沙粒粒径对水力机械材料磨蚀性能的影响

沙粒粒径对水力机械材料磨蚀性能的影响

韦占政

黔西南州水利电力勘测设计院 贵州兴义 562400

摘要：由于可再生能源日渐枯竭及生态污染严重，倡导可持续的能源生产是当前经济发展的趋势。其中水力发电是一种应用范围较广的可再生能源发电，不仅具有发电效率高、清洁无污染的优势，还能够减少发电的运行成本，是一项经济环保的发电技术，因此大力发展水力发电技术对于我国缓解能源需求、改善环境污染有着重要作用。但目前我国多数的水电站都位于泥沙较多的地理环境中，沙粒磨蚀水力机械的问题日益严重，大大影响了水力机械运行的稳定性，也为我国水力发电技术的发展带来了阻碍。本文将重点探讨沙粒粒径对水力机械材料磨蚀性能的影响，分析当前水力机械材料磨蚀防护的研究进展，最后提出水力机械材料防护磨损的措施，希望可以为相关研究提供有价值的参考依据。

关键词：沙粒粒径；水力机械；磨蚀性能；影响

我国的河流众多，水资源十分丰富，据统计水资源储存量大概达到了7亿千瓦，因此水电站数量居于世界首位。但随着环境污染越来越严重，我国的植被覆盖率大幅度降低，多数地区面临着水土流失的情况，长江、黄河等流域的泥沙含量浓度增加，导致了水利工程建设中水力机械受泥沙磨蚀的影响越来越大。水力机械受到沙粒磨蚀后会造成设备性能下降，然后影响运转的稳定性，继而降低工作效率，对水利工程的建设发展有着严重的阻碍，且长时间的泥沙磨损会减少水力机械的使用寿命，加大机械设备的投入成本，给水利工程单位带来巨大的损失。因此，要重视泥沙磨蚀对水力机械性能的影响，及时采取相应的防护措施，尽量降低泥沙磨蚀带来的危害，进而延长水力机械的使用寿命，为水利工程建设提供有力的技术支撑。

1. 泥沙磨蚀对水力机械材料性能的影响

1. 降低水力机械的运转效率

目前，我国多数水利水电工程都处于含沙量较高的地理环境中，泥沙浓度大且分布情况复杂，这一现状严重影响了水利水电工程的建设质量。流域泥沙会使水力机械的转轮发生改变，然后增大转轮和叶片之间的空隙，继而造成水力机械的性能参数下降，导致设备的运转效率降低，所以泥沙磨蚀是阻碍水力机械运转稳定的重要因素。

2. 破坏水力机械的金属表面

泥沙磨蚀极易造成水力机械的金属表面破损，一旦出现破损情况就会使设备产生噪音和振动，继而降低水力机械的动态精度和使用性能，使水力机械的运转效率下降，对水力发电的能源生产有着不利影响，并且泥沙磨蚀会导致水力机械的流道外形发生改变，对能量的转换过程有着极大阻碍，严重情况下会造成设备报废，继而增加设备的投入成本。

2. 沙粒粒径的研究

流域中含有大量的泥沙颗粒，当这些颗粒流经到水力机械内部时就会互相产生碰撞，进而造成水力机械的表面形状发生改变，最终使水力机械材料磨损脱落。由于泥沙磨蚀是造成水力机械性能下降的主要原因，所以本文将对沙粒粒径展开集中研究，其研究内容包括了沙粒的形状、大小及硬度等，主要采用的研究方法是实验研究。

通过实验研究表明，泥沙的冲蚀速度越快，对水力机械材料的磨损就越大，当泥沙的冲击角度发生改变时其磨损率也会改变，一般情况下当冲蚀角度不大于50度时，磨损率就不会发生改变，由此可见冲击角度与磨损率是呈正比的。另外，根据不同金属材料的水力机械测试结果显示，硬度越大的材料其抗磨蚀能力就越强，且机械材料的磨蚀程度与沙粒的粒径有关，在50-60um之间的粒径对机械材料的磨蚀度最大，所以在选取水力机械材料时要考虑到流域泥沙的浓度、硬度、大小和粒径，尽量选取金属材料硬度大的水力机械应用到水利水电工程中，从而降低泥沙对机械材料磨蚀的影响^[1]。

