合专用喷焊枪，将自熔合金粉末喷焊到工件基体表面，形成均匀的保护层。由于喷焊层在这个过程中经过重熔，可与基体形成冶金结合，结合强度可达300～500ＭPa，可有效提高过流部件的抗磨蚀能力，具有成本低、效率高的优点。缺点是喷涂过程中的高温容易造成叶片变形，附着力不好掌握，一般应用于老机组改造。

3.4高速火焰喷涂

高速火焰喷涂是一种高效喷涂方法。优点是密度高、硬度高、良好的抗磨蚀性能。高速火焰喷涂可以产生较高的涂层与母材的结合强度，提高了抗磨蚀性能。缺点是塑性和冲击韧性较差，在空蚀作用下，容易出现分层剥落，成本较高，目前仅用于大机组和试验机组。

4结论

综上所述，由于水电站运行环境复杂多变，在确保水力机械运行性能的基础上，开展抗磨蚀新材料、新工艺的研究，对水力机械的运行和使用具有非常重要的意义，但目前我国的水力机械抗磨蚀技术水平不高，抗磨蚀技术的应用水平较低，很大程度上制约了水利水电工程的运行水平。只有了解水力机械存在的问题，不断完善抗磨蚀技术，才能保障水力机械的高效运行。

参考文献

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