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[摘 要] 随着我国现代化水平的提高和国民经济的发展，对电力的需求急剧增长，全国各地电网容量不断增大，我国的水电建设也取得了飞速发展。为了保证水力发电机组安全稳定运行，就必须重视水轮机过流部件的泥沙磨蚀问题。通过研究磨蚀机理并提出解决问题的方法，这对于提高水电站的经济效益、延长机组寿命、加快水力资源这一环保可再生能源的开发及促进国民经济的健康可持续发展有着极其重要的意义。
[关键词] 水电站 水轮机 过流部件 磨蚀 防护
一、水轮机过流部件磨蚀机理
水轮机的泥沙磨损是一个非常复杂的过程：具有一定速度的水流中携带的具有冲击动能的沙粒，使过流部件的表面接触点产生弹性变形，继而开始塑性流动形成冲击凹坑；凹坑边缘有坦性变形的挤出堆积物；继续冲击，堆积物再受挤压、变形和移位，并可能从表面脱落；凸起的堆积物易受剪切而折断；反复塑性变形造成冷作硬化变脆，可产生裂纹、扩展、微体积剥落；反复冲击还导致疲劳剥落；尖沙小角度冲击还会产生微切削磨损，由微“划痕”变成宏观“沟槽”；加工不光的表面，其凸出点可能直接被折断或者被切断，会形成扰流而加剧磨损。
1.磨蚀机理
从过流部件的磨蚀外貌分析，鱼鳞、波纹、沟槽状破坏等都具有冲蚀磨损的特征，它们所造成的磨蚀坑内表面光滑，有明显的方向性且与水流的特征方向一致。不同的材料在冲蚀过程中随冲蚀角的变化表现出不同的冲蚀规律：金属材料在低冲蚀角的冲蚀率有一峰值，随冲蚀角的增大冲蚀率下降，这是因为微切削是金属等韧性材料的主要冲蚀机理；裂纹扩展和交错产生脆性断裂是陶瓷等脆性材料的主要冲蚀机理。
造成磨损的主要动力来源是水流给沙粒以速度而产生的功能；其次是水的扰流与脉动。由于脉动的方向多种多样，所以脉动不仅给予泥沙以附加的动力，而且使泥沙以更有利的角度打击过流部件的表面；同时，水流的脉动可能有某种周期性变化（有的试验者在层流中也观察到存在某种周期性变化的现象），这可能是造成波纹、鱼鳞状破坏的原因之一。
对于一定形状和尺寸的沙粒，其冲击动能、冲击速度取决于携沙水流速度，特别是工件表面附近沙粒所处的局部水流速度场。水轮机过流部件因沙粒磨损而产生的宏观体积损失系由单个沙粒冲击所造成的材料微体积或微观质点剥落的无限叠加所形成。沙粒冲击材料表面造成磨损的过程与材料的特性、沙粒的特性以及冲击作用条件有关。具有一定冲击动能的沙粒在冲击材料表面时，材料在接触处首先产生弹性变形，继而在接触处的最大应力位置开始进入塑性流动状态，并随着沙粒动能的消耗，塑性变形区进一步扩大，直到沙粒停止运动为止。其后，材料的表面弹性变形部分将恢复，而翅性变形部分将保留，形成冲击凹坑。在凹坑边缘有塑性变形中挤出的材料堆积。
2.水轮机磨蚀的影响因素
泥沙对水轮机过流部件磨蚀的影响因素很多，可以简单地归纳为以下几个方面：
（1）沙粒的特性，如沙粒硬度、沙粒尺寸、沙粒形状、沙粒聚集程度以及有机物的含量等；
（2）含沙水流的特性，如水流的相对速度、对过流部件的冲击角度、水中腐蚀介质情况和气蚀的影响等；
（3）水轮机的设计和制造因素的影响，如负荷的选择、水轮机流道的参数、过流部件的型线以及产品表面光洁度等；
（4）水轮机过流部件的材料性能，如材料的硬度、韧性、断裂强度、屈服应力、材料表面强化及表面防护涂层的性能等；
（5）电站的土建设计，如取水口的布置，导沙坝、冲沙闸、沉沙池的设置以及机组的选型和机组数量等；
（6）机组的运行控制，如运行参数是否处在设计的最佳状态，以及是否适时采取了调水调沙、泄洪排沙、蓄清排浑措施等。
二、水轮机过流部件磨蚀的表面防护
1.设计制造方面
改善水轮机叶片翼型设计。改善端部形状，使转轮叶片呈光滑流线型，适应水流流线；最大限度使叶片上的压力分布均匀，缩小低压区；叶片背面无隆起的不平整现象，出口边较薄。同时合理选择吸出高度。水轮机气蚀破坏与吸出高度密切相关，选择合适的吸出高度，并相应选就低的数据，可以减轻气蚀破坏，但是会增加厂房开挖深度，增加电站修建成本。选用耐磨蚀材料在材料和工艺上符合设计要求，并尽可能提高表面光洁度，增加部件表面韧度和硬度。
