磨蝕

（1）水輪機(jī)過流部件表面防護(hù)技術(shù)。對(duì)于表面的保護(hù)普遍使用的金屬材料有碳化鎢、金屬陶瓷、抗磨焊條、高強(qiáng)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(fù)合樹脂、聚氨酯橡膠、復(fù)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(jī)泥沙。在泥沙量大河流上，采用多種方法來降低通過水輪機(jī)水流中泥沙含量是減弱水輪機(jī)泥沙磨蝕的主要手段。最初在黃河上建設(shè)的水電站就是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)時(shí)沒有酌量排沙措施，導(dǎo)致大量泥沙淤積在大壩上游，汛期時(shí)水流中含有大量泥沙，致使水輪機(jī)磨蝕非常嚴(yán)重，鹽鍋峽、改造前的三門峽皆有這種教訓(xùn)。

所以，建設(shè)排沙洞，沉沙池等用于降低過機(jī)泥沙的措施在隨后含沙量高河流上建設(shè)的水電站設(shè)計(jì)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(jī)組在汛期時(shí)水流中含沙量大的時(shí)候工作，俱可極大地減弱泥沙磨蝕的程度，再把表面保護(hù)措施結(jié)合使用，乃至能在汛期內(nèi)能實(shí)現(xiàn)渾水發(fā)電。

（3）合理地選擇水輪機(jī)的設(shè)計(jì)。水輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)選取時(shí)該酌情減小參數(shù)水平，應(yīng)留心掌握減少轉(zhuǎn)輪出口的相對(duì)水流，使轉(zhuǎn)輪到達(dá)最佳比轉(zhuǎn)速。并且對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且注意增加導(dǎo)葉分布圓的直徑，使用合適的導(dǎo)葉翼型等措施。

（4）提高水輪機(jī)制造水平。轉(zhuǎn)輪葉片母材應(yīng)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(qiáng)。

水力機(jī)械應(yīng)用的環(huán)境不是固定不變的，這個(gè)科研難題一直困擾著人們，其機(jī)理的探索一直讓科研人員熱情高漲。為了弄清水力機(jī)械材料磨蝕特性和預(yù)防材料磨蝕，科研人員前前后后進(jìn)行了許多磨蝕實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究，主要包括：

（1）空蝕機(jī)理研究

空蝕是由于在機(jī)體內(nèi)部壓強(qiáng)降低時(shí)，壓強(qiáng)小于流動(dòng)介質(zhì)的飽和蒸汽壓時(shí)，流動(dòng)介質(zhì)會(huì)汽化生成空泡，空泡跟隨流動(dòng)在設(shè)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(gè)突破點(diǎn)，分別是機(jī)體內(nèi)部的壓強(qiáng)變化，氣泡的形成，還有氣泡潰滅所發(fā)生的反應(yīng)。

（2）沖蝕磨損研究

當(dāng)前涉及流體處理的機(jī)械和設(shè)備的經(jīng)濟(jì)有效運(yùn)行越來越依賴?yán)酶吣透g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(jī)械設(shè)備實(shí)際運(yùn)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(fù)雜，人們?cè)诓粩嗟奶剿髦小?

（3）空蝕與沖蝕聯(lián)合破壞磨損研究

在水力機(jī)械實(shí)際運(yùn)行工況中，環(huán)境因素復(fù)雜，水力機(jī)械過流部件不會(huì)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(dāng)突出，將空蝕和沖蝕聯(lián)合破壞簡(jiǎn)稱為磨蝕。磨蝕要比以上單純的一種磨損破壞更快，更嚴(yán)重。研究人員也越來越關(guān)注這種現(xiàn)象，為預(yù)防磨蝕做了很多研究，種種研究方法和成果被運(yùn)用到了實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，降低了生產(chǎn)損失，為水力機(jī)械可靠長(zhǎng)遠(yuǎn)運(yùn)行提供了技術(shù)支持 。

磨蝕是指風(fēng)力、流水、波浪和冰川等所攜碎屑物對(duì)基巖進(jìn)行的機(jī)械磨損。亦即侵蝕或刻蝕輔之以對(duì)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(yùn)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(yùn)動(dòng)等機(jī)械作用的結(jié)果，流動(dòng)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(hù)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(dāng)流體中含有固體粒子時(shí)磨蝕更為嚴(yán)重。在水力發(fā)電機(jī)的翼輪、船舶的推進(jìn)器、水管彎曲處最為常見 。

我國(guó)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(dāng)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(dá)16億t，年均含沙量34kg/m³。長(zhǎng)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(dá)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(jī)發(fā)生磨蝕現(xiàn)象，特別在含沙量大的河流，水輪機(jī)過流部件磨蝕情況特別嚴(yán)峻。

造成水輪機(jī)過流部件表面上出現(xiàn)破壞是水輪機(jī)泥沙磨損的外在后果。同時(shí)也引起一系列間接后果，使水電站技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益大為降低。

（1）水輪機(jī)效率下降?；炝魇剿啓C(jī)上下部迷宮環(huán)間隙和軸流式及斜流式水輪機(jī)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(jī)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(jī)，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(jí)電站的水輪機(jī)在汛期都承受嚴(yán)重的沙粒磨損，汛期后都需要及時(shí)檢修。

（3）降低水電站運(yùn)行質(zhì)量。水輪機(jī)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(dòng)和空化的進(jìn)展；轉(zhuǎn)輪的磨損導(dǎo)致不對(duì)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(shí)，將會(huì)導(dǎo)致水力的和機(jī)械的不平衡 。

（1）聚氨酯復(fù)合樹脂砂漿技術(shù)