3. 水力机械过流部件表面的防护研究

水力机械材料的磨蚀问题已经受到了我国水利部门的重点关注。为了减少泥沙磨蚀带来的经济损失，相关单位开展了水力机械过流部件表面的防护研究，其主要防护措施有以下几点：一是表面改性技术，二是喷涂技术，三是堆焊技术，通过这三种防护技术可以有效提高水利机械过流部件表面的防护，达到增强设备的运转稳定性、提升设备运转效率的目的。

1. 表面改性技术

表面改性技术主要包括了喷丸强化、热处理和表面扩渗。喷丸强化是指利用高速弹丸的冲击作用使材料表面发生改变，进而加强材料的表层组织结构形成一道结实的强化层，在接收外界压力时可以起到较好的防护作用，从而达到提高材料抗冲击能力的目的。热处理是指通过加热、冷却、保温的手段使固态材料的组织结构强化，进而起到提升自身性能的效果，实施工序为退火、淬火、回火及冷却，其中淬火可以加速固态材料的溶解，退火可以使材料组织结构得到细化，达到强化自身的组织性能的目的，一般在完成前几项后要进行冷却工作。表面扩渗是通过加热扩散的方式来进行材料性能的提高，利用一些元素渗透到材料表面中，进而提升材料的抗疲劳强度，一般常用的元素有合金元素和金属元素，合金元素如铅、铝、锰等，金属元素如铁、钛等

^[2]。

2. 喷涂技术

目前应用较为广泛的喷涂技术有电镀层技术、热喷涂层技术和激光熔覆技术。其中电镀层技术的工作原理是依靠电解作用来使机械材料表面镀上一层金属薄膜，从而提高材料的抗磨蚀能力和抗腐蚀性。热喷涂层技术的工作原理是利用加热熔化的手段来进行材料加热，加热后升起的气流可以产生细小的颗粒，然后将这些颗粒喷射到材料表面上就可以形成涂层。热喷涂层技术具有抗氧化性能高及耐磨蚀度高的优势，并且不受任何机械的材质限制，其应用范围十分广泛。激光熔覆技术的工作原理是利用激光辐照将材料表面和涂层进行融化，然后将两者凝固在一起形成一道均匀的熔覆层，从而增加材料表面的耐腐蚀性和耐磨性^[4]。

4. 水力机械磨蚀的防护措施

1. 改善水力机械的运行工况

据研究显示，水力机械的磨蚀程度与水力机械的负荷量有着直接关系，水力机械的运转负荷越大其磨蚀程度就越高。因此，为了降低水力机械的磨蚀程度需要改善水力机械的运行工况，避免由于机械组织振动过快而导致内部结构发生改变，还要提高机械零件的管理水平，定期进行检修，一旦出现零件故障要及时展开维修工作^[3]。

2. 及时优化水力机械设备

为了降低泥沙磨蚀对水力机械性能的影响要及时优化水力机械设备，可以采用耐磨蚀性能高的材料作为水力机械设备的过流部件，使流体在机械内部的运行更加流畅，不会出现泥沙颗粒聚集在叶轮附近的情况，进而减少泥沙磨蚀带来的冲击力，起到提高水力机械设备耐磨性的效果，从而更加安全稳定的进行运转。

结语：以上所述，目前我国的水土流失问题越来越严重，导致水利水电工程的分布流域泥沙含量大，同时也为水力机械设备的运转带来了一定的阻碍。根据流域内沙粒粒径的实验分析得出，泥沙磨蚀是降低水力机械材料性能的关键因素，要想提高水力机械设备的运转效率就要有效进行泥沙磨蚀的防护工作，及时改善设备的运行工况，优化水力机械设备的内部结构，确保水力机械材料能够具有高性能的耐磨能力。

参考文献：

[1]张欣.不同粒径下涂层对材料抗磨蚀性能影响试验研究[D].西安理工大学,2018. [2]田宏涛.水力机械过流部件材料及防护工艺的抗泥沙磨蚀性能实验研究[D].西安理工大学,2019. [3]韩向东.沙粒粒径与含量对空化特性影响的研究[D].兰州理工大学,2017. [4]王波.水力机械常用材料磨蚀特性实验研究[D].西安理工大学,2017.