摘要：在水电机机组的运行中，运行环境的优劣将对机组设备的运行安全性和稳定性以及使用寿命产生较大影响，其中水轮机的磨蚀影响重大。本文对水轮机磨蚀形成机理进行了阐述，分析了几种主要的抗磨蚀涂层，概述了热喷涂技术的特点及其应用，并指出了新材料的开发和喷涂技术的创新将是未来水轮机过流部件抗磨蚀的发展方向。
关键词：水轮机；磨蚀；汽蚀；磨损；热喷涂
1 概述
水力发电是我国能源战略的一大支柱，但是水力发电技术的大力发展是建立在大的河流落差、高差悬殊的地形环境和高泥沙含量的特殊条件基础上的。在水力发电时，高速运转的含沙水流在水轮机转轮表面流过时，会对水轮机过流部件表面产生磨砂磨损破坏，对水电设备的运行安全带来严重危害，严重者甚至会对整个电网的运行安全带来严重威胁。当水轮机过流部件受到严重磨损时，部件表面会出现磨坑、洞穿等缺陷，影响水轮机的可靠、稳定运行，还会降低水轮机的工作效率，减少出力，缩短水轮机寿命等，另外，频繁的更换和检修，不仅会造成巨大的经济损失，还会影响整个电网的正常运行[1]。据估计，在已运行的水电站中，约有 1/5～1/4 的水轮机叶片遭受不同程度的泥沙危害，每年因水轮机过流部件（主要为叶片）磨蚀破坏而停运或检修引起的电能损失约 20-30 亿 kw.h，年消耗检修费及设备更新费达千万元之巨。因此，加强水轮机过流部件抗磨蚀研究十分重要。
2 水轮机磨蚀机理及分析
磨蚀是磨损和汽蚀联合破坏的简称，一般工作在含沙水流中的水轮机都会受到这两种作用的综合破坏[2]，不过对于工作在不同含沙量的水流中，其破坏形式有一定差别，如工作在长江流域上的含沙较少的多以清水汽蚀为主[3]，而工作在黄河等泥沙含量高的河流上，一般以磨损为主[4]，但是，即使是同一条河流上的同一个机组，也可能由于不同时期（如汛期和非汛期）过机泥沙含量的不同，而分别遭受两种不同的破坏。因此研究水轮机的破坏。必须综合汽蚀和磨损两方面来考虑，只有在设计及选材时都综合考虑到了汽蚀和磨损的联合破坏，才可能取得较好的效果。本文将分别对这两种破坏的形式及机理进行分析和探讨。
2.1 水轮机汽蚀机理及分析
汽蚀是水轮机转轮最常见破坏形式之一。水轮机遭受汽蚀损坏，不仅使水轮机过流部件过早破坏，造成水轮机的使用效率降低和寿命缩短，大大提高了生产成本，而且还恶化其能量参数，特别是当汽蚀发展到破坏正常水流流动的程度时，使能量损失急剧增加，效率及出力大幅度下降[5]。此外，水轮机在汽蚀状态下运行，特别是混流式水轮机，其过流部件发生低频率大振幅的压力脉动，导致整个机组和水电站厂房危险的振动及烦恼的噪音，另一方面，由于近代水轮机的发展趋势是不断提高转速以减小它的尺寸和成本，同时进一步提高单机容量，这些趋向都将增加汽蚀的严重性。另外由于汽蚀造成的工件表面不平又加速了沙粒磨损的进程，因此研究、分析水轮机汽蚀的特征与机理，探索减轻乃至预防汽蚀的新方法和新材料是水电事业发展的一个重要课题。
目前，对汽蚀破坏机理的认识和说法尚无统一定论，但认同率较高的看法是普遍认为汽蚀破坏是一个多种破坏形式共同作用的过程，其中包括化学作用、机械作用和电化学作用[6-7]。当水流在不同的流速区流动时，均会有气团形成、析出，当流经区域气化压强发生变化时，如由高压区流向低压区，气团会发生爆炸，形成许多的小气泡，流体的连续性会受到这种内向式爆炸的破坏，由原先流动的水沙平顺二相流转变紊乱三相流，此处三相为水、沙和气。当水流流经高的气化压强区域时，气泡会因为受到挤压而溃灭。气泡中的气体也会被水溶解，并与部分水流一起收缩最终形成聚能高压水核。在水流继续流动过程中，高压水核会迅速膨胀形成微射流，此微射流具有温度高、压力大的特点，会对所流经区域产生高强度的冲击和空蚀。此外聚能高压水核的瞬间膨胀会引起局部区域气化压强急剧降低，形成低压区，进而诱导产生第二次冲击波，这种冲击波的冲击压力可达 420MPa。
