空蚀对金属材料的侵蚀机理及其危害分析

空蚀的形成与水的汽化现象有密切的联系。在给定温度下，水开始汽化的临界压力叫做水的汽化压力。水在各种温度下的汽化压力值见表4-1。为应用方便，汽化压力用其导出单位mH2O（1mH2O=9806.65Pa）表示。

表4-1　水的汽化压力值

由上述可见，对于某一温度的水，当压力下降到某一汽化压力时，水就开始产生汽化现象。通过水轮机的水流，如果在某些地方流速增高了，根据水力学的能量方程知道，必然引起该处的局部压力降低，如果该处水流速度增加很大，以致使压力降低到在该水温下的汽化压力时，则此低压区的水开始汽化，便会产生气蚀。

目前认为，空蚀对金属材料表面的侵蚀破坏有机械作用、化学作用和电化作用3种，以机械作用为主。

1.机械作用

水流在水轮机流道中运动可能发生局部的压力降低，当局部压力低到汽化压力时，水就开始汽化，而原来溶解在水中的极微小的（直径约为10-5～10-4mm）空气泡也同时开始聚集、逸出。从而，就在水中出现了大量的由空气及水蒸气混合形成的气泡（直径在0.1～2.0mm）。这些气泡随着水流进入压力高于汽化压力的区域时，一方面由于气泡外动水压力的增大，另一方面由于气泡内水蒸气迅速凝结使压力变得很低，从而使气泡内外的动水压差远大于维持气泡成球状的表面张力，导致气泡瞬时溃裂（溃裂时间约为几百分之一或几千分之一秒）。在气泡溃裂的瞬间，其周围的水流质点便在极高的压差作用下产生极大的流速向气泡中心冲击，形或巨大的冲击压力（其值可达几十甚至几百个大气压）。在此冲击压力作用下，原来气泡内的气体全部溶于水中，并与一小股水体一起急剧收缩形成聚能高压“水核”。而后水核迅速膨胀冲击周围水体，并一直传递到过流部件表面，致使过流部件表面受到一小股高速射流的撞击。这种撞击现象是伴随着运动水流中气泡的不断生成与溃裂而产生的，它具有高频脉冲的特点，从而对过流部件表面造成材料的破坏，这种破坏作用称为空蚀的“机械作用”。

2.化学作用

发生空化和空蚀时，气泡使金属材料表面局部出现高温是发生化学作用的主要原因。这种局部出现的高温可能是气泡在高压区被压缩时放出的热量，或者是由于高速射流撞击过流部件表面而释放出的热量。据试验测定，在气泡凝结时，局部瞬时高温可达300℃，这种高温和高压作用，促进了气泡对金属材料表面的氧化腐蚀作用。(www.xing528.com)

3.电化作用

在发生空化和空蚀时，局部受热的材料与四周低温的材料之间，会产生局部温差，形成热电偶，材料中有电流流过，引起热电效应，产生电化腐蚀，破坏金属材料的表面层，使它发暗变毛糙，加快了机械侵蚀作用。

根据对气蚀现象的多年观测，认为空化和空蚀破坏主要是机械破坏，化学和电化作用是次要的。在机械作用的同时，化学和电化腐蚀加速了机械破坏过程。空化和空蚀在破坏开始时，一般是金属表面失去光泽而变暗，接着是变毛糙而发展成麻点，一般呈针孔状，深度在1～2mm 以内；再进一步使金属表面疏松成海绵状，也称为蜂窝状深度为3mm 到几十毫米。气蚀严重时，可能造成水轮机叶片的穿孔破坏。

空化和空蚀的存在对水轮机运行极为不利，其影响主要表现在以下几方面：

（1）破坏水轮机的过流部件，如导叶、转轮、转轮室、上下止漏环及尾水管等。

（2）降低水轮机的出力和效率，因为空化和空蚀会破坏水流的正常运行规律和能量转换规律，并会增加水流的漏损和水力损失。

（3）空化和空蚀严重时，可能使机组产生强烈的振动、噪音及负荷波动，导致机组不能安全稳定运行。

（4）缩短了机组的检修周期，增加了机组检修的复杂性。空化和空蚀检修不仅耗用大量钢材，而且延长工期，影响电力生产。