聚氨酯涂層在水輪機磨蝕防護中的應用

三門峽黃河明珠（集團）有限公司 張武斌

華北水利水電學院電力學院 任 巖

1.引言

多泥沙河流水電站的水輪機，都不同程度地受到泥沙磨蝕的危害。為了增強機組的抗磨蝕能力，許多電站經過多年的探索，在水輪機過流部件的表面防護方面，進行了大量的試驗研究[1-3]。對原型水輪機進行現場試驗，采用了各種材料進行表面防護，其中，聚氨酯是一種高強度的彈性非金屬材料，具有耐磨、耐水、強度高、彈性大等特點，同時，具有良好的彈性和韌性[4]，可以吸收泥沙顆粒的沖擊，抗磨效果好，但是，在與水輪機的粘結方面也有一定的技術難度[5]。因此，本文對聚氨酯在水輪機的抗磨蝕方面進行了詳細的分析，并得出結論，對聚氨酯在水輪機磨蝕防護中的應用起到了技術指導和參考作用。

2.聚氨酯對水輪機的抗磨蝕效果

2.1 聚氨酯材料施工工藝

聚氨酯材料是一種強度較高的彈性高分子有機材料，試驗室試驗有接近不銹鋼的抗空蝕指標，抗磨蝕性能為普通鑄鐵的22～24倍。該種材料施工工藝技術要求較高，需要專門的施工隊伍；而且原材料和粘合劑在工廠生產時，要求對質量指標嚴格控制，使材料的化學、力學指標盡量接近實驗室生產的質量；同時，在施工過程中，由于其粘度、流動性等不穩定因素，給施工造成了困難。同時，需有專門的設備，工藝較復雜，施工需作專用的模具。其施工流程如圖1。

2.2 澆注型聚氨酯在水輪機上的抗磨蝕效果

J2澆注型聚氨酯對于水輪機的抗磨蝕效果：J2—聚氨酯在陜西綏德縣水電站進行了試用，在平均含沙量48.28kg/m3，最大含沙量841kg/m3，最小含沙量0.48kg/m3情況下，運行5170h后，以SE822和SE821為粘合劑的涂層葉片上的保護層全部完好。機組繼續運行到12313h，歷時三年半、四個汛期，以SE821為粘合劑的涂層，葉片正面脫落2.72%、背面脫落28%。而以SE822為粘合劑的涂層，葉片正面涂層基本完好、背面脫落僅0.2%。如表1所示為幾種聚氨酯涂層對不同水電站水輪機的抗磨蝕效果比較。

2.2.1 聚氨酯涂層在大型軸流式水輪機上的防護效果

在青銅峽的應用：在頂蓋、底環、抗磨板、導葉密封處磨蝕嚴重；采用聚氨酯材料中間帶鋼骨架的抗磨板，抗磨效果很好，這種抗磨板具有良好的彈性和韌性，可以吸收泥沙顆粒的沖擊，減少磨損；采用整體澆注的密封條很好解決了導水葉立面間隙的磨蝕問題，用這種材料做成的V型密封用在導水葉立面，實現了立面無間隙，避免了導葉立面密封面的空蝕與磨損。

表1 幾種聚氨酯涂層對水輪機的抗磨蝕效果

表2 不同涂層的耐磨性能—磨蝕強度（10-3cm3/h）

圖1 聚氨酯材料施工工藝流程圖

圖2 聚氨酯在葉片背面外緣區脫落

圖3 聚氨酯在葉片背面頭部三角區脫落

圖4 葉片正面涂層的脫落

圖5 導葉上的聚氨酯涂層

圖6 泄水錐上的聚氨酯涂層

三門峽1#機新轉輪應用聚氨酯涂層情況：

三門峽電站1#機于2000年12月改造完成，使用由德國VOITH公司設計、上海希科公司制造的ZZK-7型新轉輪，為防止泥沙磨蝕，對水輪機的過流部件進行了表面防護。在大部分的葉片、中環等關鍵部位實行WC高速火焰噴涂之外，在水輪機導水葉、轉輪體上圍板圓柱表面、泄水錐表面等處涂聚氨酯材料進行保護。

此外，部分轉輪葉片在硬涂層的基礎上又增加了聚氨酯涂層，例如6#葉片正背面，3#葉片正面外緣400mm寬范圍。機組重新投運后的2001年汛前，機組運行800h，軟涂層已經出現較嚴重損傷與脫落，導水葉上7#、8#導水葉涂層脫落嚴重，其余出現局部撕裂。3#、6#葉片的軟涂層在葉片頭部、外緣嚴重脫落。（見圖2-圖6）。

汛前，對撕裂的軟涂層進行了清除，汛后檢查發現，軟涂層的脫落進一步加劇，導水葉上的軟涂層，除兩個導葉基本完好外，其余導葉均出現大面積脫落，以頭部最為嚴重，已經露出母材。6#葉片背面300mm范圍內的軟涂層幾乎全部脫落，正面頭部300×1000mm2范圍基本全部脫落。泄水錐軟涂層部分脫落。

汛期后，對脫落的軟涂層進行了修復，重新涂聚氨酯，但到2002年汛期后檢查時，葉片上的軟涂層又嚴重脫落，導水葉上的軟涂層除進水邊外其它部位基本完好。從三門峽1#機的情況看，聚氨酯涂層在導葉上的防護有較好的效果，在葉片上的防護時間較短暫。但是，作為葉片硬涂層的局部修復有一定的防護效果。

