張 攀，姚 兵，鄧萬權(quán)，劉小兵

（西華大學(xué) 流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039）

0 引言

水電工程尤其是水電站水輪機(jī)過流部件在含沙水中，常遭受泥沙磨損，不僅會(huì)降低工程的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致過流部件表面形態(tài)發(fā)生損壞，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益影響巨大［1］。國內(nèi)外學(xué)者非常重視水電工程過流部件泥沙磨損問題，DARISSE A［2］利用LDV 測試圓柱射流，獲得了高雷諾數(shù)流動(dòng)區(qū)域的速度分布。TOUSAINT M［3］利用LDV 測試技術(shù)進(jìn)行了瞬態(tài)流動(dòng)流場測試，發(fā)現(xiàn)LDV 技術(shù)可以描述和分析流動(dòng)分離、尾跡和回流等現(xiàn)象，指出了動(dòng)靜干涉作用。楊涵等［4］采用固液兩相流模型對(duì)夏特電站水輪機(jī)內(nèi)部沙水流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并分析了水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉的磨損規(guī)律。趙嘯怡等［5］對(duì)映秀灣電站水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉開展了數(shù)值計(jì)算和泥沙磨損試驗(yàn)，預(yù)估了活動(dòng)導(dǎo)葉使用壽命。龐嘉揚(yáng)等［6］進(jìn)行了一混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪泥沙磨損試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片的進(jìn)水邊和出水邊較其他位置磨損更嚴(yán)重。曹文哲等［7］對(duì)水輪機(jī)噴射機(jī)構(gòu)內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得出在不同開度下噴射機(jī)構(gòu)的流動(dòng)規(guī)律和泥沙磨損特性。張雷等［8］研究了運(yùn)行工況對(duì)高沙水水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)泥沙磨損的影響，通過數(shù)值模擬方法對(duì)水輪機(jī)不同運(yùn)行工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到出力工況對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉流動(dòng)影響較大，隨著出力減小，導(dǎo)葉區(qū)流速增大，隨之導(dǎo)葉的迎水面和背水面速度差增大，研究結(jié)果為預(yù)測高沙水水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉泥沙磨損特性和研究抗磨蝕措施提供技術(shù)參考。為提高水電工程過流部件的抗磨蝕性能，在過流部件表面噴涂抗磨涂層是目前較有效的方法，多采用樹脂涂層、碳化鎢熱噴涂以及激光熔覆等。BOLELLI G 等［9］通過超音速火焰噴涂（HVOF）技術(shù)在鋼材上涂覆WC10Co4Cr 涂層材料，并開展磨蝕試驗(yàn)測試，發(fā)現(xiàn)WC10Co4Cr涂層材料在抗壓強(qiáng)度、抗磨蝕特性、韌性、塑性等方面效果較優(yōu)，很大程度上延長葉輪的使用壽命。THAKUR L 等［10］通過增加Cr 元素的占比和保持固定比例的MWCNTs，對(duì)CoCr 黏結(jié)劑進(jìn)行了優(yōu)化，并研究了MWCNT 納米WC-CoCr 涂層的磨蝕性能，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加更高比例的Cr有助于增強(qiáng)納米WC-CoCr 涂層的韌性。伏利等［11］采用HVOF超音速火焰噴涂技術(shù)，在0Cr13Ni5Mo 不銹鋼試件表面噴涂Cr3C2-25NiCr 和WC-12Co 材料，通過多種性能測試設(shè)備檢測，發(fā)現(xiàn)WC-12Co 涂層的韌性和抗磨蝕性能比Cr3C2-25NiCr 涂層更好。ABGOTTSPON A 等［12］將HPP Fieschertal 材料涂覆在一沖擊式水輪機(jī)過流部件表面上，磨蝕試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)其涂層改善了水輪機(jī)效率且抗磨蝕效果好。魯思陽等［13］對(duì)新疆某電站水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉開展泥沙磨損試驗(yàn)，對(duì)比分析過流部件ZG0Cr13Ni4Mo 材料和ZG06Cr13Ni5Mo 材料的抗磨性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)ZG0Cr13Ni4Mo 材料耐磨性能更好。李志紅等［14］從沖刷、空蝕等角度分析水力機(jī)械磨損問題，分析常見抗磨方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出開展新材料、新工藝的研究是減少水力機(jī)械磨損最有效的方法。蘇佳慧等［15］采用數(shù)值計(jì)算的方法，對(duì)比分析4 種磨損模型對(duì)90°彎管磨損的適用性，總結(jié)出各個(gè)磨損模型的統(tǒng)一公式。本文對(duì)研制的一種柔性抗磨涂層材料噴涂在水電工程管道和水輪機(jī)導(dǎo)葉表面上的試件進(jìn)行泥沙磨損試驗(yàn)，結(jié)合流動(dòng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，建立試件泥沙磨損預(yù)估模型，為水電工程過流部件泥沙磨損提供預(yù)估方法，也為水電工程的運(yùn)行檢修維護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 柔性抗磨涂層材料性能

