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摘要：本文主要就水电站水轮机磨损的形式、原因以及防护水电站水轮机磨损的具体措施进行了分析研究。
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：一是冲蚀磨损;二是汽蚀磨损;三是冲蚀与汽蚀的复合磨损，具体表现在：
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汽流，液流为泥浆型冲蚀，而高速汽流会产生喷砂型冲蚀。
2、汽蚀磨损
汽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，将其称为汽蚀磨损。
3、冲蚀与汽蚀的复合磨损
高速水流在含量有泥沙和汽泡的情况下对流过的材料产生磨损被称之为冲蚀与汽蚀的复合磨损，通常水电行业将其称之为磨蚀。水轮机产生冲蚀与汽蚀的复合磨损主要是在水、汽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、水电站水轮机磨损的原因
1、与磨损物质特性的关系
磨损物质特性主要指泥沙颗粒的成分、大小、硬度、及形状等。颗粒的成分，一般泥沙颗粒的成分主要有石英、长石、云母、铁砂等物质。有些物质的硬度大于部件材质的硬度，而硬度越大，磨损也越严重。颗粒的大小，磨损程度与颗粒的直径成正比，粒径越大磨损越严重。同样颗粒形状不同磨损也不同，尖角的颗粒比圆滑的颗粒磨损要快。
2、与水流特性的关系
水流的特性是指水流中含有泥沙的浓度、水流的速度、水流的方向的冲击角等。水流中含有泥沙的浓度越大，磨损越严重。水流流速越快磨损越历害，水流方向和冲击角不同对磨损有不同的影响。不同条件下的冲蚀磨损试验研究表明，磨损率 W 与磨粒速度 V 有如下关系：
对 n 的取值，研究人员看法不一。Truscott报导了对不同材料，n 值不同，例如，在喷沙装置上，对钢材 St，n = 1.4;橡胶，n = 4.6。Daun等发现对不同试验台 n 值不同，例如旋转式试验台，n =2.5～3;圆盘式，n = 1.8 ～ 2.7;射流式，n = 2 ～ 2.2。由于流速指数值变化很大，在磨损速率预测和模拟时很难给出一个统一的 n 值。
3、与过流部件的材质特性的关系
金属材料的抗磨性取决于材料的物理性：硬度、内部组织、化学成分、粗糙度、表面尺寸、弹性率等。表面硬度越高的材料，磨损量越小，材料的内部组织越密实，晶体结构越均匀抗磨性越好，表面粗糙度起好，抗磨性越好。
4、与运行方式的关系
当水轮机运行情况良好汽蚀和磨损不产生联合作用时，汽蚀与磨损情况是不同的。当机组处于非设计工况运行时产生的汽蚀，会与泥沙对机件表面产生联合作用加大磨损的速度。
三、水电站水轮机磨损的防护措施
1、合理选择防护方案
以水电机组叶轮防护处理技术为例，磨蚀分两个方面：叶轮正面的磨蚀和叶轮背面的气蚀。叶轮正面的磨蚀主要是含沙水流的冲击和碰撞造成的，背面的气蚀是空化造成的。复合树脂金刚砂材料硬度高，有较高的邵氏硬度，可提高过流部件抗冲击和磨损的性能，适用于叶轮正面的磨蚀防护。聚氨酯弹性体技术抗磨蚀性能好，具有一定的弹性，有较好的抗撕裂强度，可防止高速水流中砂粒、石块对叶片产生划伤和撕裂破坏，适用于叶轮背面的气蚀防护。
2、合理选择防护技术
2.1 “硬抗”技术
由于水流中含有一定硬度的泥沙、石块等颗粒状物体，这些物体高速进入机组后，对机组产生很强的撞击、切削破坏。针对这种磨蚀破坏情况，则要采用有一定硬度的抗磨蚀防护材料。目前主要有复合树脂金刚砂技术、耐磨焊条技术、热镀硬铬技术、金属陶瓷技术等。这类抗磨蚀防护技术称为“硬抗”。