聚氨酯復(fù)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(shè)計(jì)壽命10年以上。通過采用聚氨酯復(fù)合樹脂砂漿技術(shù)對(duì)水輪機(jī)過流部件進(jìn)行磨蝕防護(hù)，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(jī)應(yīng)用中抗汽蝕性能差的缺點(diǎn)，該技術(shù)適用于水輪機(jī)蝸殼、座環(huán)、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪葉片正面等部位的磨蝕防護(hù) 。

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(jìn)行了應(yīng)用，取得了較好的磨蝕防護(hù)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(rèn)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(qiáng)力粘接劑和機(jī)械連接方式，與防護(hù)面結(jié)合力大大增強(qiáng)（附著力達(dá)到40MPa），不易發(fā)生剝離和撕裂現(xiàn)象，涂層厚度一般2~5mm，設(shè)計(jì)壽命10年以上。該技術(shù)適用于水機(jī)磨蝕破壞的強(qiáng)汽蝕區(qū)，如水輪機(jī)和水泵轉(zhuǎn)輪葉片背面、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪活動(dòng)止漏環(huán)等部位。

該技術(shù)已在萬家寨水電站、固海揚(yáng)黃泵站進(jìn)行了應(yīng)用。

2）高彈性聚氨酯漆

水工閘門、水輪機(jī)導(dǎo)葉、蝸殼長(zhǎng)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(jìn)行防護(hù)，工藝簡(jiǎn)單，質(zhì)量可控，磨蝕防護(hù)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(jí)以上，高彈性，抗沖擊能力強(qiáng)；漆膜耐磨蝕能力強(qiáng)，抗汽蝕能力是普通重防腐漆的20倍以上；抗老化能力強(qiáng)，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(jī)蝸殼、導(dǎo)葉等部位的磨蝕防護(hù)。

該技術(shù)已在小浪底水電站、烏魯瓦提水電站進(jìn)行了應(yīng)用。

（3）鋼塑復(fù)合聚氨酯產(chǎn)品

1）鋼塑復(fù)合聚氨酯導(dǎo)葉密封板。鋼塑復(fù)合聚氨酯導(dǎo)葉密封板為矩形板狀結(jié)構(gòu)，中間凸起，導(dǎo)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(bǔ)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(dǎo)葉密封性大大提高，改善了正常停機(jī)時(shí)因?qū)~漏水而導(dǎo)致的機(jī)組“潛動(dòng)”現(xiàn)象，大大提高了機(jī)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(yīng)用。

2）鋼塑復(fù)合聚氨酯抗磨板。引進(jìn)美國(guó)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(qiáng)，采用鋼塑復(fù)合技術(shù)加工成鋼塑復(fù)合聚氨酯抗磨板。其具有長(zhǎng)期使用不變形、抗磨蝕效果良好的優(yōu)點(diǎn)，與導(dǎo)葉密封板配合使用，機(jī)組止水密封效果優(yōu)異?？鼓コ叽绺鶕?jù)機(jī)組尺寸進(jìn)行專業(yè)訂制，設(shè)計(jì)壽命20年以上。

該產(chǎn)品已在劉家峽、青銅峽等水電站進(jìn)行應(yīng)用。2100433B

巖石的磨蝕作用，包含有兩種不同的機(jī)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(tái)受墨的研磨，久而久之也要被磨蝕，稱之磨損。對(duì)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(jìn)行的。對(duì)于硬質(zhì)合金制的工具而言，更是以磨損為主了。不過實(shí)際上擦蝕和磨損種機(jī)理是難以截然區(qū)別開的，經(jīng)常伴隨出現(xiàn)，所以我們?cè)谥形纳嫌眯g(shù)語“磨蝕性”統(tǒng)稱之。

磨蝕過程是一個(gè)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(duì)平整，真實(shí)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(shí)接觸壓力很大，當(dāng)它超過了彈性限度時(shí)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(duì)移動(dòng)時(shí)，便把表面的分子層“粘”了下來。尤其當(dāng)物體在結(jié)構(gòu)上存在缺陷時(shí)，這種作用更易發(fā)生；

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

4. 嚙合作用不大，相對(duì)位移時(shí)雖然不足以使其磨損，但在反復(fù)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?xí)r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(shí)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(duì)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(duì)一系列巖石磨蝕性測(cè)定的結(jié)果，可得出下述巖石結(jié)構(gòu)組成對(duì)鋼質(zhì)材料磨蝕性的一般關(guān)系。

• 巖石具有硬的礦物組成時(shí)，磨蝕性增大。

• 對(duì)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(diǎn)，對(duì)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(jiān)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(jiān)固的磨蝕性要大。而含石英多的砂巖，堅(jiān)固性可能小于含石英多的。

無論是砂巖或巖漿巖，顆粒越細(xì)磨蝕性越弱。這是因?yàn)榧?xì)粒構(gòu)造的巖石表面較平整，接觸點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)力較小。同時(shí)，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(qiáng)度對(duì)其磨蝕性影響很大，對(duì)于鋼制工具來說，巖石顆粒由石英或長(zhǎng)石組成，對(duì)磨蝕性的影響退居第二位。常常是花崗砂巖或長(zhǎng)石砂巖，只要其粒度及侵入硬度跟石英砂巖相當(dāng)，其磨蝕性也就差不多。但是對(duì)硬質(zhì)合金的磨蝕，石英顆粒和長(zhǎng)石顆粒大概是會(huì)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(zhǎng)石、石英和黃玉的晶面（或解理面）上摩擦，巴氏磨蝕性指標(biāo)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(dāng)?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(cè)定其磨蝕性的標(biāo)準(zhǔn)條件。

從以上介紹可知，對(duì)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(jiān)固性了。 2100433B

當(dāng)固體燃料在試驗(yàn)滾筒中旋轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)試出的固體燃料的粒度減小及磨蝕程度。