2.运行方面
优化水轮机运行条件，合理选择工作区，尽量避开在容易发生汽蚀工况下运行。必要时向转轮出口补气，将空气送进气蚀区域，降低真空度，降低气泡溃灭时产生的冲击力，从而减轻气蚀破坏。
3.检修方面
（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。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-Ni奥氏体不锈钢型和低碳马氏体不锈钢型等，其中OCrl3Ni4-6MoRe系列低碳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，加工量大，对基体材料的可焊性要求高，不易保证流道型线，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。喷焊法是在喷涂和堆焊基础上发展起来的一种表面防护技术，利用氧气乙炔火焰配合专用喷焊枪，将具有特殊性能的自熔合金粉末喷焊到工件基体表面，形成一层均匀的保护。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EP聚合物、复合尼龙和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，加固化剂组成。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，经同化成膜，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，替代工件表面抵御流体中泥沙颗粒及空蚀的破坏。从而使工件使用寿命延长，保证了使用期的效率。
三、结语
经实际应用过的各种表面防护措施都不同程度地缓解了水轮机过流部件的泥沙磨蚀，但距基本消除泥沙对水轮机过流部件的磨蚀问题还有相当长的距离。由于水轮机过流部件的泥沙磨蚀严重影响到水力发电机组安全稳定运行，研究其磨蚀机理并提出解决问题的方法，特别是试验研究表面防护措施，对于提高水电站的经济效益、延长机组寿命、加快水力资源这一环保可再生能源的开发、促进国民经济的健康可持续发展有着极其重要的意义。
[关键词] 水电站 水轮机 过流部件 磨蚀 防护
一、水轮机过流部件磨蚀机理
水轮机的泥沙磨损是一个非常复杂的过程：具有一定速度的水流中携带的具有冲击动能的沙粒，使过流部件的表面接触点产生弹性变形，继而开始塑性流动形成冲击凹坑；凹坑边缘有坦性变形的挤出堆积物；继续冲击，堆积物再受挤压、变形和移位，并可能从表面脱落；凸起的堆积物易受剪切而折断；反复塑性变形造成冷作硬化变脆，可产生裂纹、扩展、微体积剥落；反复冲击还导致疲劳剥落；尖沙小角度冲击还会产生微切削磨损，由微“划痕”变成宏观“沟槽”；加工不光的表面，其凸出点可能直接被折断或者被切断，会形成扰流而加剧磨损。
1.磨蚀机理
从过流部件的磨蚀外貌分析，鱼鳞、波纹、沟槽状破坏等都具有冲蚀磨损的特征，它们所造成的磨蚀坑内表面光滑，有明显的方向性且与水流的特征方向一致。不同的材料在冲蚀过程中随冲蚀角的变化表现出不同的冲蚀规律：金属材料在低冲蚀角的冲蚀率有一峰值，随冲蚀角的增大冲蚀率下降，这是因为微切削是金属等韧性材料的主要冲蚀机理；裂纹扩展和交错产生脆性断裂是陶瓷等脆性材料的主要冲蚀机理。
造成磨损的主要动力来源是水流给沙粒以速度而产生的功能；其次是水的扰流与脉动。由于脉动的方向多种多样，所以脉动不仅给予泥沙以附加的动力，而且使泥沙以更有利的角度打击过流部件的表面；同时，水流的脉动可能有某种周期性变化（有的试验者在层流中也观察到存在某种周期性变化的现象），这可能是造成波纹、鱼鳞状破坏的原因之一。
