摘要：水轮机磨蚀是指水轮机在汽蚀破坏与泥沙磨损的联合作用下的破坏现象，这个问题长期困扰着水电站的安全运行。多年来，许多水利水电工程技术人员和科研工作人员做了大量的研究工作，从磨蚀原因的研究到对磨蚀的防护以及治理措施技术等方面都取得一定的成果，对我国水轮机应用与防护做出了很大的贡献，但是目前仍然有许多问题难以解决。水轮机磨蚀，水电站机组能否正常可靠的运行跟机电设备的性能有着紧密的联系，所以建立科学高效的管理措施和改善机电设备的维护方式，能够确保设备在日常工作中的正常运转，从而降低维修设备的频率，以达到提高水电站的经济以及社会效益。
关键词：水电站；水轮机；磨损；防护
一、水轮机的主要磨损形式
1.1 气蚀及其机理
汽蚀是指水轮机的过流通道中水压过低使水汽化产生汽泡和水压高时汽泡的凝结破灭过程所引起的一系列物理化学现象对机器表面的破坏。这种破坏是一种高压细射流冲击、金属氧化和电解，对机器表面的损坏较为严重。我们经常见到的机器表面针孔形状、麻面和海绵状等都是由于汽蚀所造成的。汽蚀在机器材料表面的破坏无明显的方向性，我们不能小看这种破坏，在破坏严重的时候会使水轮机的叶片很快失效。
1.2 泥沙磨损
泥沙磨损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属表面氧化，急剧的温度变化会引起金属保护膜的破坏而导致局部冲蚀。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。
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，而泥沙磨损则是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损的联合作用。
1.4冲蚀与气蚀的复合磨损
高速水流在含量有泥沙和气泡的情况下对流过的材料产生磨损被称之为冲蚀与气蚀的复合磨损，通常水电行业将其称之为磨蚀。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆水轮机产生冲蚀与气蚀的复合磨损主要是在水、气和沙的共同作用下形成的，这是我国水电设备严重受磨蚀的主要原因。
二、水轮机磨损的主要部位
水轮机主要包括轴流式水轮机和混流式水轮机这两种。轴流式水轮机受磨损的部位主要包括转轮室、转轮叶片。其中叶片磨损主要为正面磨损，背面靠进出口及外缘处常会有空蚀破坏，最为严重的是中环。而混流式水轮机的磨损部位主要是抗磨板、导叶端面和立面、密封环及叶片的出口根据、外缘端面、出水边外缘及背面边缘等。
三、水电站水轮机的防护
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。
3.2 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。
3.4对于小型机组而言，转轮防护建议以采用廉价材料及简单的工艺即可，目前比较常用的材料有以下几种：不锈钢的堆焊或者铺焊、钛合金贴片、环氧金刚砂或者金属陶瓷贴片等等，这些材料均能够起到良好的防护作用。除此之外，小型转轮防护时还可以采用双层尼龙、合树脂砂浆或者聚氨脂材料等也可起到长时间的防护作用，但是由于小型机组极易受到高水头或者泥沙磨蚀，因此建议在防护材料上喷涂合金粉末后可延长防护时间。
3.5在水轮机的转轮室、活动导叶正面、座环支柱等部位的防护时，采用环氧金刚砂浆可起到良好的防护效果；对于低水头电站，在上述部位防护时还可以采用弹性体材料（如：聚氨脂橡胶等材料）同样可以起到较好的防护效果，但是由于这类材料抗硬物割伤能力相对较差，因此若出现一处割伤则可能导致出现大面积脱落现象。
综上所述
水轮机磨蚀的原因多样复杂，对其研究是多个学科的系统工程。其磨蚀机理和解决方法的研究是防止和减轻汽蚀的一个重要课题。各个水电站的具体条件不同，我们应当根据具体情况进行分析研究，采用相应的有效对策。降低及消除水轮机的磨蚀破坏，对水电站的安全经济运行有着巨大的推动作用。
参考文献
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[2] 焦明达.水轮机故障的诊断和维修分析[J].中国新技术新产品，2012，（5）：127-127.
论文作者:潘国强
论文发表刊物:《基层建设》2016年19期
论文发表时间:2016/11/29
标签：水轮机论文; 磨损论文; 泥沙论文; 防护论文; 水电站论文; 材料论文; 叶片论文; 《基层建设》2016年19期论文;