2.2 水轮机磨粒磨损机理
磨损是水轮机除汽蚀外另一个最重要的破坏形式，尤其当水轮机是工作在泥沙含量高的河流中，磨粒磨损的危害更显突出，这时汽蚀破坏往往仅处于次要地位。虽然世界各国研究人员进行了多年的研究和各种形式的试验[8-10]，但由于磨损本身的复杂性，有关磨粒磨损机理的总的评价问题目前尚没有一致的意见。现在比较流行的看法是：磨损机制是显微切削、犁沟和软基体的选择磨损及硬质点被挖出脱落、高速粒子冲击使材料产生熔化等。但这些理论的提出往往都是在理想条件下试验得到的，而实际磨损过程十分复杂，在材料受到磨损时往往不是一种机理起作用，可能是两种以上机理同时发生作用，而且这些机理在工况条件发生变化时还可能发生转化。
通过对水轮机过流部件磨损表面的观测，通常认为其是在水流作用下磨粒以一定的角度与水轮机过流材料表面接触，作用在磨粒上的力可分解为垂直于材料表面的分力和平行于材料表面的分力，垂直分力使磨粒压入过流材料表面，平行分力则使压入表面的磨粒作切向运动，在材料表面产生擦伤或显微切削作用，结果在材料表面留下磨痕。
3水轮机过流部件的抗磨蚀涂层研究
迄今为止，采用的解决水轮机过流部件损坏办法主要有：（1）改变受损坏严重部件的材料，如采用抗磨蚀性好的高强度不锈钢，包括 0Cr13Ni5Mo、0Cr13Ni4Mo 和 0Cr13Ni6Mo；（2）提高水轮机过流部件的制作加工水平，尤其是要保证表面光洁度和加工精度；（3）在过流部件表面制备防护涂层。目前这种涂层主要有：非金属材料涂层、堆焊耐磨层、喷焊涂层、超音速火焰金属陶瓷涂层等先进技术和材料。本文将对几种主要的抗磨蚀涂层进行分析。
3.1 非金属材料涂层
（1）超高分子量聚乙烯抗磨板。其抗磨效果良好，已在水轮机过流部件中获得广泛应用，如三门峡和万家寨等。
（2）改性环氧金刚砂涂层。该涂层也具有良好的抗磨性能，且价格便宜、制备简单。20 年来，长江葛洲坝水电厂在水轮机叶片的正面检修中一直采用这种涂层。
（3）聚氨酯涂层。该涂层抗空蚀磨损性能优异，但在许多大型水轮机上试验和应用时，结果却不理想，通常在运行时会发生涂层大面积或整体脱落，主要是由涂层结合强度低引起的，其结合强度通常在 20MPa 以下，根据高速圆盘的模拟试验和真机检测，得出涂层的结合强度在 30MPa 以上时，才能基本满足使用要求。
3.2 堆焊耐磨层
堆焊的技术优点是设备简单、施工操作方便和工艺成熟，因此是目前采用较多的一种抗磨蚀的方法。目前已经有多种抗磨蚀堆焊的焊条被用于制备水轮机过流部件的抗磨蚀层，如 C-Ni 奥氏体不锈钢型焊条和高铬铸铁型焊条等。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆 采用堆焊法制备焊层的特点是：结合强度高、但是焊层厚度不均匀，需要大量的后期加工，费时费力，还会带来大的冲淡率，焊后过流部件局部会产生热影响区，导致整体机械强度降低及变形，此外堆焊对基体金属材料的可焊性要求较高，应用受到限制。
