磨蝕

磨蝕是指風力、流水、波浪和冰川等所攜碎屑物對基岩進行的機械磨損。亦即侵蝕或刻蝕輔之以對岩石的擦劃（scratching）和沖蝕（scouring）。象用砂紙將岩石打磨過一樣，給留下平滑、光溜的表面。磨損也表示碎屑物自身在搬運過程中的磨損，並因而變得越來越小。

磨蝕的第二種定義如下：

材料在腐蝕和磨耗的綜合作用下所產生的破壞現象，也稱磨耗腐蝕（erosioncorrosion）。磨耗是流體運動等機械作用的結果，流動的液體或氣體不斷衝惻材料表面，不僅直接磨耗材料，而且破壞材料表面的保護膜，使新鮮的材料表面不斷與腐蝕性流體接觸，而加速了腐蝕作用。當流體中含有固體粒子時磨蝕更為嚴重。在水力發電機的翼輪、船舶的推進器、水管彎曲處最為常見 ^[1]  。

我國河流眾多且水力資源非常豐富，居世界前列。但其中大多數河流泥沙含量相當高，特別是黃河以多泥沙而聞名於世，其含沙量為全世界最多，年平均輸沙量達16億t，年均含沙量34kg/m³。長江的水流含沙量雖然不高，但是因水量充沛，輸沙量大，年均輸沙量達5.01億t。水中所含固體顆粒大小以及硬度的不同還有過流部件的形狀的原因，使得水輪機發生磨蝕現象，特別在含沙量大的河流，水輪機過流部件磨蝕情況特別嚴峻。

造成水輪機過流部件表面上出現破壞是水輪機泥沙磨損的外在後果。同時也引起一系列間接後果，使水電站技術經濟效益大為降低。

（1）水輪機效率下降。混流式水輪機上下部迷宮環間隙和軸流式及斜流式水輪機葉片與轉輪室之間的間隙，由於沙粒磨損的原因，漸漸變大，而引起水輪機的容積效率下降。

（2）水電站檢修頻率增大，檢修工作量增加。修建在含泥沙量大的河流上的水輪機，它沙粒磨損狀況是決定檢修頻率以及檢修量的最重要的依據。河流的洪峯的沙峯幾乎都是出現在汛期。因此，河流各梯級電站的水輪機在汛期都承受嚴重的沙粒磨損，汛期後都需要及時檢修。

（3）降低水電站運行質量。水輪機過流部件被泥沙衝擊後而造成外表不光滑，加快了水流的局部擾動和空化的進展；轉輪的磨損導致不對稱，尤其是其中有的葉片的出口邊由於磨蝕破壞出現折斷時，將會導致水力的和機械的不平衡 ^[2]  。

（1）水輪機過流部件表面防護技術。對於表面的保護普遍使用的金屬材料有碳化鎢、金屬陶瓷、抗磨焊條、高強度不鏽鋼等，經常用鋪焊、堆焊、噴焊等辦法包裹於過流部件上；非金屬材料有環氧金剛砂、複合樹脂、聚氨酯橡膠、複合尼龍和其他高分子材料，經常使用澆注、塗抹等方式包裹於過流部件上。

（2）減少過機泥沙。在泥沙量大河流上，採用多種方法來降低通過水輪機水流中泥沙含量是減弱水輪機泥沙磨蝕的主要手段。最初在黃河上建設的水電站就是因為在設計時沒有酌量排沙措施，導致大量泥沙淤積在大壩上游，汛期時水流中含有大量泥沙，致使水輪機磨蝕非常嚴重，鹽鍋峽、改造前的三門峽皆有這種教訓。

所以，建設排沙洞，沉沙池等用於降低過機泥沙的措施在隨後含沙量高河流上建設的水電站設計中受到普遍注意。另外，經過水沙優化調度，利用洪水把泥沙排走，最重要的是由於將大顆粒泥沙沖走，避免機組在汛期時水流中含沙量大的時候工作，俱可極大地減弱泥沙磨蝕的程度，再把表面保護措施結合使用，乃至能在汛期內能實現渾水發電。

（3）合理地選擇水輪機的設計。水輪機設計參數選取時該酌情減小參數水平，應留心掌握減少轉輪出口的相對水流，使轉輪到達最佳比轉速。並且對轉輪葉片進行優化設計，並且注意增加導葉分佈圓的直徑，使用合適的導葉翼型等措施。

（4）提高水輪機制造水平。轉輪葉片母材應選用抗磨性能優良的原料，讓過流部件的抗磨蝕性能有極大增強。

水力機械應用的環境不是固定不變的，這個科研難題一直困擾着人們，其機理的探索一直讓科研人員熱情高漲。為了弄清水力機械材料磨蝕特性和預防材料磨蝕，科研人員前前後後進行了許多磨蝕實驗研究和數值模擬研究，主要包括：

