水电站水轮机磨损与防护

关 键 词：水电站；水轮机；磨损；防护

一、水轮机的主要磨损形式

水轮机一直以来是水电站的核心设备,其转轮母材可采用不锈钢、碳钢.但考虑到材料的抗断裂性、耐泥沙磨损及耐气蚀性,往往碳钢比不上不锈钢,不锈钢中效果较好的是Cr13Ni5马氏体不锈钢,近年来大多都采用这种不锈钢作为转轮机的母材[1].

通常情况下,水轮机及其重要部件经含有大量泥少的高速水流流过时,极易对其造成磨损,其磨损方式主要包括三种：1）冲蚀磨损；2）气蚀磨损；3）冲蚀与气蚀的复合磨损.

1.冲蚀磨损

一些小而松散的流动粒子对材料形成冲击的情况下材料表面出现破坏时称这一磨损现象为冲蚀磨损.携带固体粒子的流体包括液流和高速气流,液流为泥浆型冲蚀,而高速气流会产生喷砂型冲蚀.

2.气蚀磨损

气蚀磨损是指水流在局部地区流速增高的情况下会产生汽化,这就出现了破坏现象,将其称为气蚀磨损.

3.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.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

因水轮机转轮的含水量、材料、机组运行方式及加工工艺等都不同,其防护技术也有所不同,应根据其不同特点采用不同的防护措施.根据许多水电站的成功经验总结,对于较为成熟的防护及修得技术目前总结出了以下六种方案.

1、相对于一些老水轮机组,由于其加工工艺比较落后、材料质量差及修复技术不成熟的原因存在一些负面影响.根据经验,针对这一现象,采用0Crl3NI5Mo类抗磨焊条对,轴流式转轮叶片背面的空化区进行堆焊保护,其防护效果较好,并且成本远远比碳化钨喷涂低[2].但如叶片背面的空化区经反复焊接修复的情况下容易导致叶片形状发生变化,并且时间长了会严重影响到水轮机的效率.对此,可采用环氧金刚砂对叶片正面进行涂层防护,这种方法现场施工简单,并且很实惠.

2、轴流式水轮机最先受磨蚀的部位是抗空蚀边和转轮叶片出水边外缘端面,该处破坏强度较大,并且现场修复具有一定的难度.但在转轮其他部分并未受到严重破坏时,可采用转轮室开检修窗的方法,修复叶片端面时可以不用吊出转轮,也可以采用活动裙边的方法,方便于更换损伤裙边,是值得推广的有效措施.

3、在部分水电站中采用经多维数控机床加工的高性能抗磨蚀材料制造的优质转轮,对于其转轮叶片正、背面及转轮室等关键性过流部件防护时可热喷涂碳化钨类金属陶瓷粉末,虽然会增加一次性防护的成本,但是其具有较好的防护效果且涂层比较薄,对水轮机内部的流动特性不会产生任何影响.

4、由于水轮机的导水叶密封面和抗磨板极易被其它物质腐蚀,腐蚀后实施修复工作有比较困难.为了解决上述问题,经过长期实践发现：超高分子材料的量聚乙烯密封条和抗磨板具有较高的耐磨性,而且磨损后更换相对比较容易.

5、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.

6、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.

四、水轮机过流部件磨蚀的修复技术

1、堆焊.堆焊是我国采用较多的一种抗磨蚀处理方法,它的主要优点是设备简单、技术成熟、现场施工方便.长期以来,在各个电站普遍采用,尤其是中小型电站上.目前,用于水轮机抗磨蚀堆焊的焊条主要有高铬铸铁型、高Cr―Mn奥氏体型、Cr一Ni奥氏体不锈钢型和低氢马氏体不锈钢型等,其中0Cr13Ni4--6MoRe系列低氢马氏体不锈钢焊条具有较好的抗磨蚀性能,其抗磨蚀能力为1Crl8Ni9Ti（A102）的2倍左右.堆焊法可使焊层与基体形成冶金结合,且结合强度高.但该方法冲淡率大,焊层厚且不均匀,焊后容易产生变形,并可能对过流部件产生热影响而降低部件的机械强度等性能

2、喷焊.在水轮机磨蚀方面修复另外常用的一种方法是喷焊法.在这个过程中,由于喷焊层经过重熔过程,所以与基体形成冶金结合.其结合强度可高达（300～500）MPa,覆层为致密无孔的铸态结晶组织,具有材料省和效率高等优点.

3、非金属涂层法.为了解决水轮机严重磨蚀的问题,在选用非金属材料方面,可以使用环氧（EP）金刚砂、S80（美国）、聚氨酯（PU）橡胶（德国）、热喷涂尼龙和高分子聚乙烯等材料.非金属涂层属于高分子材料,可用于水轮机活动导叶、转轮室、叶片正面和头部等非气蚀区.目前,我国用于水轮发电机过流部件的非金属保护涂层主要有环氧（EP）聚合物、复合尼龙和聚氨酯（PU）系列.

环氧金刚砂由环氧树脂为主体辅以多元醇缩水甘油醚为活性稀释剂,加同化剂组成.环氧树脂具有优异的粘接力,并且施工工艺简易,可在常温下施工.在加温至（50～60）℃时与钢铁的粘接抗拉强度为（40～60）Mpa,剪切强度为（20～35）Mpa.加入刚性填料金刚砂后抗磨性能优异,抗磨系数是30|钢的2倍,耐磨蚀性能相当于30|钢.

复合尼龙粉末为灰白色粉末,由高分子材料尼龙、环氧和多种添加剂经复合处理混合而成,既具有尼龙材料的耐磨、耐冲击性能,又兼备环氧的优异的粘接性能.粉末喷涂在表面经过喷沙处理加热至200℃左右的转轮上,粉末喷涂就熔融流平形成保护层,经固化成膜.具有优良的耐磨蚀性能,其抗磨系数是30#钢的2～3倍,耐磨蚀性能是30|钢的1.5倍,粘接强度达60MPa以上,剪切强度35MPa.

聚氨酯橡胶抗磨涂层具有弹性和韧性,能吸收汽蚀破坏能量,对磨损和汽蚀作用起到以柔克刚的效果.抗汽蚀能力是1Cr18Ni8的1.5倍,抗磨损能力是铸铁的22～24倍,抗腐蚀能力是1Gr13的1.26～1.54倍,是0Cr13Ni4Mo的1.10～1.24倍.

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.