水流含沙特性对金属材料空蚀磨损的影响机制研究

Cavitation damage in silt loaded river is a destructive phenomenon under the combined effects of cavitation erosion and abrasive wear to hydro structure and machinery. Along with the constructions of water conservancy projects with high head and big discharge, cavitation damage could frequently lead to structural failure, intensified vibration and loss of efficiency for hydro structure and machinery, endangering the safe operation of the projects. Controversy remains regarding the effects to surface damage caused by sediment, and thus a systematic study about the performance and prediction to the abrasion has always been an important unsolved problem. The objective of research project is to decrease the damage of cavitation in silt loaded river and provide the foundations for the design and management of hydro structure and machinery. In the way of physical investigation, the influence of sediment hardness, size, and concentration on the abrasion which caused by common metals applied in various hydro machinery and mechanism analysis about effects of sediment on the abrasion by way of viscosity of solution. In addition, on the basis of experimental data and hydro machinery operation information, we could construct a prediction model about abrasion by using a combined method of theoretical analysis and physical investigation. Therefore, based on the prediction model, we can establish a best soil gradation optimization expression and surface damage is equal to its mass loss in water.

水力机械或水工建筑物在含沙水流中运行时，空蚀和磨损联合作用下的破坏现象称为磨蚀。在高含沙河流上兴建高水头、大流量的水利工程，其过流面磨蚀破坏严重，威胁工程的安全运行。为了减缓和预测水力机械的磨蚀破坏，泥沙对磨蚀的影响一直是亟待解决的重要问题。本课题的目标是基于泥沙对材料的磨蚀影响和预测，达到控制过机水流的泥沙级配，减少过流面磨蚀破坏，为水力机械的设计和运行提供依据。本项申请的主要内容包括：（1）分析泥沙硬度、形状、粒径和含量对水流的运动特性影响，利用水流粘滞性，揭示泥沙抑制磨蚀破坏的机理。（2）通过物理试验，研究泥沙特性对多种金属材料的磨蚀破坏规律，验证细颗粒泥沙对磨蚀的抑制作用是否具有普遍性。（3）基于上述研究成果，以水电站运行原始资料为标准，采用理论分析和物理试验相结合的方法，构建水力机械磨蚀预测模型；基于该模型，建立过机水流的泥沙级配优化表达式，使过流面的磨蚀量与清水的空蚀量相等。

空蚀磨损是水利工程及海洋工程中常见的一种破坏现象，严重影响了水工建筑物和水力机械等的安全运行。本项研究利用振动空蚀仪和自制的泥沙起动装置，以45号钢、水泥石、水泥砂浆、以及无机涂层为研究对象，以人工石英砂和天然黄河沙为介质，研究了9种泥沙粒径和9种泥沙含量条件下，材料的空蚀和磨蚀的特性。试验结果表明，（1）对于45号钢，证实了泥沙存在一个临界粒径；当泥沙粒径小于临界粒径时，磨蚀量小于清水的空蚀量，这是由于含沙水体粘滞性增大，导致空泡溃灭时间延长，抑制了空化的发生，因此细颗粒泥沙对空蚀存在抑制作用；当泥沙粒径大于临界粒径时，磨蚀量大于清水的空蚀量，由于空泡溃灭时产生的冲击波加速了泥沙的运动，导致粗颗粒泥沙促进空蚀破坏。另一方面，泥沙含量对磨蚀量的影响显著，磨蚀量随着泥沙含量的增大，先急剧增大，再急剧减小，最后磨蚀量趋于稳定。（2）对于水泥石、水泥砂浆和无机涂层等脆性材料，随泥沙粒径的增大，磨蚀量先急剧增加，达到一定程度后趋势变缓；磨蚀量与含沙量的关系亦然。磨蚀角度对磨蚀量的影响显著，当磨蚀角度小于60°时，涂层材料磨蚀量增加速率趋缓，超过60°后增加速率较大；无机涂层涂层对水泥砂浆在小粒径、低含沙量以及低角度的挟沙水流中磨蚀防护效果较好。（3）氯盐的存在对空蚀和磨蚀的影响也十分重要。氯盐浓度对脆性材料与对塑性材料的空蚀影响都存在特定的门槛浓度，其值分别为2.0%与3.5%，即随着盐浓度的增加，试样的空蚀量迅速上升，然后变得比较平缓。氯盐的加入引起的泥沙颗粒对金属的力学磨蚀作用与氯盐对金属的电化学腐蚀之间的协同作用大于由于水体粘滞性引起的细颗粒泥沙对金属磨蚀的抑制作用。（4）构建了空化、空蚀和磨蚀预测模型，分别模拟了空化空蚀的发生、发展过程，预测了空蚀磨蚀破坏量，并与试验结果进行对比分析，分析结果表明，模型可以预测和评估磨蚀破坏及其程度，为水利工程的安全运行和合理安排检修提供助力。