2.2.2 聚氨酯在混流式水輪機上的使用效果

萬家寨水輪機的聚氨酯涂層防護效果：萬家寨電站的水輪機為混流式，為了防止水輪機過流部件可能發生的空蝕和磨損，在部分水輪機的導水葉、葉片上涂以聚氨酯為底層、加入TiNi高硬顆粒的“耐爾久”軟涂層，有的機組葉片上使用了碳化硅環氧復合涂層，1#機導水葉的軟涂層運行41天后開始脫落，4#機經過72h試運行轉輪上的軟涂層幾乎全部脫落，6#機經72h試運行后，固定導葉和尾水管I段的軟涂層大部分脫落，總體看，“耐爾久”聚氨酯涂層在萬家寨的應用是不成功的。

小浪底水輪機的聚氨酯防護效果：小浪底電站在水輪機固定導葉、尾水管錐管實行聚氨酯涂層防護，從6#機的運行情況看，涂層運行1330h內涂層完好；運行8075h后，各機組軟涂層的情況差異較大，1#、2#機涂層完好，3#機尾水管錐管進口處產生局部層間剝落，4#機最嚴重，占涂層面積的13.7%，5#、6#機涂層脫落較少。總體情況看。小浪底電站使用聚氨酯涂層在固定導葉上的防護效果是較明顯的。

2.3 聚氨酯涂層脫落或撕裂的原因分析

（1）硬物割傷：材料的硬度低，易于被尖銳硬物割傷，汛期水流夾帶大的尖銳石塊、樹根等異物以較高的速度撞擊導葉的進水邊（頭部），使軟涂層被割傷，一旦出現破口，相鄰涂層將很容易被撕裂。這可能是在導水葉頭部的涂層普遍存在脫落、撕裂現象的原因所在。

（2）與母材粘接強度不夠：因此在強空化區，在脈動的負壓的長期作用下，底層產生剝離，造成涂層脫落。這是葉片背面空化區涂層脫落的重要原因。

（3）空化擊穿：空泡潰滅時產生上千大氣壓的微射流，反復作用于涂層表面，當涂層厚度不足時，沖擊力將擊穿彈性涂層，到達金屬表面，破壞粘接層，引起軟涂層脫落。根據謝篤祜的研究，抗空蝕擊穿的安全厚度為3mm。

（4）粘接層的老化（疲勞破壞）：萬家寨經驗表明，使用初期的涂層脫落很少，2000h內基本不脫落，但隨著時間的推移，脫落強度相應加大。

3.結論

（1）聚氨酯涂層在實驗室條件下表現出良好的抗磨蝕性能

在實驗室中，試驗條件為轉盤磨蝕臺，圓周線速45m/s的條件下，不同涂層的耐磨性能（即磨蝕強度）的分析比較如表2所示，由此可以得出，聚氨酯涂層在實驗室條件下表現出良好的抗磨蝕性能。

（2）在小型機組葉片上有較好的防護效果

聚氨酯材料在小型機組的葉片磨蝕防護上有良好的表現。在陜西綏德電站（機組為ZD661-LH-120，容量800kW）、四川永安的脫落率都較低，甚至運行上萬小時后仍大部完好。特別是以SE821、SE822為粘接劑的澆注型聚氨酯性能良好。

（3）在大型機組固定過流部件上有較好的防護效果

三門峽、青銅峽、小浪底、萬家寨等大中型電站都用聚氨酯材料作為導水葉、座環支柱、轉輪體等固定過流部件的磨蝕防護，除了進水邊因硬物撞擊、割傷等造成撕裂、脫落外，其他區域涂層一般完好。

（4）粘接劑是關鍵之一

全國水力機械抗泥沙磨蝕試驗總站根據1979～1985年6年間在陜西綏德電站的實驗經驗得出結論：聚氨酯橡膠作為水輪機抗磨蝕保護材料成敗的關鍵是涂層與水輪機基材的粘合強度和耐水性，山西省水科所研究的SE821SE822及改進的SE861粘合劑具有較好的性能，因此，應用這種粘合劑的聚氨酯涂層保護時間較長，不易脫落。

（5）安全厚度須保證

聚氨酯涂層必須具有一定的厚度才能抵抗由硬物撞擊或空化氣泡潰滅所產生的沖擊壓力，使沖擊力不能達到粘接層。一旦粘接層被破壞，涂層就會脫落。根據謝篤祜的研究，在水頭不高、空化強度不大情況下，抗空蝕擊穿的安全厚度為3mm，如果水頭較高，空蝕強度較大，則安全厚度須大于3mm。

（6）強空化和尖銳硬物割傷是涂層脫落的主因

三門峽等電站在導水葉等固定部件上使用聚氨酯涂層，在進水邊頭部經常發生撕裂脫落，與汛期水流中含有石塊、樹根等尖銳、堅硬物體有關，聚氨酯的抗磨性能雖然較好，但機械強度較差，易于被劃傷，一旦局部被劃傷，相鄰區域就會被撕裂。強空化區空化擊穿，使粘接層被破壞，造成涂層脫落。

[1]任巖,李興易,張小寶.高速氧燃噴涂碳化鎢在水輪機磨蝕防護中的應用[J].水力發電,2009(8):61-63.

[2]任巖,魯改鳳,王龍等.黃河上水電站水輪機磨蝕狀態檢修的研究[J].水力發電,2010(4):57-59.

[3]任巖,王瑞蓮,陳德新等.黃河水流對軸流式水輪機磨蝕及其防護研究[J].黃河水利職業技術學院學報,2007(1):13-15.

[4]陳靜.水輪機轉輪軟抗磨技術應用[J].新疆電力技術,2008(1):62-63.

[5]黃犀硯,陳前淮,武彬.三門峽水電站1號水輪機抗磨蝕軟涂層的應用[C].水輪機抗磨蝕技術研討會論文集,2006:213-218.