提高水力机械运行的安全性以及寿命的研究

[摘要]主要针对水力机械运行寿命问题，从多个角度对磨蚀机理进行了研究，在总结多年电站工作经验的基NJc_，提出了合理安排水利枢纽、优化水力机械结构和基体材料等常见的抗冲蚀磨损方法，并深入研究了抗磨蚀的新材料和新工艺，对水利机械抗磨损研究的发展方向进行展望，旨在提高水力机械抗磨蚀技术的应用水平。

[关键词]水力机械；寿命；抗磨蚀技术

[中图分类号]035

[文献标识码]A

我国的水力资源较为丰富，水力发电在整个能源结构中有着重要的地位。就目前而言，我国水力资源存在含沙量大，水利机械冲蚀磨损程度较严重，使得水轮机的作用减弱，工作效率下降，转轮出现多次维修或更换，造成机械的使用寿命严重缩短。此外，部分配合使用的零件之间出现空隙，导致机械工作时存在严重的噪声污染。由于水力机械被冲蚀、磨损甚至破坏，导致功率下降，设备检修费用成本上升，给我国电力领域造成了严重的经济损失。因此，我们电力部门要积极开展水力机械抗磨蚀的相关工作，探究水力机械磨蚀机理，开发新技术、新工艺应用于具体的水力机械抗磨蚀工作，从而有效提高水电机组的经济效益和设备的安全运行。

1.磨蚀机理研究

冲蚀磨损的形成过程较为复杂，其中，磨损主要是由于沙粒在水力的作用下对设备材料的表面进行破坏，磨损的程度与水力大小、水流速度、水流含沙量以及材料的基本性能密切相关。而空蚀主要是处于空化区域内空泡的消灭，从而产生了高强度的水锤压力，使材料表面出现了疲劳损坏。由此可见，磨损和空蚀对机械设备的损坏程度存在差异。发生磨损之后，机械表面的性能变化较小，而空蚀则具有极强的渗透性能，设备材料被空蚀之后，会导致材料从主体设备上掉落，设备性能严重降低，甚至破坏整个设备。因此，我们在研究抗磨蚀的具体措施时，主要从减少水流中含沙量、改变机械设备的水力特性以及提升设备材料表面特性等几个方面人手。

2.几种常见的抗磨蚀措施

结合多年的具体实践和经验总结，就目前来说，最为常见的抗冲蚀磨损方法主要有：合理安排水利枢纽、优化水力机械结构和基体材料等，具体分析如下：

2.1水利樞纽的合理布置

在对水电站进行统一设计之时，要充分利用站点的周边环境和地形条件，对流道要充分利用地形，对水工建筑物进行合理布置，主要是为了减少机械内部泥沙的流过，尤其是针对粗颗粒泥沙进行防治。此外，通过水库对泥沙进行调理和整治，减少水流中泥沙的含量。以三门峡水电站为例，该水电站利用地形条件和河床的基本特征，对水流速度以及含沙量进行合理安全和控制，从而有效减少了设备中的含沙量。

2.2优化水力机械结构

一个好的设计能够有效实现河流流速的平稳，减少脱流现象的产生，从而有效防止了泥沙的腐蚀。设计人员主要针对转轮叶片出水边与下环的连接方式进行改进，保证了水流的流速均匀和稳定，大大改善了水力的性能和特征，有效提高了转轮之间的抗磨蚀力。为了减少固体颗粒与机械设备之间的冲击和碰撞，主要利用机械化的手段，对河流通道内部的水流状况进行改变，对水利机械的运行状况进行不断改进和优化，从而有效提高了水力机械的抗磨抗蚀性能。还有部分设计人员在叶轮进口处新增了导轮的设置环节，主要是利用导轮的导向作用，减少水流中沙粒的含量，以此来避免这些颗粒物质在叶轮叶片上进行聚集，这样做的好处就是能够有效降低设备中叶片的磨损程度。此外，还有另一种对射流进行调节的方法，主要是在叶轮上将射流与来流进行混合，并将合成的速度和方向最大化地远离后盖板，从而有效减少了颗粒物对后盖板的损毁，同时射流在叶片的表面产生了涡旋，并将边界层进行了分离，再形成一个气垫，对叶片进行保护，减少了叶片的磨损。

2.3优化水力机械的主体材料

针对水利材料的抗磨损研究，还可以从水力机械主体材料选择的角度上人手，从而有效减少对水力机械的磨损。结合具体实际和相关经验，水力机械主体材料要选择硬度韧性高、质量结构密度高、以及疲劳极限高的综合性物质，同时必须满足具备可加工性的物质材料。

3.抗磨蚀新材料、新工艺研究

冲蚀磨损的发生部位一般是机械设备的表面，因此，对水利机械表面要采取相关的防护技术，能够节省大量的高性能材料，还能对磨损严重的部位进行优质保护，有效解决了设备生产制造过程中的技术工艺问题。就目前国际上的工程技术发展趋势来看，各国正在利用表面防护技术对水力机械进行保护，从而有效提升其抗磨蚀性能。

3.1金属焊条堆焊

该技术的应用范围较广，使用率较高。该方法的对焊层硬度较高，能有效提升抗泥沙磨损能力。该技术的设备使用较为简单，易操作，技术应用于现场施工较为方便可行。利用金属焊条堆焊技术，能够有效将焊层与机械设备形成有机整体，呈现结合强度高的特征。随着该技术的广泛应用，存在些许问题和不足：该技术的冲淡率较大，焊接时容易出现厚度不均匀、加工的余量较大，对于机械设备的可加工性要求较高。

3.2非金属涂层

该技术的主要特征是比较经济划算，能够降低施工成本。将这些非金属涂层涂于水力机械设备的叶片上，有非常良好的抗磨效果。该涂层材料对于工艺的水平要求不高，操作较为简单，施工成本和费用较低，但其缺点是抗空蚀能力较弱。

3.3合金粉末喷焊

该技术主要是通过氧气乙炔火焰加上专用的喷焊枪，将特殊性能的自熔合金粉末喷焊到水利机械的表面，能在机械设备的表面形成一层较为均匀的保护膜。由于喷焊层能够与设备进行有机结合，强度较高，能够明显增强机械设备的抗腐蚀能力，大大提高了工作效率，节省了材料。但是，在进行喷涂的过程中，由于处于高温环境下，容易使设备的叶片产生变形等现象，对喷涂层的力度难以掌握，严重影响了工程的施工效率，该方法主要应用于对老设备的维修。

4.结语

综上所述，对于水力机械的抗磨损研究，从根本上取得了新的进展。但是，就目前的情况而言，水电站存在很多复杂的因素，地形环境差异性较大、施工情况多变，一些严重问题依然没有得到有效解决。因此，我们电力部门需要在保证机械性能稳定的前提下，大力开发抗磨蚀的新材料和新工艺，有效减少固体颗粒对水力机械的磨蚀。

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