《水流含沙特性對金屬材料空蝕磨損的影響機制研究》是依託天津大學，由緱文娟擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：水流含沙特性對金屬材料空蝕磨損的影響機制研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：緱文娟
- 依託單位：天津大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
水力機械或水工建築物在含沙水流中運行時，空蝕和磨損聯合作用下的破壞現象稱為磨蝕。在高含沙河流上興建高水頭、大流量的水利工程，其過流面磨蝕破壞嚴重，威脅工程的安全運行。為了減緩和預測水力機械的磨蝕破壞，泥沙對磨蝕的影響一直是亟待解決的重要問題。本課題的目標是基於泥沙對材料的磨蝕影響和預測，達到控制過機水流的泥沙級配，減少過流面磨蝕破壞，為水力機械的設計和運行提供依據。本項申請的主要內容包括：（1）分析泥沙硬度、形狀、粒徑和含量對水流的運動特性影響，利用水流粘滯性，揭示泥沙抑制磨蝕破壞的機理。（2）通過物理試驗，研究泥沙特性對多種金屬材料的磨蝕破壞規律，驗證細顆粒泥沙對磨蝕的抑制作用是否具有普遍性。（3）基於上述研究成果，以水電站運行原始資料為標準，採用理論分析和物理試驗相結合的方法，構建水力機械磨蝕預測模型；基於該模型，建立過機水流的泥沙級配最佳化表達式，使過流面的磨蝕量與清水的空蝕量相等。
結題摘要
空蝕磨損是水利工程及海洋工程中常見的一種破壞現象，嚴重影響了水工建築物和水力機械等的安全運行。本項研究利用振動空蝕儀和自製的泥沙起動裝置，以45號鋼、水泥石、水泥砂漿、以及無機塗層為研究對象，以人工石英砂和天然黃河沙為介質，研究了9種泥沙粒徑和9種泥沙含量條件下，材料的空蝕和磨蝕的特性。試驗結果表明，（1）對於45號鋼，證實了泥沙存在一個臨界粒徑；當泥沙粒徑小於臨界粒徑時，磨蝕量小於清水的空蝕量，這是由於含沙水體粘滯性增大，導致空泡潰滅時間延長，抑制了空化的發生，因此細顆粒泥沙對空蝕存在抑制作用；當泥沙粒徑大於臨界粒徑時，磨蝕量大於清水的空蝕量，由於空泡潰滅時產生的衝擊波加速了泥沙的運動，導致粗顆粒泥沙促進空蝕破壞。另一方面，泥沙含量對磨蝕量的影響顯著，磨蝕量隨著泥沙含量的增大，先急劇增大，再急劇減小，最後磨蝕量趨於穩定。（2）對於水泥石、水泥砂漿和無機塗層等脆性材料，隨泥沙粒徑的增大，磨蝕量先急劇增加，達到一定程度後趨勢變緩；磨蝕量與含沙量的關係亦然。磨蝕角度對磨蝕量的影響顯著，當磨蝕角度小於60°時，塗層材料磨蝕量增加速率趨緩，超過60°後增加速率較大；無機塗層塗層對水泥砂漿在小粒徑、低含沙量以及低角度的挾沙水流中磨蝕防護效果較好。（3）氯鹽的存在對空蝕和磨蝕的影響也十分重要。氯鹽濃度對脆性材料與對塑性材料的空蝕影響都存在特定的門檻濃度，其值分別為2.0%與3.5%，即隨著鹽濃度的增加，試樣的空蝕量迅速上升，然後變得比較平緩。氯鹽的加入引起的泥沙顆粒對金屬的力學磨蝕作用與氯鹽對金屬的電化學腐蝕之間的協同作用大於由於水體粘滯性引起的細顆粒泥沙對金屬磨蝕的抑制作用。（4）構建了空化、空蝕和磨蝕預測模型，分別模擬了空化空蝕的發生、發展過程，預測了空蝕磨蝕破壞量，並與試驗結果進行對比分析，分析結果表明，模型可以預測和評估磨蝕破壞及其程度，為水利工程的安全運行和合理安排檢修提供助力。
