引黃工程中水泵磨蝕防護措施發展現狀綜述

毛　潭，張廣濤，張勇杰，牛維嘉

(1.北方工業大學,北京　100144；2.山西水務科技有限公司,山西　太原　030000)

引黃工程中水泵磨蝕防護措施發展現狀綜述

毛潭1，張廣濤1，張勇杰1，牛維嘉2

(1.北方工業大學,北京100144；2.山西水務科技有限公司,山西太原030000)

[摘要]引黃工程中由于黃河水泥沙含量大,由此產生水泵磨蝕問題,嚴重影響取水工程。文章對現有水泵抗磨蝕措施及技術進行了分析,并針對引黃工程中常用離心泵的磨蝕問題,提出改進措施。

[關鍵詞]引黃工程；水泵；抗磨蝕

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.17.140

1前言

引黃工程中水泵面臨著嚴重的磨損和氣蝕問題。若不能解決水泵的磨蝕問題,就難以保證泵站長期高效運行。國內許多學者對于水泵抗磨蝕問題進行研究[1-4]。20世紀80年代,黃河水利科學院研究開發并成功推廣應用環氧金剛砂涂護抗磨技術[5],90年代環氧金剛砂涂料研究有了進一步的研究與改進,復合樹脂金剛砂抗磨涂料問世[6]。為實現抗磨蝕、延長機件使用壽命的目的,還有很多其他技術也有使用,如改性聚氨酯抗磨蝕材料、改性超高分子量聚乙烯涂層及復合尼龍抗磨蝕涂層、超音速火焰噴涂防護技術[7]。筆者通過分析常用水泵抗磨蝕技術的應用情況及存在的問題,對水泵磨蝕防護提出建議。

2水泵磨蝕問題分析

水泵磨蝕的主要原因有以下幾點：泵站揚程較高,泥沙磨損,水泵易損件(葉輪 、密封環) 設計和制造存在的不足以及泵站設計、運行存在較多的問題等。水泵的磨蝕由以上幾種因素綜合作用造成,其中最主要因素是揚程和泥沙。黃河泥沙中成分比較堅硬,而制造水輪機葉片的金屬硬度遠小于沙粒硬度。在揚程較高的前提下,泥沙磨損伴生氣蝕,氣蝕又加劇磨損,從而引發嚴重的磨蝕問題[8]。常見磨蝕部位有葉輪與泵殼,葉輪與密封環間隙等。

3常見水泵抗磨蝕防護措施

3.1合理的結構設計及母體材料選擇

通過分析水輪機磨蝕的機理我們可知,泥沙磨蝕的強度與流速高、脫流、旋渦有很大聯系。不合理水輪機流道設計很大程度上加重磨蝕的形成[9]。抗磨蝕材料從總體上講應具備結構致密、韌性強、質量均一、結晶顆粒細、拉力強、硬度高、疲勞極限高的綜合性能,同時材料應該具備可加工性和可焊性[10]。總之,合理的結構設計及母體材料選擇是防護水輪機磨蝕重要因素,可以從根本上提升水輪機的抗磨蝕性能和使用壽命。

例如：在結構設計上,在軸套上增加一個防磨損套,使防磨損套與泵體之間保持相對靜止；在葉輪上增加耐磨口環,減少更換整個葉輪,從而達到更高的性價比。在材料選擇方面上,泵體材質采用優質ZG310-570鑄鋼件,葉輪材質采用ZG0Crl3Ni4Mo,耐磨口環采用ZG0Cr17Ni4Cu4Nb,軸采用2Cr13或ZG2Crl3等,都具有較好的強度和硬度,以及優良的抗磨蝕性能[11]。

3.2常見抗磨蝕涂層防護措施

3.2.1合金粉末噴焊或噴涂

熱噴焊合金粉末是通過一定的方法將合金粉末熔融在母體表層內的一種工藝,抗磨蝕效果明顯,而且價格較低、方法簡單、結合力強、適合于現場加工、便于推廣的優點,具有極大的經濟效益和社會效益[12]。同時該工藝也存在著不足之處,如在噴涂過程中會產生高溫,而高溫則很容易造成葉片變形。因此,在該工藝過程中,一定要要嚴格控制變形,否則會嚴重影響流態和機組效率。與此同時,噴涂合金粉末是一種物理結合,缺點是與本體附著力差,防護效果較差[10]。噴焊較適用于小型水力機械抗磨蝕的防護,當應用于大中尺寸薄工件時,會造成工件變形和厚大工件的噴焊層龜裂、脫落和噴焊工藝等問題[13]。

3.2.2超高音速噴涂

超高音速噴涂[14]是將高速碳化鎢粒子(WC)沖擊水力機械表面并鑲嵌到母體中,從而得到底層與母體超高的結合強度,硬質點嵌入過流部件本體表面的強度較高,表面整體性和型線較好。高速火焰噴涂技術[15](HVOF)是超高音速噴涂的一種,很適合對水泵葉輪進行抗磨蝕處理。但該技術在抗空蝕性能方面仍有不足：當涂層破壞,母材則很快被磨蝕,出現較深的孔洞[16]。HVOF-WC噴涂技術復雜,70%的碳化鎢含量有利于提升水泵抗磨蝕能力,但是成本卻很高[17]。目前僅限于在大機組及磨蝕涂層試驗機組進行。