本柔性抗磨涂層材料的性能特點(diǎn)及參數(shù)見表1。

表1 抗磨涂層性能特點(diǎn)及參數(shù)Tab.1 Properties and parameters of antiwear coating

2 泥沙磨損試驗(yàn)系統(tǒng)及試件設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

泥沙磨損試驗(yàn)系統(tǒng)由動(dòng)力系統(tǒng)、沙水混合系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和試驗(yàn)工作段組成，磨損試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，見圖1。沙水混合系統(tǒng)采用系列沖沙泵對(duì)泥沙進(jìn)行攪拌，防止泥沙沉淀，使其水和泥沙充分混合。電磁流量計(jì)與流量調(diào)節(jié)閥的距離為管徑的15倍。試驗(yàn)動(dòng)力系統(tǒng)最大動(dòng)力450 kW，最大流量280 m3/h，最大水頭300 mm。

圖1 磨損試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of wear test system

2.2 磨損試件及工作段設(shè)計(jì)

針對(duì)水電工程管道和電站水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)部件設(shè)計(jì)磨損試驗(yàn)試件和工作段。

（1）管道試件。管道基材為316L 不銹鋼，不銹鋼管道試件采用316 L 不銹鋼管（管道常用），鋼管內(nèi)徑60 mm；柔性涂層管道試件內(nèi)徑62 mm，內(nèi)表面涂層2 mm。保證有無涂層的管道內(nèi)徑大小相同，管道試件實(shí)物，見圖2。

圖2 基材316L不銹鋼的管道試件實(shí)物Fig.2 The base material of 316L stainless steel pipeline specimen

（2）水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)試件。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)導(dǎo)葉試件采用HLA351-50 機(jī)型水輪機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，試件基材均采用00Cr13Ni5Mo 不銹鋼（水電工程過流部件常用的抗磨鋼材），數(shù)控加工制作。由于導(dǎo)葉試件較小，在制作柔性涂層活動(dòng)導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉試件時(shí)，分別依據(jù)不銹鋼活動(dòng)導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉試件尺寸，將表面尺寸等厚度縮減1 mm 加工后，再噴涂1 mm 厚的柔性涂層。保證有無涂層的導(dǎo)葉試件大小相同，制作的柔性涂層試件實(shí)物，見圖3。

圖3 基材00Cr13Ni5Mo不銹鋼的柔性涂層導(dǎo)葉試件實(shí)物Fig.3 Substrate 00Cr13Ni5Mo stainless steel flexible coating guide vane specimen

（3）泥沙磨損試驗(yàn)工作段設(shè)計(jì)。管道泥沙磨損試驗(yàn)，可直接將管道試件聯(lián)結(jié)到試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)；導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中的導(dǎo)葉泥沙磨損試驗(yàn)必須要設(shè)計(jì)試驗(yàn)工作段。導(dǎo)葉泥沙磨損試驗(yàn)將試驗(yàn)工作段做成Q345R 碳鋼材質(zhì)的方形箱體，依照水輪機(jī)設(shè)計(jì)工況設(shè)計(jì)水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)工作段，導(dǎo)葉工作段中用數(shù)控加工工藝銑出40 mm 深度的槽道作為試驗(yàn)流道，并在槽底銑出深度為10 mm 的槽道用于安裝導(dǎo)葉并保證其槽道內(nèi)的接觸面在試驗(yàn)過程中不受泥沙磨損，以便保證試驗(yàn)前后，試件泥沙磨損所需測試的基準(zhǔn)面不變。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)試驗(yàn)工作段設(shè)計(jì)圖，見圖4，工作段實(shí)物圖，見圖5。

