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浅析运用水力机械抗磨蚀技术对水利机械的影响

2020-02-21 255 上传者：管理员

摘要：在我国整个水电行业的持续发展过程中，冲蚀磨损问题以及由此产生的噪声污染等其他问题始终困扰着水轮机的正常运行。而在解决这一现实问题过程中，水力机械抗磨蚀技术应运而生。基于这一背景，本文从水力机械抗磨蚀技术的基本原理入手，结合具体工程案例以及相关研究资料，着重分析了水力机械抗磨技术在实际中的应用与未来发展，以期提供参考。

关键词：
基本原理
实际应用
未来发展
水力机械抗磨蚀技术
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据不完全统计显示，我国每年由于水力机械磨蚀而导致的过流部件严重磨损问题，所产生的运维费用多达数十亿元。因此本文通过重点探究水力机械抗磨蚀技术，不仅可以有效帮助人们加深对该项技术的理解与认知，并为相关研究人员提供必要理论参考。同时也可以对水力机械抗磨蚀技术的实际应用给予一定实践指导，为该项技术的未来发展指明方向。

1、水力机械抗磨蚀技术的基本原理

因受到水力作用的影响，材料表面在与沙粒不断相互摩擦下会形成冲击擦划或切削、疲劳损坏等一系列问题，而这一过程即为冲蚀磨损^[1]。包括水流强度与含沙量、泥沙颗粒大小等均会在不同程度上决定着水力机械冲蚀磨损程度，不同于空蚀，水力机械冲蚀磨损所破坏的仅仅是材料或零部件表面，其并不会对机械内部性能产生实质性的破坏影响。但水力机械空蚀一方面会使得母体上的材料脱落，并严重破坏机械材料，另一方面也会直接影响机械内部性能。因此，通过严控含沙量，优化过流部件水力特性与材料表面特性等，均可在一定程度上达到水力机械抗磨蚀的效果。

2、水力机械抗磨蚀技术的实际应用

2.1 工程概况

为有效说明水力机械抗磨蚀技术的实际应用，本文选择以某水电站工程项目为例。该水电站工程将发电作为其核心开发任务，坝址控制集水面积超过100000km2，年均流量在900m3/s以上，水库总库容超过0.5亿m3。在正常情况下，水库蓄水位为3400m，相应库容和调节库容分别约为0.55亿m3和0.11亿m3。电站装机容量为660MW，年均发电量约为30亿kW·h。图1展示的就是该水电站发电机组平面示意图。

图1 水电站发电机组图

2.2 应用措施

2.2.1 水利枢纽布设

根据上文阐明的水力机械抗磨蚀原理可知，在水电站工程项目中，通过对过机泥沙量进行严格控制，最大程度地避免粗大颗粒泥沙过机，可有效达到水力机械抗磨蚀的效果。因此该水电站工程，在尚未进行浑水发电时，依托洪水以及将库水位适当降低的方式，使近坝段水库冲出将近0.5亿m3，其相应水位将近300m的调沙库容。在结合实际坝前地形下，利用蓄清排浑的方式并合理控制坝前流速，搭配相应水工建筑物作用，如沉沙池与拦沙栅等，将过机沙量降至最少，从而有效增强了水力机械抗磨蚀性。

2.2.2 优选机组参数

该水电站工程在运用水力机械抗磨蚀技术的过程中，还采用了选用最优机组参数的方式，以确保水力发电机组始终处于最优工况，避免水流流态频繁出现较大波动变化而产生空腔汽蚀，使得机组设备面临巨大磨损威胁。在严格参照国家相关规定要求下，该水电站最终选择的水轮机机组参数如表1所示。

表1 水电站优选机组参数统计表

2.2.3 优化部件结构

通过对水力机械过流部件结构进行优化设计，可从根本上防止出现脱流与旋涡现象，从而有效提高水力机械抗磨蚀能力。例如学者李志红与李燕等人（2015）在其研究中便指出，同归对转轮叶片出水边连接下环的位置进行优化改进，使得二者连接更加顺畅，可以有效加快水流流速，抑制水流加速突变或是回流等现象出现，从而大大改善水力性能，避免局部汽蚀，对优化转轮抗磨蚀性、延长其使用寿命具有重要作用^[2]。在该水电站工程中，工作人员在切实结合叶轮结构特点的基础上，将导轮加设在其进口对应位置处，使得流体在直接受到导轮导向作用影响下，可以有效防止大量固体颗粒同时聚集在叶轮叶片上，进而诱发叶片严重磨损问题。图2展示的就是加装导轮的叶轮平面结构图。

图2 加装导轮的叶轮结构剖面图

另外，该水电站中工作人员还采用了射流调节技术，即将射流加入叶轮后盖板位置处，使之与来流相互混合，射流混合来流的速度、方向均朝着远离叶轮后盖板位置处偏移，从而大大降低了叶轮后盖板出现磨蚀的可能性。在射流的作用下，叶片表面将自然产生旋涡，形成具有气垫作用的分离边界层，由此达到增强叶片抗磨蚀能力的效果。

