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

发布时间：2020-10-17 09:37

　　 磨蚀在水利领域中是一种广泛存在的现象,水力机械的磨蚀问题是不可避免的。如何解决水轮机或水泵的泥沙磨损问题已经成为流体机械设备设计制造的关键技术问题。本文基于旋转喷射式磨蚀实验台对水力机械领域3种常用材料在不同沙粒粒径工况下进行了实验测试,分析了材料在不同砂粒粒径下的抗磨蚀性能以及冲蚀与空蚀联合作用下金属材料表面微观形貌特征。除此之外,对不同热处理工艺试件及不同基体下的不同涂层进行单粒径工况试验分析。结果表明:(1)不同金属材料磨蚀破坏的失重变化规律基本相同,材料磨蚀失重率与砂粒粒径以及磨蚀时间的关系可由经验公式表示;(2)小粒径工况时,含沙水对金属材料表面造成的破坏主要表现为沙粒对材料垂直方向的锻打挤压以及空泡溃灭对材料的空蚀作用,无明显的与材料表面平行的犁削作用;随着沙粒粒径的增大,泥沙的犁削破坏越发明显;(3)相同浓度下小粒径工况比大粒径工况更容易发生空蚀,每个空蚀针孔的尺寸大约在1～3μm范围内,空蚀针孔的生成与单个气泡的溃灭有关,而不是大量气泡累积破坏的结果。(4)通过对不同热处理工艺试件进行试验分析发现,材料的抗磨蚀性能与材料本身的强度、硬度有较强的相关性,即材料硬度越大,磨蚀失重量越小;(5)4种HVOF涂层都能起到比基材更好的抗磨蚀效果,WC-10Co4Cr涂层的磨蚀失重量比0Cr13Ni5Mo基体磨蚀失重降低约为53.4%;比2Cr13基体磨蚀失重降低约55.6%;比KMTBCr26基体磨蚀失重降低约60.3%;(6)涂层的抗磨效果与基体材料的选择有关,抗磨效果好的涂层材料不一定适用于所有基体。(7)WC-10Co4Cr涂层的破坏形式主要以WC硬质相材料的剥落为主,而Ni60/WC-10Co4Cr复合涂层材料受磨蚀破坏的形式主要以微切削、犁削破坏为主,抗断裂韧性较好,能有效防止气蚀裂纹的形成和发展。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TK72
【部分图文】：

绪论1 绪论1.1 研究背景及意义水资源是无污染能源，而且是一种可再生能源。中国的水力资源非常丰富，水电站数量与装机容量均居世界首位，据统计，我国能够开发得水电装机容量在 6 万亿 kWh 以上[1]。然而由于森林、植被覆盖率下降，使得我国水土流失情况吃紧，导致多数流域的泥沙浓度较大。在全球的流域中，长江、黄河的总输沙量就占其总输沙量的 30%。由于河流含沙量巨大且泥沙分布情况复杂，使得我国已建的不少大中型水利水电工程和水力机械受泥沙冲蚀损伤问题严重，其中水轮机受泥沙冲蚀破坏是我国水利建设中的较严重问题。由于水轮机叶片受到空蚀磨损与泥沙磨损的共同作用,会导致非常严重的破坏，极大地降低水电机组的稳定性，影响其效率,造成巨大损失。据统计，我国水电站有三分之一以上的水轮机受气蚀以及泥沙磨损的联合作用破坏[2]。图 1-1 为受泥沙磨蚀破坏的叶轮照片。

泥沙磨损最大深度达 20mm；叶片的抗磨涂层 32%脱落，存在15-28mm 空蚀区。绥德县水电站 水轮机平均每年有 500h 在 300 kg/m3左右含沙量工况下运转，有时甚至达到 800kg/m3，叶片在运转约一万小时后受泥沙磨损损失高达 1/8，水轮机效率下降将近 1/2。红山嘴水电站 受泥沙磨蚀严重，丰水期停机修复过流部件频繁，其中顶盖的内腔有大量鱼鳞坑，抗磨板在仅仅一个汛期报废，重新镶板；运行两年叶片减薄 6~7mm，活动导叶凹坑深度达 20mm 以上。学者对水力机械磨蚀破坏的现象已经研究有上百年了，然而磨蚀破坏的机理直到现在也没有完全摸索清楚。含沙水流通过水利机械时，气蚀与磨损往往相伴而生，相互促进，很难将两者分割讨论。在气蚀和泥沙磨损的联合作用下，材料破坏的特征既有空蚀破坏又有泥沙磨损，导致其比单纯的空蚀或者磨损破坏情况要复杂[7]。图 1-2 为太平江水电站水机过流部件磨蚀破坏情况，叶片与下环的的焊接处出现明显的磨损现象，有一个深度和宽度均很大的缺口；而转轮下环出现较大不规则的凹坑；止漏环的顶部出现深度较大不规则的环形圆圈[8]。

流继续向凹陷部分挤压，最终使空泡沿凹陷部分贯穿整个空泡。空泡的这种受高压溃非对称的，所以会导致空泡附近的流场动量不均匀，沿空泡凹陷方向加速了水流的冲度”①。当然，影响其冲击作用的因素有很多，其中流体中空泡溃灭的位置以及空泡径是决定因素。冲击的强弱也会影响材料表面的破坏特征，较弱的微射流冲击会反复于材料壁面，从而使其产生疲劳裂纹，气泡溃灭产生的冲击可以直接破坏材料表面[1与微射流作用论不同的是，冲击波理论是空泡产生溃灭压力以冲击波的形式以球状辐播[13]。Knapp 等发现空泡在一系列压缩回弹过程中，由于泡内气体的可压缩性，空积会被逐渐压缩到临界值，这时空泡内的压力会超过外界压力，溃灭时产生巨大的溃强，对周围的流体介质产生强烈的压力冲击波，以球状辐射波的形式向四周膨胀，冲的强度随膨胀速度增大而增大。如空泡在材料边壁附近溃灭，冲击波将会连续不断的边壁，使边壁材料由于受到疲劳破坏而发生塑性变形[14]。Matsumoto 通过高速摄像机到了空泡溃灭的全过程，空泡在快速溃灭的过程中所形成的冲击波在微秒内就上升0MPa，因此空泡溃灭冲击波造成的疲劳破坏可能是材料表面破坏的主要原因[15]。图 空泡溃灭形成微射流的照片。
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本文编号：2844609