（1）空蝕機理研究

空蝕是由於在機體內部壓強降低時，壓強小於流動介質的飽和蒸汽壓時，流動介質會汽化生成空泡，空泡跟隨流動在設備結構固定表面潰滅所造成表面破壞。研究空蝕破壞有幾個突破點，分別是機體內部的壓強變化，氣泡的形成，還有氣泡潰滅所發生的反應。

（2）沖蝕磨損研究

當前涉及流體處理的機械和設備的經濟有效運行越來越依賴利用高耐腐蝕性和良好耐磨性的材料，而沖蝕磨損是造成材料表面破壞的最直觀的因素，在很多工業部門都或多或少的存在沖蝕磨損，特別是在水力機械設備實際運行工況中，沖蝕磨損一般涉及到多相流，在多相流問題中，沖蝕磨損很複雜，人們在不斷的探索中。

（3）空蝕與沖蝕聯合破壞磨損研究

在水力機械實際運行工況中，環境因素複雜，水力機械過流部件不會單純的受到空蝕磨損或沖蝕磨損，而是空蝕與沖蝕聯合作用磨損相當突出，將空蝕和沖蝕聯合破壞簡稱為磨蝕。磨蝕要比以上單純的一種磨損破壞更快，更嚴重。研究人員也越來越關注這種現象，為預防磨蝕做了很多研究，種種研究方法和成果被運用到了實際生產當中，降低了生產損失，為水力機械可靠長遠運行提供了技術支持 ^[3]  。

（1）聚氨酯複合樹脂砂漿技術

聚氨酯複合樹脂砂漿由高抗磨蝕聚氨酯彈性體材料、彈性環氧樹脂、固化劑、硬金屬粉、棕剛玉、耐水劑等組成，該塗層綜合性能優。塗層厚度一般為2~6mm，設計壽命10年以上。通過採用聚氨酯複合樹脂砂漿技術對水輪機過流部件進行磨蝕防護，不僅其抗磨性能顯著提高，而且還克服了環氧金剛砂塗層在水機應用中抗汽蝕性能差的缺點，該技術適用於水輪機蝸殼、座環、導葉、轉輪葉片正面等部位的磨蝕防護 ^[4]  。

該技術已在三門峽、青銅峽、葛洲壩、劉家峽、碧口、新疆烏魯瓦提、瑪納斯、萬家寨等水電站進行了應用，取得了較好的磨蝕防護效果。

（2）改性聚氨酯塗層技術

1）注聚氨酯彈性體塗層。聚氨酯被公認為抗汽蝕性能最好的材料，塗層抗汽蝕性能是不鏽鋼的十倍以上。該塗層澆注成型，通過強力粘接劑和機械連接方式，與防護面結合力大大增強（附着力達到40MPa），不易發生剝離和撕裂現象，塗層厚度一般2~5mm，設計壽命10年以上。該技術適用於水機磨蝕破壞的強汽蝕區，如水輪機和水泵轉輪葉片背面、水輪機轉輪活動止漏環等部位。

該技術已在萬家寨水電站、固海揚黃泵站進行了應用。

2）高彈性聚氨酯漆

水工閘門、水輪機導葉、蝸殼長期遭受高速含沙水流沖蝕，易發生磨蝕破壞。採用高彈性聚氨酯漆進行防護，工藝簡單，質量可控，磨蝕防護效果較好。

高彈性聚氨酯漆通過噴塗成型，主要基料為高抗磨蝕聚氨酯，分底漆和麪漆，底漆為防鏽塗料，面漆為不鏽鋼鱗片阻水材料。與普通防腐油漆相比，該耐磨漆具有高抗磨性和高防腐性雙重功能，塗層漆膜附着力一級以上，高彈性，抗衝擊能力強；漆膜耐磨蝕能力強，抗汽蝕能力是普通重防腐漆的20倍以上；抗老化能力強，水中浸泡20年，其性能下降不超過10%。該技術適用於水工閘門、水輪機蝸殼、導葉等部位的磨蝕防護。

該技術已在小浪底水電站、烏魯瓦提水電站進行了應用。

（3）鋼塑複合聚氨酯產品

1）鋼塑複合聚氨酯導葉密封板。鋼塑複合聚氨酯導葉密封板為矩形板狀結構，中間凸起，導葉小頭的剛性密封面與大頭的彈性密封面剛柔結合，具有一定的互補作用，可有效抑制漏水。既解決了密封裝置的磨損問題，又使導葉密封性大大提高，改善了正常停機時因導葉漏水而導致的機組“潛動”現象，大大提高了機組的發電效率。

該產品已在碧口、青銅峽、萬家寨等水電站推廣應用。

2）鋼塑複合聚氨酯抗磨板。引進美國四氫呋喃聚醚原料，加以改性使其耐水性和耐候性大大增強，採用鋼塑複合技術加工成鋼塑複合聚氨酯抗磨板。其具有長期使用不變形、抗磨蝕效果良好的優點，與導葉密封板配合使用，機組止水密封效果優異。抗磨尺寸根據機組尺寸進行專業訂製，設計壽命20年以上。

該產品已在劉家峽、青銅峽等水電站進行應用。