泥沙粒徑級配對水輪機材料磨蝕性能的影響

任 巖

（華北水利水電學院，河南 鄭州 450011）

0 引言

為了用更加科學的方法防治和減輕黃河上水電站的泥沙磨蝕，有必要對水輪機的磨蝕特性進行系統研究，為黃河上水電站的合理調度與磨蝕表面防護等提供科學依據。

理論研究和實踐都表明，水輪機過流部件的磨蝕除了與水流的含沙量、水流速度有關系之外，還與泥沙的礦物成分組成及比例、沙粒的粒徑及級配有直接關系[1]。測定在不同泥沙粒徑和不同級配條件下水輪機材料的磨蝕失重量與磨蝕失重率，可判斷材料的磨蝕失效特性。

1 泥沙粒徑級配

試驗沙樣取自三門峽庫區的原型沙。泥沙級配的粒徑分別為： d1=100～250 μm； d2=50～100 μm；d3=25～50 μm； d4=10～25 μm； d5≤10 μm。泥沙粒徑級配曲線如圖1所示。

圖1 泥沙粒徑級配曲線

2 水輪機材料的磨蝕與沙粒粒徑的關系

圖2 各流速下材料磨蝕與沙粒徑關系曲線

水輪機材料選用馬氏體不銹鋼。為了描述不同時段材料磨蝕與泥沙粒徑的關系，繪制了各流速時各時段材料的磨蝕失重量Wt（mg）與沙粒粒徑d（μm）的關系曲線（見圖2）。還對不同時段的曲線進行了回歸計算，以磨蝕累計時間給出了磨蝕量與泥沙粒徑關系的回歸式，分別鑲嵌于各圖中，R2表示磨蝕量與沙粒粒徑的相關系數。材料磨蝕量與泥沙粒徑具有良好的相關性。

由圖2可以看出，在設定的流速V＝20～40 m/s范圍內，材料的磨蝕量隨泥沙粒徑的增大而增大，材料的失重與泥沙粒徑呈冪函數關系。對數據進行回歸分析得到本試驗中2Cr13材料的磨蝕回歸式

式中，Wt為材料的失重量，mg；K為與材料、含沙量、沙粒形狀與礦物成分等有關的系數，由試驗確定；d為試驗泥沙粒徑，μm；n為粒徑d的冪，本試驗中，n＝1.050 7～1.435 1，平均 n=1.182 9。

3 水輪機材料相對磨蝕強度與泥沙粒徑級配的關系

為了比較不同泥沙粒徑級配情況下的材料磨蝕特性，以d=25～50 μm時的磨蝕強度為1，建立材料的相對磨蝕強度與泥沙粒徑級配的關系曲線（見圖 3、 4）。

圖3 材料相對磨蝕強度與泥沙粒徑的關系

3.1 材料磨蝕與泥沙粒徑關系的一般規律

圖4 材料在不同泥沙粒徑時磨蝕強度對比

由圖3可以看出，在流速V=20～45 m/s范圍內，材料的相對磨蝕強度趨向于同一曲線；而且，均在d50=33.2 μm處出現轉折點，這說明當d＞d50時，材料的磨蝕率加大；材料磨蝕與泥沙粒徑級配的關系在不同流速下遵循同一規律，近似呈冪函數關系，冪指數，n＝1.030 7～1.435 1。泥沙粒徑較小時，相對磨蝕強度較小，泥沙粒徑增大時，相對磨蝕強度隨之增大。d=10 μm時的相對磨蝕強度僅是d=25～50 μm 時的 16%，而 d=100～250 μm 時的相對磨蝕強度則是d=25～50 μm時的2.6倍。近年來，黃河各水電站的過機泥沙中值粒徑在10～100 μm之間，當泥沙粒徑d大于25 μm時，對水輪機的磨蝕作用會顯著加大。

3.2 關鍵數據與臨界參數

為了進一步分析材料的磨蝕與泥沙粒徑的關系，從試驗數據中整理、繪制出累計磨蝕時間均為14 h時，各流速下的磨蝕量Wt與泥沙粒徑d的關系曲線（見圖 5）。

圖5 試驗累計14 h材料的磨蝕與泥沙粒徑關系

圖5進一步說明如下事實：

（1）當泥沙粒徑級配大于試驗沙的中值粒徑（d50=33.2 μm，d=25～50 μm） 時，材料失重量加大。

（2）當流速大于30 m/s時，磨蝕明顯加大。

（3）以V≥30 m/s和d50=33.2 μm兩個標志性數據建立材料泥沙磨蝕的速度粒徑判數，有V/d50=30/33.2=0.904 m·s-1·μm-1。本試驗中，當 V/d50＞0.904 m·s-1·μm-1時磨蝕加快。

（4）三門峽水電站在汛期過機泥沙的中值粒徑d50=31 μm，水輪機葉片外緣區的相對流速V=35 m/s，泥沙中值粒徑稍小于本試驗的中值粒徑，但流速正是磨蝕加速區，因此水輪機的磨蝕十分嚴重。

4 結論

（1）材料的磨蝕與泥沙級配之間的關系可表示為：Wt=Kd1.1829。

（2） 當流速 V≥30 m/s和泥沙粒徑 d50≥33.2 μm（d≥25～50 μm） 時磨蝕加快。

（3）本試驗泥沙磨蝕的速度粒徑判數V/d50=0.904 m·s-1·μm-1，可稱為三門峽水輪機泥沙磨蝕的速度粒徑判數。

［1］吳培豪.影響磨損的因素磨損磨蝕機理影響因素等綜述［G］//全國水機磨蝕試驗研究中心.水機磨蝕，2004.

［2］黃河水利委員會三門峽水利樞紐汛期發電試驗研究組.三門峽水利樞紐汛期發電試驗研究報告［R］.黃河水利委員會三門峽水利樞紐，2000.

［3］任巖，李興易，張小寶.高速氧燃噴涂碳化鎢在水輪機磨蝕防護中的應用［J］.水力發電，2009，35（8）:61-63.

［4］孟安波，顏廷松，陳德新.多泥沙河流水電站機組檢修策略的探討［J］.水力發電，2007，33（12）:47-49.

［5］任巖，魯改鳳，王龍，等.黃河上的水電站水輪機磨蝕狀態檢修的研究［J］.水力發電，2010，36（4）:57-59.