磨损的微观过程及其影响分析

（一）表面状况

泥沙磨损发生在过流表面层，弄清该层实际情况，对深入揭示磨损规律是很重要的。如图9-3所示，是接触处泥沙弹性碰撞局部放大示意图。第一层为固体结晶；第二、第三层为切削加工后所呈现的冷硬细结晶层和氧化膜；第四层为表面吸附膜。

图9-3　接触处泥沙弹性碰撞示意图

1—金属结晶体；2—加工变质层105Å（量级）；3—金属氧化膜100Å（量级）；4—吸附的分子膜10Å（量级）；5—具有吸附膜的撞击沙粒；6—附面层内的雾状悬砂

试验表明，水轮机过流表面件抗磨性能在很大程度上取决于氧化膜的特性，与膜内晶泡生长速度、厚度、硬度、紧密牢固性、温度和化学稳定性有关。以常用碳素钢为例，其氧化膜为Fe2O3·nH2O 及Fe3O4 的混合结晶，其中Fe2O3 为疏松的多孔隙结构，呈红褐色，孔隙内含有结晶水（nH2O），因此介质可以穿过它作进一步侵蚀。这种膜硬度低、厚而脆，极易冲落。Fe3O4（也可写作FeO·Fe2O3）呈蓝黑色，它虽结晶细密，但是硬度低，厚度薄（δ<1.5μm），易磨掉，当金属本身变形较大时，该膜会折皱碎裂。而不锈钢则是一种成分为Fe2O3、Cr2O3 及MoO3 等所形成的复合氧化膜，由于Cr的参与，提高了材质的电位。Cr2O3 是一种经过氧化、不存在活泼价的稳定膜，而MoO3 又是一种阻挡水中氯离子入侵的耐腐蚀磨层，本身结晶细密，强度及硬度高（HB达600），其氧化膜与本体金属性能接近，还具有结合力强等优点。从电化机理上分析，铬是自钝化金属，它能与氧自动构成一种钝化膜，把金属与腐蚀性介质隔离开来，制止了金属离子脱离表面的水化作用，故不锈钢化学稳定性高，是较好的抗磨耐蚀材料。(www.xing528.com)

（二）疲劳磨损和应力磨损

在含沙的高速水流中，连续的撞击会产生一种高频冲击波，金属材料应力集中处会出现微小的疲劳裂纹。每当高冲量的沙粒撞击一次，裂纹就周期性地张开与闭合，并不断地向纵深扩展。金属材料表面上的这种交变应力，形成了金属的疲劳磨损。

此外，实际上水是一种腐蚀性液体，过流表面的部件不仅处于疲劳磨损，而且还处于剪切及弯曲等复合应力状态下，表面金属在磨损、汽蚀及腐蚀等共同作用下大量流失。大量事实证明，水轮机过流部件表面在远低于空气中的疲劳极限时，就发生了损坏和破坏现象，这种综合破坏的现象，通常称为应力磨蚀。

泥沙磨损是一种物理破坏过程，并且是一种渐变的破坏过程。水轮机过流部件遭到破坏的原因很多，除事故损坏之外，最主要的就是泥沙磨损、汽蚀破坏和化学腐蚀。这三种原因引起的破坏形式有所不同，汽蚀破坏的特征是过流部件表面呈海绵状，金属好似被一小块一小块地啄成深的小孔洞，形成蜂窝状，在破坏初期，这些小孔洞是不连续的，小洞旁边的金属可以是完好的；化学腐蚀的特征是过流部件表面的金属被一层层地剥落，破坏只在表面进行，破坏层很薄。泥沙磨损对过流部件表面的破坏，其破坏区连成一片，就是在初期也成片状的连续磨痕和斑点。此外，它的破坏深度较化学腐蚀的破坏层要深。但是，有时这三种因素同时存在，特别是汽蚀和泥沙磨损两者常常是伴随出现的，仅仅根据表面的破坏特征来区别原因，有时是相当困难的，因而只能分析造成破坏的主要原因。

影响水轮机泥沙磨损的主要因素有水流的含沙特性（如含沙浓度、水流速度、泥沙粒径、泥沙硬度、颗粒形状等）、过流部件的材质、水轮机的工作条件等。通常流速越高，泥沙磨损越严重。水电站的地理位置和形式不同，水轮机遭受泥沙磨损的破坏程度是不一样的。即使是相同形式的水轮机，安装在水质较清的河流或具有较大库容的水电站，其泥沙磨损程度要比安装在多泥沙河流上时轻微得多。严格来讲，只要水轮机取用含沙水流，水轮机就会遭受到泥沙磨损。但当水电站库容很大或具有足够的沉沙设施时，由于水中含沙量较少，泥沙磨损对水轮机的破坏是很轻微的。有时河流汛期可能会集中通过全年输沙量的70%～80%，因此汛期是水轮机遭受泥沙磨损最严重的时期。

水轮机遭受泥沙磨损后，造成金属流失，转轮失去原有的平衡，振动加剧，效率下降，机组检修周期缩短，对多泥沙河流的水电站，泥沙磨损往往是决定机组检修周期的唯一因素。