磨蝕

（1）水輪機過流部件表面防護技術(shù)。對于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、高強度不銹鋼等，經(jīng)常用鋪焊、堆焊、噴焊等辦法包裹于過流部件上；非金屬材料有環(huán)氧金剛砂、復合樹脂、聚氨酯橡膠、復合尼龍和其他高分子材料，經(jīng)常使用澆注、涂抹等方式包裹于過流部件上。

（2）減少過機泥沙。在泥沙量大河流上，采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，沉沙池等用于降低過機泥沙的措施在隨后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(jīng)過水沙優(yōu)化調(diào)度，利用洪水把泥沙排走，最重要的是由于將大顆粒泥沙沖走，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(jié)合使用，乃至能在汛期內(nèi)能實現(xiàn)渾水發(fā)電。

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

（4）提高水輪機制造水平。轉(zhuǎn)輪葉片母材應選用抗磨性能優(yōu)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(huán)境不是固定不變的，這個科研難題一直困擾著人們，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，科研人員前前后后進行了許多磨蝕實驗研究和數(shù)值模擬研究，主要包括：

（1）空蝕機理研究

空蝕是由于在機體內(nèi)部壓強降低時，壓強小于流動介質(zhì)的飽和蒸汽壓時，流動介質(zhì)會汽化生成空泡，空泡跟隨流動在設備結(jié)構(gòu)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(nèi)部的壓強變化，氣泡的形成，還有氣泡潰滅所發(fā)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(jīng)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(yè)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，沖蝕磨損很復雜，人們在不斷的探索中。

（3）空蝕與沖蝕聯(lián)合破壞磨損研究

在水力機械實際運行工況中，環(huán)境因素復雜，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(lián)合作用磨損相當突出，將空蝕和沖蝕聯(lián)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(xiàn)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(chǎn)當中，降低了生產(chǎn)損失，為水力機械可靠長遠運行提供了技術(shù)支持 。

磨蝕是指風力、流水、波浪和冰川等所攜碎屑物對基巖進行的機械磨損。亦即侵蝕或刻蝕輔之以對巖石的擦劃（scratching）和沖蝕（scouring）。象用砂紙將巖石打磨過一樣，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，并因而變得越來越小。

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(chǎn)生的破壞現(xiàn)象，也稱磨耗腐蝕（erosioncorrosion）。磨耗是流體運動等機械作用的結(jié)果，流動的液體或氣體不斷沖惻材料表面，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(fā)電機的翼輪、船舶的推進器、水管彎曲處最為常見 。

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(shù)河流泥沙含量相當高，特別是黃河以多泥沙而聞名于世，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(fā)生磨蝕現(xiàn)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(xiàn)破壞是水輪機泥沙磨損的外在后果。同時也引起一系列間接后果，使水電站技術(shù)經(jīng)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(huán)間隙和軸流式及斜流式水輪機葉片與轉(zhuǎn)輪室之間的間隙，由于沙粒磨損的原因，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(jù)。河流的洪峰的沙峰幾乎都是出現(xiàn)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，汛期后都需要及時檢修。

（3）降低水電站運行質(zhì)量。水輪機過流部件被泥沙沖擊后而造成外表不光滑，加快了水流的局部擾動和空化的進展；轉(zhuǎn)輪的磨損導致不對稱，尤其是其中有的葉片的出口邊由于磨蝕破壞出現(xiàn)折斷時，將會導致水力的和機械的不平衡 。

（1）聚氨酯復合樹脂砂漿技術(shù)

聚氨酯復合樹脂砂漿由高抗磨蝕聚氨酯彈性體材料、彈性環(huán)氧樹脂、固化劑、硬金屬粉、棕剛玉、耐水劑等組成，該涂層綜合性能優(yōu)。涂層厚度一般為2~6mm，設計壽命10年以上。通過采用聚氨酯復合樹脂砂漿技術(shù)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(huán)氧金剛砂涂層在水機應用中抗汽蝕性能差的缺點，該技術(shù)適用于水輪機蝸殼、座環(huán)、導葉、轉(zhuǎn)輪葉片正面等部位的磨蝕防護 。

該技術(shù)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）改性聚氨酯涂層技術(shù)

1）注聚氨酯彈性體涂層。聚氨酯被公認為抗汽蝕性能最好的材料，涂層抗汽蝕性能是不銹鋼的十倍以上。該涂層澆注成型，通過強力粘接劑和機械連接方式，與防護面結(jié)合力大大增強（附著力達到40MPa），不易發(fā)生剝離和撕裂現(xiàn)象，涂層厚度一般2~5mm，設計壽命10年以上。該技術(shù)適用于水機磨蝕破壞的強汽蝕區(qū)，如水輪機和水泵轉(zhuǎn)輪葉片背面、水輪機轉(zhuǎn)輪活動止漏環(huán)等部位。

該技術(shù)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(fā)生磨蝕破壞。采用高彈性聚氨酯漆進行防護，工藝簡單，質(zhì)量可控，磨蝕防護效果較好。

高彈性聚氨酯漆通過噴涂成型，主要基料為高抗磨蝕聚氨酯，分底漆和面漆，底漆為防銹涂料，面漆為不銹鋼鱗片阻水材料。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，涂層漆膜附著力一級以上，高彈性，抗沖擊能力強；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(shù)適用于水工閘門、水輪機蝸殼、導葉等部位的磨蝕防護。

