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提高水力機械運行的安全性以及壽命的研究
鹽城市鹽龍湖飲用水源管理處 蔣斌 2016/2/11 18:38:09
摘要：本文主要針對水力機械運行壽命問題，從多個角度對磨蝕機理進(jìn)行了研究，在總結(jié)多年電站工作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了合理安排水利樞紐、優(yōu)化水力機械結(jié)構(gòu)和基體材料等常見的抗沖蝕磨損方法，并深入研究了抗磨蝕的新材料和新工藝，對水利機械抗磨損研究的發(fā)展方向進(jìn)行展望，旨在提高水力機械抗磨蝕技術(shù)的應(yīng)用水平�！ �
關(guān)鍵詞：水力機械；壽命；抗磨蝕技術(shù)
我國的水力資源較為豐富，水力發(fā)電在整個能源結(jié)構(gòu)中有著重要的地位。就目前而言，我國水流資源存在含沙量大，水利機械沖蝕磨損程度較嚴(yán)重，使得水輪機的作用減弱，工作效率下降，轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)多次維修或更換，造成機械的使用壽命嚴(yán)重縮短。此外，部分配合使用的零件之間出現(xiàn)空隙，導(dǎo)致機械工作時存在嚴(yán)重的噪聲污染。由于水力機械被沖蝕、磨損甚至破壞，導(dǎo)致功率下降，設(shè)備檢修費用成本上升，給我國電力領(lǐng)域造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。因此，我們電力部門要積極開展水力機械抗磨蝕的相關(guān)工作，探究水力機械磨蝕機理，開發(fā)新技術(shù)、新工藝應(yīng)用于具體的水力機械抗磨蝕工作，從而有效提高水電機組的經(jīng)濟效益和設(shè)備的安全運行。
一、磨蝕機理研究
沖蝕磨損的形成過程較為復(fù)雜，其中，磨損主要是由于沙粒在水力的作用下對設(shè)備材料的表面進(jìn)行破壞，磨損的程度與水力大小、水流速度、水流含沙量以及材料的基本性能密切相關(guān)。而空蝕主要是處于空化區(qū)域內(nèi)空泡的消滅，從而產(chǎn)生了高強度的水錘壓力，使材料表面出現(xiàn)了疲勞損壞。由此可見，磨損和空蝕對機械設(shè)備的損壞程度存在差異。發(fā)生磨損之后，機械表面的性能變化較小，而空蝕則具有極強的滲透性能，設(shè)備材料被空蝕之后，會導(dǎo)致材料從主體設(shè)備上掉落，設(shè)備性能嚴(yán)重降低，甚至破壞整個設(shè)備。因此，我們在研究抗磨蝕的具體措施時，主要從減少水流中含沙量、改變機械設(shè)備的水力特性以及提升設(shè)備材料表面特性等幾個方面入手。
二、幾種常見的抗磨蝕措施
結(jié)合多年的具體實踐和經(jīng)驗總結(jié)，就目前來說，最為常見的抗沖蝕磨損方法主要有：合理安排水利樞紐、優(yōu)化水力機械結(jié)構(gòu)和基體材料等，具體分析如下：
（一）水利樞紐的合理布置
在對水電站進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計之時，要充分利用站點的周邊環(huán)境和地形條件，對流道要充分利用地形，對水工建筑物進(jìn)行合理布置，主要是為了減少機械內(nèi)部泥沙的流過，尤其是針對粗顆粒泥沙進(jìn)行防治。此外，通過水庫對泥沙進(jìn)行調(diào)理和整治，減少水流中泥沙的含量。以三門峽水電站為例，該水電站利用地形條件和河床的基本特征，對水流速度以及含沙量進(jìn)行合理安全和控制，從而有效減少了設(shè)備中的含沙量。
（二）優(yōu)化水力機械結(jié)構(gòu)
一個好的設(shè)計能夠有效實現(xiàn)河流流速的平穩(wěn)，減少脫流現(xiàn)象的產(chǎn)生和出現(xiàn)，從而有效防止了泥沙的腐蝕。設(shè)計人員主要針對轉(zhuǎn)輪葉片出水邊與下環(huán)的連接方式進(jìn)行改進(jìn)，保證了水流的流速均勻和穩(wěn)定，大大改善了水力的性能和特征，有效提高了轉(zhuǎn)輪之間的抗磨蝕力。為了減少固體顆粒與機械設(shè)備之間的沖擊和碰撞，主要利用機械化的手段，對河流通道內(nèi)部的水流狀況進(jìn)行改變，對水利機械的運行狀況進(jìn)行不斷改進(jìn)和優(yōu)化，從而有效提高了水力機械的抗磨抗蝕性能。還有部分設(shè)計人員在葉輪進(jìn)口處新增了導(dǎo)輪的設(shè)置環(huán)節(jié)，主要是利用導(dǎo)輪的導(dǎo)向作用，減少水流中沙粒的含量，以此來避免這些顆粒物質(zhì)在葉輪葉片上進(jìn)行聚集，這樣做的好處就是能夠有效降低設(shè)備中葉片的磨損程度。此外，還有另一種對射流進(jìn)行調(diào)節(jié)的方法，主要是在葉輪上將射流與來流進(jìn)行混合，并將合成的速度和方向最大化的遠(yuǎn)離后蓋板，從而有效減少了顆粒物對后蓋板的損毀，同時射流在葉片的表面產(chǎn)生了渦旋，并將邊界層進(jìn)行了分離，再形成一個氣墊，對葉片進(jìn)行保護(hù)，減少了葉片的磨損。
（三）優(yōu)化水力機械的主體材料
針對水利材料的抗磨損研究，還可以從水力機械主體材料選擇的角度上入手，從而有效減少對水力機械的磨損。結(jié)合具體實際和相關(guān)經(jīng)驗，水力機械主體材料要選擇硬度韌性高、質(zhì)量結(jié)構(gòu)密度高、以及疲勞極限高的綜合性物質(zhì)，同時必須滿足具備可加工性的物質(zhì)材料。
三、抗磨蝕新材料、新工藝研究
沖蝕磨損的發(fā)生部位一般是機械設(shè)備的表面，因此，對水利機械表面要采取相關(guān)的防護(hù)技術(shù)，能夠節(jié)省大量的高性能材料，還能對磨損嚴(yán)重的部位進(jìn)行優(yōu)質(zhì)保護(hù)措施，有效解決了設(shè)備生產(chǎn)制造過程中的技術(shù)工藝問題。就目前國際上的工程技術(shù)發(fā)展趨勢，各國正在利用表面防護(hù)技術(shù)對水力機械進(jìn)行保護(hù)，從而有效提升其抗磨蝕性能。
（一）金屬焊條堆焊
該技術(shù)的應(yīng)用范圍較廣，使用率較高。該方法的對焊層硬度較高，能有效提升抗泥沙磨損能力。該技術(shù)的設(shè)備使用較為簡單，易操作，技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場施工較為方便可行。利用金屬焊條堆焊技術(shù)，能夠有效將焊層與機械設(shè)備形成有機整體，呈現(xiàn)結(jié)合強度高的特征。隨著（未完，下一頁）
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