2.2 “软抗”技术
由于机组过流部件存在某些缺陷，造成机组内部压强不均匀，进而产生普遍存在的气蚀现象。其周围的液体以极高的速度冲向机组部件的表面，产生高强度的冲击波，产生噪音并引起振动。另外，液体中的微量溶解氧及酸碱性物质的化学腐蚀作用，对金属材料也会产生化学腐蚀破坏。针对这种空蚀破坏情况，则要采用有一定弹性（韧性）及抗腐蚀性能的高分子抗磨蚀材料，主要有聚氨酯和超高密度聚乙烯材料等。这类抗磨蚀防护技术称为 “软抗”。
3、焊接修复技术
焊接是目前水轮机修复的重要方法。目前，主要方式有补焊、喷焊、利用防护材料修复等。对于Cr13型马氏体不锈钢来说，焊后即使是空冷也会由高温状态的奥氏体转变为马氏体，并表现出明显的淬硬倾向。当采用材质相同的焊接材料焊接Cr13型马氏体不锈钢时，为了细化焊缝金属的晶粒，提高焊缝的塑性和韧性，焊接材料中通常会添加少量的M o、Ti、Al 等合金元素，同时采用特定的工艺措施。对于含碳量低的马氏体不锈钢，冷却结晶时会转变为低碳马氏体，不会表现出显著的淬硬倾向。且不同的冷却速度，对焊缝和热影响区的硬度不会有明显的影响，且具有良好的焊接性。这种不锈钢经过淬火或回火处理后，由于韧化的奥氏体均匀的弥散分布于回火马氏体的基体，使其具有较高的轻度和良好的塑性及韧性。表现出强韧性良好的匹配和优良的耐蚀能力。具体的焊接方法包括以下几种：
3.1 低电压短弧焊法
在整个焊接过程中保持弧长不变，收弧时应填满弧坑。在多层焊接时，每焊完一层应彻底清除熔渣，待冷却后再焊接下一层，并尽量减少焊接层数，以避免重复加热，否则会使热影响区扩大，降低焊缝的抗腐蚀性能。由此可见，在使用焊条焊接1Cr13型马氏体不锈钢时，对焊接手法和运条方法都有较高的要求，而且在工程量日益增大的今天，其生产效率也是问题。
3.2 熔化极气体保护焊
熔化极气体保护焊有焊接效率高、熔合比低、焊接变形小等特点，可以满足水轮机焊接的需要，并且该方法的焊接成本相对较低。因此，焊接Cr13Ni 5型马氏体不锈钢可使用E410Ni M o药芯焊丝。首先，药芯焊丝对钢材焊接的适应性比较好，能够方便和准确的调整焊剂的成分和比例，使熔敷金属可以满足焊缝所需求的化学成分。其次，药芯焊丝的工艺性能好，焊缝成形美观。药芯焊丝采用气渣联合保护，获得良好成形性。药芯中加入稳弧剂使电弧更稳定，熔滴过渡更为均匀，使焊接过程中飞溅少且颗粒细小。最后，药芯焊丝在生产过程中，对环境的污染小于焊条和实芯焊丝。因此，推荐水轮机的修复采用相应的药芯焊丝焊接。
3.3 带极电渣焊
带极电渣焊是一种高效的焊接方法，自动化程度较高。通常，焊接Cr13Ni 5型马氏体不锈钢可以使用D410Ni M oL焊带进行焊接。目前，东方电气公司已经成功的使用该方法对水轮机进行了焊接，但工装极为复杂，且需要巨型的变位设备，其推广起来有一定困难。另外该种方法高温停留的时间长，难以控制熔合区的组织成分，从而对其使用性能有一定的影响。
结束语
综上所述，水电站水轮机的磨损会给其运行效率产生极大的影响，因此，需要对于其磨损的形式与原因进行分析，并采取相应措施，进一步加强水电站水轮机磨损的防护，从而为水电站的正常运行提供有效保障。
参考文献：
[1]王志高.三门峡水电站水轮机磨蚀与防护[J].水利水电工程设计，1998，01：41-44.
[2]庞学健.浅谈我处小水电站水轮机空蚀磨损及防护[J].科技资讯，2008，06：20.
[3]谢翠松，段文忠，谢葆玲，杨国录.水轮机沙粒磨损问题研究[J].湖北水力发电，2002，01：37-40.