圖4 導(dǎo)葉試驗(yàn)工作段設(shè)計(jì)圖（單位：mm）Fig.4 Guide vane test working section design

圖5 試驗(yàn)工作段箱體實(shí)物圖Fig.5 Test section box physical picture

3 泥沙磨損試驗(yàn)及結(jié)果

3.1 泥沙參數(shù)

泥沙采集于岷江，沙粒密度：2 650 kg/m3，泥沙成分：石英石、長石、角閃石，泥沙中值粒徑：0.335 mm。顆粒粒徑分布，見圖6。

圖6 顆粒粒徑分布圖Fig.6 Particle size distribution diagram

3.2 試驗(yàn)參數(shù)

管道試驗(yàn)：沙水流速V=40、30、20 m/s，泥沙含量CV=4.0、6.0、8.0 kg/m3，試驗(yàn)時(shí)間90 h。

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)試驗(yàn)：進(jìn)口沙水流速V=19 m/s，泥沙含量CV=4.0、6.0、8.0 kg/m3，試驗(yàn)時(shí)間50 h。

3.3 泥沙磨損測試方法

水輪機(jī)導(dǎo)葉表面的泥沙磨損測試，采用光學(xué)3D 表面輪廓儀，測量精度0.18 μm，見圖7。對(duì)管道內(nèi)表面的泥沙磨損測試，由于管道內(nèi)表面曲率較大，3D 表面輪廓儀測量誤差很大，因此另采用可測曲率大的試件的LJ-X8080 系列基恩士激光測量儀，測量精度0.5 μm，見圖8。

圖7 光學(xué)表面3D輪廓儀Fig.7 Optical surface 3D profiler

圖8 基恩士激光測量儀Fig.8 Keenes laser measuring instrument

3.4 泥沙磨損試驗(yàn)及結(jié)果

按不同試驗(yàn)參數(shù)對(duì)管道進(jìn)行了泥沙磨損試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)各工況管道表面泥沙磨損的趨勢一樣，磨損量與泥沙濃度基本成正比例關(guān)系。在泥沙含量CV=6.0 kg/m3，管內(nèi)沙水流速V=30 m/s 時(shí)，試驗(yàn)90 h后，管道內(nèi)表面所測段的316L不銹鋼和柔性涂層管道試件的磨損量，見圖9 和圖10，根據(jù)測試結(jié)果可得不銹鋼管試件平均磨損率1.04×10-3μm/s，柔性涂層試件平均磨損率僅2.67×10-4μm/s，比較可知，不銹鋼管試件磨損量比柔性涂層試件磨損量大的多，約4倍。

圖9 316L不銹鋼管試件磨損量Fig.9 Wear of 316L stainless steel tube specimen

圖10 柔性涂層試件磨損量Fig.10 Wear of flexible coating specimen

按不同試驗(yàn)參數(shù)對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)葉進(jìn)行了泥沙磨損試驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)各工況導(dǎo)葉表面泥沙磨損的趨勢一樣，磨損量與泥沙濃度也基本成正比例關(guān)系。在泥沙含量CV=6.0 kg/m3，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)口沙水流速V=19 m/s時(shí)，試驗(yàn)50 h后，00Cr13Ni5Mo不銹鋼和柔性涂層水輪機(jī)導(dǎo)葉磨損量，見圖11 和圖12。從測試結(jié)果可知，導(dǎo)葉沿翼弦，中間部分磨損較小，頭部磨損最大，尾部次之。不銹鋼固定導(dǎo)葉最大磨損率達(dá)到5.93×10-3μm/s，柔性涂層固定導(dǎo)葉最大磨損率僅為1.69×10-3μm/s，不銹鋼活動(dòng)導(dǎo)葉最大磨損率達(dá)到7.83×10-3μm/s，柔性涂層活動(dòng)導(dǎo)葉最大磨損率僅為2.24×10-3μm/s，比較可知，固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉不銹鋼試件的磨損量基本都是柔性涂層試件磨損量的3.5 倍左右。試驗(yàn)結(jié)果也表明，00Cr13Ni5Mo不銹鋼比316L不銹鋼更耐磨。