3、水力机械抗磨蚀技术的未来发展

3.1 水力机械抗磨蚀材料创新

当前在水电站等各种水利工程项目中，工作人员通过灵活运用水力机械抗磨蚀技术，使得水力机械能够长时间实现安全、稳定运行，将其出现磨蚀问题的可能性降至最低。不仅有助于全面优化水力机械使用性能，同时对于扩大水利工程经济效益与社会效益规模等也具有重要帮助作用。而未来，水力机械抗磨蚀技术还将出现更多高性能基体材料，用以进一步提升水力机械抗磨蚀性能。

譬如早期选用硬度相对较高的含铜钛管与主打抗磨蚀疲劳的奥氏体不锈钢。后期又出现了马氏体不锈钢以及采用无缝焊接技术的低碳ZG006Cr16Ni5Mo等材料，相比早期使用的含铜钛管等水力机械基体材料，此类新材料的硬度更高且具有良好的柔韧性，质量均一。未来，我国在持续加大对水力机械抗磨蚀材料的创新研发力度下，势必还会出现更多结构致密性高、结晶颗粒细化具有较高拉力与疲劳极限等优势性能的综合性抗磨蚀材料，可供不同水力机械使用，以满足其多样化的抗磨蚀要求。

3.2 出现多样化全新工艺技术

在水力机械抗磨蚀技术的不断发展下，其技术手段越来越多样化，并出现了许多全新工艺技术。例如当前在水力机械抗磨蚀领域中，使用较为频繁的技术之一便是金属焊条堆焊，该项工艺技术可以有效保障堆焊层具有较高硬度，有助于提升水力机械抗泥沙磨损性能，加之其成本低廉、操作简便，因此在水电站等诸多水利工程中均得到了广泛应用^[3]。现阶段在金属焊条堆焊技术中使用的焊条包括高铬铸铁焊条、含碳量较低的马氏体不锈钢型焊条以及含锰量较高的奥氏体不锈钢焊条等等。但值得注意的是，虽然金属焊条堆焊技术可以令焊层同水力机械基体构成一个完整的高强度冶金结合体，但其冲淡率相对较大，且焊层厚度缺乏良好均匀性，且即便在水轮机叶片表面位置处采用金属焊条堆焊技术进行相应处理，其很快便会在堆焊点四周出现新空蚀破坏。因此未来还需要对该项工艺技术进行持续优化改进，搭配使用性能更优的焊条材料，从根本上防止水力机械过流部件受到浆体冲蚀磨损。

我国眼下在葛洲坝等诸多水电站的水轮机抗磨蚀处理中，采用了非金属涂层法，即通过在水轮机叶片的正面位置处、固定过流部件上均匀喷涂一层非金属涂料，例如环氧金刚砂、聚氨酯弹性材料等，用以在水力机械叶片上形成一层抗磨蚀保护层。虽然这一工艺技术具有成本低廉、操作便捷等优势特性，可有效帮助大型轴流式、混流式水轮机等水力机械提高其抗磨蚀性能，但由于目前市面中出现的涂层材料均不具备抗空蚀能力，因此并不适用于水力机械空蚀区的设备及部件。针对这一情况，本文认为未来我国可在该领域重点研发更多具有高稳定性的有机高分子材料，如通过采用抗磨蚀性能极高的聚氨酯材料与粘接强度较高的底胶、焊接金属钢板网共同构成一种全新涂层，利用焊接压制成型的金属钢板网与需要防护的水力机械部件表面进行牢固焊接，使得该抗磨蚀保护层的结合强度能够得到进一步提升。涂层中的聚醚类聚氨酯预聚体可有效提高整体涂层的稳定性与抗磨蚀性能，即便面对沙粒颗粒较大或是空蚀程度较为严重的情况，此种有机高分子材料也并不会轻易出现破碎等问题。

眼下还出现了一种全新水力机械抗磨蚀技术即高速火焰喷涂技术，其在水力机械基体材料中选用1Cr18Ni9Ti不锈钢基体，并在此基础上制备Cr3C2/NiCr涂层，即便在含沙量大于40kg/m3的水体中，该涂层仍然具备较高硬度可有效保障水力机械具有较高抗空蚀能力。未来我国还将出现更多操作更加便捷、成本更为低廉、抗磨蚀性能更优的全新工艺技术，为保障水力机械设备的长稳运行提供坚实可靠的技术保障。

4、结束语

综上所述，将水力机械抗磨蚀灵活运用在水力发电等工程项目中，可以有效减轻水力机械过流部件的冲蚀磨损情况，对于提高部件及相关设备的使用性能、延长其使用寿命等均具有积极作用。因此相关工作人员在日后需要充分结合工程实际，合理选用水力机械抗磨蚀技术，并有意识地加大对其基体材料以及工艺技术的创新研究，从而使得该项技术的应有效用得以充分发挥，推动水力机械抗磨蚀技术实现可持续发展。

参考文献：

[1]王波.水力机械常用材料磨蚀特性实验研究[D].西安理工大学,2017.

[2]李志红,李燕,彭超.水力机械抗磨蚀技术的应用与发展[J].中国农村水利水电,2015(03):174-176.

[3]李志红,梁兴.水力机械抗磨蚀涂层关键技术的研究[J].中国农村水利水电,2012(04):113-114+117.

严淼锋.试论水力机械抗磨蚀技术在实际中的应用与发展[J].大科技,2019,(24):195-196.