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：一是冲蚀磨损;二是汽蚀磨损;三是冲蚀与汽蚀的复合磨损，具体表现在：
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汽流，液流为泥浆型冲蚀，而高速汽流会产生喷砂型冲蚀。
2、汽蚀磨损
汽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，将其称为汽蚀磨损。
3、冲蚀与汽蚀的复合磨损
高速水流在含量有泥沙和汽泡的情况下对流过的材料产生磨损被称之为冲蚀与汽蚀的复合磨损，通常水电行业将其称之为磨蚀。水轮机产生冲蚀与汽蚀的复合磨损主要是在水、汽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、水电站水轮机磨损的原因
1、与磨损物质特性的关系
磨损物质特性主要指泥沙颗粒的成分、大小、硬度、及形状等。颗粒的成分，一般泥沙颗粒的成分主要有石英、长石、云母、铁砂等物质。有些物质的硬度大于部件材质的硬度，而硬度越大，磨损也越严重。颗粒的大小，磨损程度与颗粒的直径成正比，粒径越大磨损越严重。同样颗粒形状不同磨损也不同，尖角的颗粒比圆滑的颗粒磨损要快。
2、与水流特性的关系
水流的特性是指水流中含有泥沙的浓度、水流的速度、水流的方向的冲击角等。水流中含有泥沙的浓度越大，磨损越严重。水流流速越快磨损越历害，水流方向和冲击角不同对磨损有不同的影响。不同条件下的冲蚀磨损试验研究表明，磨损率 W 与磨粒速度 V 有如下关系：
对 n 的取值，研究人员看法不一。Truscott报导了对不同材料，n 值不同，例如，在喷沙装置上，对钢材 St，n = 1.4;橡胶，n = 4.6。Daun等发现对不同试验台 n 值不同，例如旋转式试验台，n =2.5～3;圆盘式，n = 1.8 ～ 2.7;射流式，n = 2 ～ 2.2。由于流速指数值变化很大，在磨损速率预测和模拟时很难给出一个统一的 n 值。
3、与过流部件的材质特性的关系
金属材料的抗磨性取决于材料的物理性：硬度、内部组织、化学成分、粗糙度、表面尺寸、弹性率等。表面硬度越高的材料，磨损量越小，材料的内部组织越密实，晶体结构越均匀抗磨性越好，表面粗糙度起好，抗磨性越好。
4、与运行方式的关系
当水轮机运行情况良好汽蚀和磨损不产生联合作用时，汽蚀与磨损情况是不同的。当机组处于非设计工况运行时产生的汽蚀，会与泥沙对机件表面产生联合作用加大磨损的速度。
三、水电站水轮机磨损的防护措施
1、合理选择防护方案
以水电机组叶轮防护处理技术为例，磨蚀分两个方面：叶轮正面的磨蚀和叶轮背面的气蚀。叶轮正面的磨蚀主要是含沙水流的冲击和碰撞造成的，背面的气蚀是空化造成的。复合树脂金刚砂材料硬度高，有较高的邵氏硬度，可提高过流部件抗冲击和磨损的性能，适用于叶轮正面的磨蚀防护。聚氨酯弹性体技术抗磨蚀性能好，具有一定的弹性，有较好的抗撕裂强度，可防止高速水流中砂粒、石块对叶片产生划伤和撕裂破坏，适用于叶轮背面的气蚀防护。
2、合理选择防护技术
2.1 “硬抗”技术
由于水流中含有一定硬度的泥沙、石块等颗粒状物体，这些物体高速进入机组后，对机组产生很强的撞击、切削破坏。针对这种磨蚀破坏情况，则要采用有一定硬度的抗磨蚀防护材料。目前主要有复合树脂金刚砂技术、耐磨焊条技术、热镀硬铬技术、金属陶瓷技术等。这类抗磨蚀防护技术称为“硬抗”。
2.2 “软抗”技术