圖11 00Cr13Ni5Mo不銹鋼導(dǎo)葉磨損量Fig.11 00Cr13Ni5Mo stainless steel guide vane wear

圖12 基材00Cr13Ni5Mo不銹鋼的柔性涂層導(dǎo)葉磨損量Fig.12 Guide vane wear of flexible coating 00Cr13Ni5Mo stainless steel

4 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)內(nèi)部流動(dòng)LDV測試

泥沙磨損試驗(yàn)可以獲得各種試件的磨損量或磨損率，如果要建立試件的泥沙磨損模型，以預(yù)估各種水電工程過流部件不同工況下的泥沙磨損情況，根據(jù)泥沙磨損計(jì)算模型要求可知，必須要知道過流部件表面速度分布。采用LDV 測試儀對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)內(nèi)部流動(dòng)速度進(jìn)行測試。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)幾何模型和進(jìn)口水流速度與泥沙磨損試驗(yàn)相同，所得的導(dǎo)葉表面速度分布，見圖13。從測試結(jié)果可知，固定導(dǎo)葉由于受到來流沙水的撞擊，導(dǎo)致頭部出現(xiàn)速度局部升高現(xiàn)象?；顒?dòng)導(dǎo)葉表面速度最大值出現(xiàn)在背面尾部處，且背面表面速度普遍大于工作面。

圖13 導(dǎo)葉表面速度分布Fig.13 Guide vane surface velocity distribution

5 泥沙磨損數(shù)學(xué)模型

泥沙磨損數(shù)學(xué)模型通常以泥沙磨損率來建立，泥沙磨損率一般為下列表達(dá)式［16］：

E=kCVVn

式中：E為磨損率（過流部件表面材質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)的磨損深度），μm/s；k為泥沙磨損系數(shù)；CV為過流部件平均泥沙含量，kg/m3；V為沙水沖擊過流部件壁面的速度，m/s；n為速度指數(shù)。

對(duì)于水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，根據(jù)導(dǎo)葉泥沙磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)和速度測試結(jié)果，可擬合得到水輪機(jī)導(dǎo)葉（固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉）試件泥沙磨損數(shù)學(xué)模型。

00Cr13Ni5Mo不銹鋼導(dǎo)葉試件：

E=3.2×10-8CVV2.5

柔性涂層導(dǎo)葉試件：

E=3.6×10-8CVV2.1

對(duì)于管道，沙水速度可以認(rèn)為是恒定的，這樣根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)和泥沙磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可擬合得到316L不銹鋼管試件及柔性涂層管道試件泥沙磨損數(shù)學(xué)模型：

316L不銹鋼管試件：

E=3.5×10-8CVV2.5

柔性涂層管道試件：

E=3.7×10-8CVV2.1

式中：CV為含沙量，kg/m3。

根據(jù)上面的水電工程過流部件泥沙磨損數(shù)學(xué)模型，可預(yù)估類似水電工程過流部件的泥沙磨損情況。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)有無柔性涂層試件的泥沙磨損系數(shù)差別不大，但柔性涂層試件比不銹鋼試件的泥沙磨損速度指數(shù)小，表明柔性涂層試件比不銹鋼試件的泥沙磨損小，速度越高的工況，磨損比會(huì)更小，也說明本柔性抗磨涂層材料比常用抗磨不銹鋼的抗磨能力強(qiáng)的多。

6 結(jié)論

對(duì)研制的一種柔性抗磨涂層應(yīng)用在水電工程中的管道和水輪機(jī)導(dǎo)葉過流表面上的泥沙磨損進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明本柔性抗磨涂層材料的泥沙磨損比不銹鋼材質(zhì)小的多，大大提高了水電工程過流部件的抗磨能力。并結(jié)合過流部件表面速度結(jié)果，建立了水電工程過流部件泥沙磨損數(shù)學(xué)模型，利用所建預(yù)估磨損模型，不僅可預(yù)估岷江流域水電工程過流部件各種工況的泥沙磨損，也可預(yù)估類似水電工程的泥沙磨損，為水電工程尤其是水電站的運(yùn)行檢修維護(hù)提供了技術(shù)支撐。