对于一定形状和尺寸的沙粒，其冲击动能、冲击速度取决于携沙水流速度，特别是工件表面附近沙粒所处的局部水流速度场。水轮机过流部件因沙粒磨损而产生的宏观体积损失系由单个沙粒冲击所造成的材料微体积或微观质点剥落的无限叠加所形成。沙粒冲击材料表面造成磨损的过程与材料的特性、沙粒的特性以及冲击作用条件有关。具有一定冲击动能的沙粒在冲击材料表面时，材料在接触处首先产生弹性变形，继而在接触处的最大应力位置开始进入塑性流动状态，并随着沙粒动能的消耗，塑性变形区进一步扩大，直到沙粒停止运动为止。其后，材料的表面弹性变形部分将恢复，而翅性变形部分将保留，形成冲击凹坑。在凹坑边缘有塑性变形中挤出的材料堆积。
2.水轮机磨蚀的影响因素
泥沙对水轮机过流部件磨蚀的影响因素很多，可以简单地归纳为以下几个方面：
（1）沙粒的特性，如沙粒硬度、沙粒尺寸、沙粒形状、沙粒聚集程度以及有机物的含量等；
（2）含沙水流的特性，如水流的相对速度、对过流部件的冲击角度、水中腐蚀介质情况和气蚀的影响等；
（3）水轮机的设计和制造因素的影响，如负荷的选择、水轮机流道的参数、过流部件的型线以及产品表面光洁度等；
（4）水轮机过流部件的材料性能，如材料的硬度、韧性、断裂强度、屈服应力、材料表面强化及表面防护涂层的性能等；
（5）电站的土建设计，如取水口的布置，导沙坝、冲沙闸、沉沙池的设置以及机组的选型和机组数量等；
（6）机组的运行控制，如运行参数是否处在设计的最佳状态，以及是否适时采取了调水调沙、泄洪排沙、蓄清排浑措施等。
二、水轮机过流部件磨蚀的表面防护
1.设计制造方面
改善水轮机叶片翼型设计。改善端部形状，使转轮叶片呈光滑流线型，适应水流流线；最大限度使叶片上的压力分布均匀，缩小低压区；叶片背面无隆起的不平整现象，出口边较薄。同时合理选择吸出高度。水轮机气蚀破坏与吸出高度密切相关，选择合适的吸出高度，并相应选就低的数据，可以减轻气蚀破坏，但是会增加厂房开挖深度，增加电站修建成本。选用耐磨蚀材料在材料和工艺上符合设计要求，并尽可能提高表面光洁度，增加部件表面韧度和硬度。
2.运行方面
优化水轮机运行条件，合理选择工作区，尽量避开在容易发生汽蚀工况下运行。必要时向转轮出口补气，将空气送进气蚀区域，降低真空度，降低气泡溃灭时产生的冲击力，从而减轻气蚀破坏。
3.检修方面
（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。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-Ni奥氏体不锈钢型和低碳马氏体不锈钢型等，其中OCrl3Ni4-6MoRe系列低碳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，加工量大，对基体材料的可焊性要求高，不易保证流道型线，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。喷焊法是在喷涂和堆焊基础上发展起来的一种表面防护技术，利用氧气乙炔火焰配合专用喷焊枪，将具有特殊性能的自熔合金粉末喷焊到工件基体表面，形成一层均匀的保护。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EP聚合物、复合尼龙和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，加固化剂组成。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，经同化成膜，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，替代工件表面抵御流体中泥沙颗粒及空蚀的破坏。从而使工件使用寿命延长，保证了使用期的效率。
三、结语
经实际应用过的各种表面防护措施都不同程度地缓解了水轮机过流部件的泥沙磨蚀，但距基本消除泥沙对水轮机过流部件的磨蚀问题还有相当长的距离。由于水轮机过流部件的泥沙磨蚀严重影响到水力发电机组安全稳定运行，研究其磨蚀机理并提出解决问题的方法，特别是试验研究表面防护措施，对于提高水电站的经济效益、延长机组寿命、加快水力资源这一环保可再生能源的开发、促进国民经济的健康可持续发展有着极其重要的意义。