該技術(shù)已在小浪底水電站、烏魯瓦提水電站進行了應用。

（3）鋼塑復合聚氨酯產(chǎn)品

1）鋼塑復合聚氨酯導葉密封板。鋼塑復合聚氨酯導葉密封板為矩形板狀結(jié)構(gòu)，中間凸起，導葉小頭的剛性密封面與大頭的彈性密封面剛?cè)峤Y(jié)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?qū)~漏水而導致的機組“潛動”現(xiàn)象，大大提高了機組的發(fā)電效率。

該產(chǎn)品已在碧口、青銅峽、萬家寨等水電站推廣應用。

2）鋼塑復合聚氨酯抗磨板。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，采用鋼塑復合技術(shù)加工成鋼塑復合聚氨酯抗磨板。其具有長期使用不變形、抗磨蝕效果良好的優(yōu)點，與導葉密封板配合使用，機組止水密封效果優(yōu)異?？鼓コ叽绺鶕?jù)機組尺寸進行專業(yè)訂制，設計壽命20年以上。

該產(chǎn)品已在劉家峽、青銅峽等水電站進行應用。2100433B

巖石的磨蝕作用，包含有兩種不同的機理，一種是類似于銼刀銼金屬的作用，稱之擦蝕，其特征是被磨蝕物體的硬度小于磨蝕物體，而后者表面又必須是粗糙的，它在前者的表面上翹削下碎屑末。另一種作用是類似于硯臺受墨的研磨，久而久之也要被磨蝕，稱之磨損。對于鋼制工具而言，除了含有石英顆粒的巖石以外，巖石的磨蝕作用主要是以磨損的形式進行的。對于硬質(zhì)合金制的工具而言，更是以磨損為主了。不過實際上擦蝕和磨損種機理是難以截然區(qū)別開的，經(jīng)常伴隨出現(xiàn)，所以我們在中文上用術(shù)語“磨蝕性”統(tǒng)稱之。

磨蝕過程是一個綜合的作用，至少包括下列五種作用；

1. 由于接觸面并非絕對平整，真實的接觸面只有外觀面積的百分之一到萬分之一。局部的真實接觸壓力很大，當它超過了彈性限度時便被壓堆而磨損；

2. 由于兩物體緊密接觸，若其相互間的分子間的引力勝過自身分子間的引力，那么兩物體相對移動時，便把表面的分子層“粘”了下來。尤其當物體在結(jié)構(gòu)上存在缺陷時，這種作用更易發(fā)生；

3. 由于物體表面參差不齊，產(chǎn)生機械的嚙合作用，相對移動時，便產(chǎn)生磨損。表面雖平整，但軟硬不均，也將會產(chǎn)生嚙合而磨損的作用；

4. 嚙合作用不大，相對位移時雖然不足以使其磨損，但在反復微小的撞擊作用之下，表面便因疲勞而損壞；

5. 由于局部凸起接觸，摩擦時產(chǎn)生大量熱能，使溫度升高到塑性變形乃至熔化。

一般說來，上述作用3在工具磨蝕時是主要的作用，尤其是在擦蝕作用下更為重要，其他1、2、4三種作用在磨損作用下有著更多的意義。作用5，對于硬質(zhì)合金工具的磨蝕作用有重要意義。

從史萊涅爾和巴隆對一系列巖石磨蝕性測定的結(jié)果，可得出下述巖石結(jié)構(gòu)組成對鋼質(zhì)材料磨蝕性的一般關系。

• 巖石具有硬的礦物組成時，磨蝕性增大。

• 對于巖漿巖和礦物而言，磨蝕系數(shù)ω大體上與其組成的礦物微痕硬度成正比例。

• 由軟硬不同的幾種礦物組成的巖石，其磨蝕性比單一礦物組成的巖石為大。

• 結(jié)晶體的礦物比其非晶態(tài)的磨蝕性為大。

• 沉積巖的磨蝕性系數(shù)幾乎和它的石英含量成正比例。按照史氏觀點，對于砂巖來說，巖石的磨蝕性和其侵入硬度成反比。巖石的侵入硬度反映了巖石的堅固性，而不是巖石的顆粒硬度。但據(jù)另外一些研究者的意見，含石英量相等的巖石，堅固的磨蝕性要大。而含石英多的砂巖，堅固性可能小于含石英多的。

無論是砂巖或巖漿巖，顆粒越細磨蝕性越弱。這是因為細粒構(gòu)造的巖石表面較平整，接觸點的真實應力較小。同時，物體的赫芝硬度隨著壓頭的曲率半徑減小將直線地增大。因此其磨蝕性也就削弱了。

砂巖的顆粒大小及其膠結(jié)物的強度對其磨蝕性影響很大，對于鋼制工具來說，巖石顆粒由石英或長石組成，對磨蝕性的影響退居第二位。常常是花崗砂巖或長石砂巖，只要其粒度及侵入硬度跟石英砂巖相當，其磨蝕性也就差不多。但是對硬質(zhì)合金的磨蝕，石英顆粒和長石顆粒大概是會不一樣的。

巖石的磨蝕性，在很大程度上還取決于摩擦面的粗糙程度。如在正長石、石英和黃玉的晶面（或解理面）上摩擦，巴氏磨蝕性指標a值各為27.3、21.3和19.0，即反比例于硬度；而在其自然斷口上摩擦，相當?shù)腶值卻各為31.1、35.4和46.2，即說明只有在粗糙面上的磨蝕性才和硬度成正比。據(jù)此，巴氏采取了自然斷口作為測定其磨蝕性的標準條件。

從以上介紹可知，對于沉積巖，影響其磨蝕性的因素莫過于石英的含量、顆粒大小以及巖石的堅固性了。 2100433B

當固體燃料在試驗滾筒中旋轉(zhuǎn)時，測試出的固體燃料的粒度減小及磨蝕程度。