由于机组过流部件存在某些缺陷，造成机组内部压强不均匀，进而产生普遍存在的气蚀现象。其周围的液体以极高的速度冲向机组部件的表面，产生高强度的冲击波，产生噪音并引起振动。另外，液体中的微量溶解氧及酸碱性物质的化学腐蚀作用，对金属材料也会产生化学腐蚀破坏。针对这种空蚀破坏情况，则要采用有一定弹性（韧性）及抗腐蚀性能的高分子抗磨蚀材料，主要有聚氨酯和超高密度聚乙烯材料等。这类抗磨蚀防护技术称为 “软抗”。
3、焊接修复技术
焊接是目前水轮机修复的重要方法。目前，主要方式有补焊、喷焊、利用防护材料修复等。对于Cr13型马氏体不锈钢来说，焊后即使是空冷也会由高温状态的奥氏体转变为马氏体，并表现出明显的淬硬倾向。当采用材质相同的焊接材料焊接Cr13型马氏体不锈钢时，为了细化焊缝金属的晶粒，提高焊缝的塑性和韧性，焊接材料中通常会添加少量的M o、Ti、Al 等合金元素，同时采用特定的工艺措施。对于含碳量低的马氏体不锈钢，冷却结晶时会转变为低碳马氏体，不会表现出显著的淬硬倾向。且不同的冷却速度，对焊缝和热影响区的硬度不会有明显的影响，且具有良好的焊接性。这种不锈钢经过淬火或回火处理后，由于韧化的奥氏体均匀的弥散分布于回火马氏体的基体，使其具有较高的轻度和良好的塑性及韧性。表现出强韧性良好的匹配和优良的耐蚀能力。具体的焊接方法包括以下几种：
3.1 低电压短弧焊法
在整个焊接过程中保持弧长不变，收弧时应填满弧坑。在多层焊接时，每焊完一层应彻底清除熔渣，待冷却后再焊接下一层，并尽量减少焊接层数，以避免重复加热，否则会使热影响区扩大，降低焊缝的抗腐蚀性能。由此可见，在使用焊条焊接1Cr13型马氏体不锈钢时，对焊接手法和运条方法都有较高的要求，而且在工程量日益增大的今天，其生产效率也是问题。
3.2 熔化极气体保护焊
熔化极气体保护焊有焊接效率高、熔合比低、焊接变形小等特点，可以满足水轮机焊接的需要，并且该方法的焊接成本相对较低。因此，焊接Cr13Ni 5型马氏体不锈钢可使用E410Ni M o药芯焊丝。首先，药芯焊丝对钢材焊接的适应性比较好，能够方便和准确的调整焊剂的成分和比例，使熔敷金属可以满足焊缝所需求的化学成分。其次，药芯焊丝的工艺性能好，焊缝成形美观。药芯焊丝采用气渣联合保护，获得良好成形性。药芯中加入稳弧剂使电弧更稳定，熔滴过渡更为均匀，使焊接过程中飞溅少且颗粒细小。最后，药芯焊丝在生产过程中，对环境的污染小于焊条和实芯焊丝。因此，推荐水轮机的修复采用相应的药芯焊丝焊接。
3.3 带极电渣焊
带极电渣焊是一种高效的焊接方法，自动化程度较高。通常，焊接Cr13Ni 5型马氏体不锈钢可以使用D410Ni M oL焊带进行焊接。目前，东方电气公司已经成功的使用该方法对水轮机进行了焊接，但工装极为复杂，且需要巨型的变位设备，其推广起来有一定困难。另外该种方法高温停留的时间长，难以控制熔合区的组织成分，从而对其使用性能有一定的影响。
结束语
综上所述，水电站水轮机的磨损会给其运行效率产生极大的影响，因此，需要对于其磨损的形式与原因进行分析，并采取相应措施，进一步加强水电站水轮机磨损的防护，从而为水电站的正常运行提供有效保障。
参考文献：
[1]王志高.三门峡水电站水轮机磨蚀与防护[J].水利水电工程设计，1998，01：41-44.
[2]庞学健.浅谈我处小水电站水轮机空蚀磨损及防护[J].科技资讯，2008，06：20.
[3]谢翠松，段文忠，谢葆玲，杨国录.水轮机沙粒磨损问题研究[J].湖北水力发电，2002，01：37-40.