3.2.3金屬焊條堆焊

金屬焊條堆焊設備簡單、技術成熟,目前仍是最普遍的抗磨損修復方法,常用于國內一些中小型水電站中。我國用于水機磨蝕堆焊的焊條主要有[18]：高鉻鑄鐵型、Cr-Ni奧氏體不銹鋼型和低碳馬氏體不銹鋼型等。但是對于水力機械過流部件漿體,金屬焊條堆焊并不是完全適用。如焊條堆焊沖淡率大,焊層厚且不均勻,基體材料的可焊性要求高等[19]。

3.2.4非金屬涂層

水泵在非金屬材料方面[20],先后使用環氧金剛砂漿、聚氨酯橡膠(德國)、熱噴涂尼龍、高分子聚乙烯等材料,多用于水機活動導葉、轉輪室、葉片正面、頭部等區。目前,國內材料主要有環氧聚合物、復合尼龍和聚氨酯系列；國外主要是環氧和聚氨酯系列。環氧聚合物開始階段有比較嚴重的脫落現象,耐空蝕性能也較差,對中等空蝕的保護其仍存在不足[21]。改性環氧樹脂黏結力強、操作簡單、抗磨蝕性能好、價格便宜的優點[22]。但不適用于水泵泵軸與軸套、葉輪與口環之間的摩擦面的涂護[23]。

3.2.5涂層技術與其他技術相結合

對于提高持續工作能力而言,合理的選材非常重要,與此同時,為了達到更好的效果可以結合其他的抗磨蝕技術[24]。如將板焊接葉輪與焊補修復及表面涂敷非金屬抗磨蝕材料技術相結合[25]。鋼板焊接葉輪技術是采用Q235鋼板熱壓焊接成型的葉輪,提高了水泵的抗磨蝕能力。針對葉片等過流表面,利用改性聚氨酯復合樹脂涂護技術對其表面進行涂護,葉輪與口環相摩擦的表面同樣也可以進行涂護,可有效提升葉輪抗磨蝕能力[26]。延長葉輪磨蝕時間,增加水泵抗磨蝕修復的時間間隔,降低水泵修復、維修成本,使水泵的持續工作能力大大增強。

3.3其他措施

越來越多的新技術、新工藝、新設備和新材料在水泵抗磨蝕中發揮作用,如用磨削機對混流式水輪機轉輪進行的檢修技術[27]。減少過機泥沙也是防磨蝕的一種有效措施,不但能保證水電站的正常運行,而且對機組的磨蝕也明顯的減少[25]。

4討論

面對引黃工程中水泵面臨著嚴重的磨損和氣蝕問題,必須采取有效的解決水泵的磨蝕問題的防護措施,只有這樣才能保證泵站長期高效運行。對國內現有水泵防護措施進行調查分析表明,合理的結構設計及母體材料選擇是防護水輪機磨蝕重要方法,可以從根本上提升機器抗磨性能和使用壽命。但是如何在選材和設計上提升水泵的持續使用能力問題仍需思考。涂層技術中合金粉末噴焊或噴涂價格較低、方法簡單,適用于小型的水泵的抗磨蝕；超高音速噴涂可實現更高的硬度和更好的耐磨損性,抗空蝕能力相對稍差,工藝較嚴格,僅限于在大機組及磨蝕涂層試驗機組進行；金屬焊條堆焊技術簡單,但沖淡率大,適用于中小型泵站葉片及葉輪室的局部修補；環氧樹脂涂層價格較低,適用于氣蝕不太嚴重的條件；改性樹脂涂層材料價格較低抗磨蝕能力較強,適用于過流面和氣蝕破壞的地方,不適用于水泵泵軸與軸套葉輪與口環等摩擦面的涂護；Q235鋼板焊接葉輪與焊補修復,降低成本提升持續使用能力,適用于大中型泵站葉輪抗磨蝕的保護處理；減少過機泥沙和先進修復工具分別通過減少過泵泥沙量和提升修復效率來增強水泵持續使用能力。

目前在引黃工程中常用SLOW泵型單級雙吸中開蝸殼式離心泵,經過對現有的水泵抗磨蝕防護措施分析,筆者提出改進措施：耐磨環可以采取選用表面碳氮共滲的1Cr13或2Cr13不銹鋼做耐磨環從材料上提升耐磨蝕能力；Q235鋼板熱壓焊接成型的葉輪,提高水泵的抗磨蝕能力；葉片等過流表面采用改性聚氨酯復合樹脂涂護技術,葉輪與口環相摩擦的表面采用合金粉末噴涂(焊)技術進行涂護。泵體磨損采用金屬焊條堆焊。

5結論與展望

本文總結了水泵磨蝕的原因及機理,同時分析了國內常見水泵磨蝕防護措施的優缺點及對水泵防護措施選用提出初步的建議。毫無疑問水泵磨蝕涉及方面極其廣泛,本文仍有很多方面有待改進。如黃河上水電站的水輪機磨蝕規律及特點大致相同,但由于水泵選用、地理環境、泵站規模等方面有所差異。因而在選用防護措施時需要更有針對性,從而達到更好的抗磨蝕效果。不僅如此很多防護技術如超高音速噴涂、非金屬涂層等技術有著很大的發展空間。隨著技術的進步,未來必將在抗磨蝕中發揮越來越大的作用。

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[基金項目]2015年北京市優秀人才培養骨干計劃,面向京津冀全流域動態輸水應用的物聯智能閘關鍵技術研究；2014年山西省水利科學技術資助項目,引黃工程泥沙處理及水泵抗磨技術研究(項目編號：JSKY201407)。

[作者簡介]毛潭(1982—),男,漢,山東東營人,北方工業大學機械與材料工程學院,講師,碩士。研究方向：機械設計自動化及實驗技術研究。