3.3 喷焊涂层
我国自 20 世纪 70 年代就开始在水轮机过流部件表面喷焊耐磨蚀涂层，但开始只采用热喷焊粉末，效果不理想。80 年代，甘肃工业大学研制成功了自熔性合金粉末，可以专用于耐清水和浑水磨蚀，采用该工艺进行喷焊时，除表面需要预处理外，还需要对待喷焊部位进行预热，并且要控制喷焊件的表面温度，防止其严重变形。采用此工艺可得到耐磨蚀能力为 102 不锈钢堆焊层 10 倍以上的涂层。
3.4 超音速火焰喷涂涂层
超音速火焰喷涂（简称 HVOF）的焰流具有温度高、速度快的特点，可用于难熔材料的喷涂，如碳化物等。在采用 HVOF 工艺之前，喷涂碳化物等难熔材料主要采用爆炸喷涂，但是其工艺非常复杂。Sulzer 等人[11]采用超音速火焰喷涂工艺制备了 WC-Co 纳米涂层，并将其应用到水轮机叶片上，由试验结果知，与司太立堆焊层相比，制备的 WC-Co 涂层的使用寿命提高 80~90 倍。
4 热喷涂技术研究
热喷涂技术早在几十年以前就已经出现。在这期间，热喷涂设备的研究与开发、工艺设计和喷涂材料的研制都得到迅猛发展，由早期的装饰、防护涂层，发展到功能性涂层；由单一涂层发展到系统工程，成为了一种独立的热加工工艺。 热喷涂技术的基本特点是其涂具有层层层叠加的效果，其在水轮机叶片抗磨蚀技术中具有如下优点：（1）受零件的形状、尺寸、大小的限制很小或基本不受；（2）热喷涂操作简单，工艺成熟，效率高；（3）喷涂时基体温度低，喷涂大型部件时也不易变形；（4）能够改变普通材料的表面特性，使其获得特殊的表面机械性能；（5）涂层厚度测量方便，容易控制；（6）热喷涂技术成本低，经济效益可观。
热喷涂技术在制造复合材料及熔射成形方面具有独特优势[12-14]，尤其是等离子喷涂技术出现，更是解决了陶瓷等难熔材料的喷涂，受到广泛应用。目前，等离子弧喷涂技术已成为热喷涂技术中应用最广的一种方法。等离子喷涂采用的热源为等离子射流，具有温度高和速度快的显著特点，尤其是对于喷涂难熔金属、陶瓷和其他非金属碳化物等，其优势更加凸显，能够制备各种不同性能的涂层，如耐磨、耐热、绝缘等。采用喷涂技术制备含质量百分比为35%WC 的镍基合金涂层，涂层应用于水轮机过流部件上时，抗浆料冲蚀能力达到 NiCrSiB 涂层的 5 倍以上。喷涂制备的镍基碳化钨涂层，应用到基体材质为 45 钢的水轮机叶片上，叶片的使用寿命提高了 3~4 倍。
5 结论
分析高流速、高含沙量环境下水轮机过流部件的汽蚀、冲蚀磨损机理，减少磨损带来的发电机组的维修、检修和停机等问题，提出防护措施，解决水轮机组遭受的磨损、汽蚀及腐蚀等问题，延长水轮机使用寿命，对于提高其发电效率和增加经济创收具有重要意义。水轮机过流面抗磨蚀防护的方法很多，每种方法都有其固有的特点，国内外的研究人员一直在探索综合性好的表面防护涂层技术。表面新材料的开发和喷涂技术的创新将是未来的发展方向。
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作者简介：
卢鹏程（1987.01—），男，贵州凤冈人，本科学历，助理工程师，主要从事水电站机械设备检修维护工作
论文作者:卢鹏程
论文发表刊物:《基层建设》2017年第31期
论文发表时间:2018/1/22
标签：水轮机论文; 涂层论文; 磨损论文; 部件论文; 过流论文; 表面论文; 机理论文; 《基层建设》2017年第31期论文;