磨蝕防護(hù)技術(shù)在水力機(jī)械的應(yīng)用研究

李貴勛，張 雷，鄭 軍，楊 勇，郭維克

（黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003）

磨蝕防護(hù)技術(shù)在水力機(jī)械的應(yīng)用研究

李貴勛，張 雷，鄭 軍，楊 勇，郭維克

（黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003）

多泥沙河流上水力機(jī)械遭受磨蝕破壞，通過采用聚氨酯復(fù)合樹脂砂漿技術(shù)、改性聚氨酯涂層技術(shù)及鋼塑復(fù)合聚氨酯技術(shù)，起到了較好的防護(hù)效果，有效地提高了水力機(jī)械過流部件的耐磨性能，延長(zhǎng)了其維修周期，降低了維護(hù)成本，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

水力機(jī)械；磨蝕；過流部件；聚氨酯；鋼塑復(fù)合

1 前言

中國(guó)的河流含沙較多，磨蝕問題對(duì)水輪機(jī)的使用壽命和工作效率造成極大的影響[1]。水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪、固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉、座環(huán)、蝸殼等過流部件往往因磨蝕造成表面大面積侵蝕破壞，導(dǎo)致出現(xiàn)魚鱗坑、針孔、麻點(diǎn)、波紋、海綿狀或蜂窩狀等破壞形式。過流部件表面發(fā)生磨蝕破壞后，其機(jī)械效率、容積效率、水能效率下降，水力損失增大，振動(dòng)加劇，同時(shí)檢修頻率增加，停機(jī)時(shí)間延長(zhǎng)，對(duì)發(fā)電設(shè)備可靠性和安全性造成影響，嚴(yán)重時(shí)威脅電站安全可靠運(yùn)行。目前，我國(guó)已運(yùn)行的一百多座大中型水電站中，38%的機(jī)組因嚴(yán)重磨蝕導(dǎo)致機(jī)組效率下降，檢修頻繁，費(fèi)用增加，使用壽命縮短，每年因磨蝕造成的能源浪費(fèi)和材料損失都十分驚人[2,3]。據(jù)估計(jì)，在已運(yùn)行的水電站中，約有1/5~1/4的水輪機(jī)葉片遭受不同程度的泥沙危害，每年因水輪機(jī)過流部件磨蝕破壞而停運(yùn)或檢修引起的電能損失約20~30億kWh，年消耗檢修費(fèi)及設(shè)備更新費(fèi)數(shù)以億計(jì)[4]。多數(shù)水電站汛期被迫“棄水保機(jī)”，以減少汛期水電站的磨損，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)[5]。

本文介紹了聚氨酯復(fù)合樹脂砂漿技術(shù)、改性聚氨酯涂層技術(shù)及鋼塑復(fù)合聚氨酯產(chǎn)品的應(yīng)用研究，通過在萬(wàn)家寨水電站、象鼻嶺水電站、小浪底泄洪排沙工作閘門、青銅峽水電站的推廣和應(yīng)用，對(duì)解決水力機(jī)械過流部件磨蝕問題起到了巨大的作用，大大延長(zhǎng)了機(jī)組運(yùn)行壽命，降低了維修成本，提高了發(fā)電效益。

2 磨蝕防護(hù)技術(shù)及產(chǎn)品

2.1 聚氨酯復(fù)合樹脂砂漿技術(shù)

多泥沙河流上水輪機(jī)過流部件遭受不同程度的磨蝕破壞，如轉(zhuǎn)輪葉片磨蝕后，正面和背面會(huì)出現(xiàn)大量的汽蝕坑和魚鱗坑，尤其是下部靠出水邊嚴(yán)重磨蝕。水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉磨蝕也較為嚴(yán)重，密封面的磨損會(huì)加劇密封處汽蝕，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)時(shí)間延長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)，威脅設(shè)備的安全運(yùn)行。

聚氨酯復(fù)合樹脂砂漿由高抗磨蝕聚氨酯彈性體材料、彈性環(huán)氧樹脂、固化劑、硬金屬粉、棕剛玉、耐水劑等組成，該涂層綜合性能優(yōu)，具體參數(shù)如表1所示。涂層厚度一般為2~6mm，設(shè)計(jì)壽命10年以上。通過采用聚氨酯復(fù)合樹脂砂漿技術(shù)對(duì)水輪機(jī)過流部件進(jìn)行磨蝕防護(hù)，不僅其抗磨性能顯著提高，而且還克服了環(huán)氧金剛砂涂層在水機(jī)應(yīng)用中抗汽蝕性能差的缺點(diǎn)，該技術(shù)適用于水輪機(jī)蝸殼、座環(huán)、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪葉片正面等部位的磨蝕防護(hù)。

目前，該技術(shù)已在三門峽、青銅峽、葛洲壩、劉家峽、碧口、新疆烏魯瓦提、瑪納斯、萬(wàn)家寨等水電站進(jìn)行了應(yīng)用，取得了較好的磨蝕防護(hù)效果，如圖1、圖2所示。

圖1 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片磨蝕防護(hù)后效果

圖2 水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉磨蝕防護(hù)后效果

2.2 改性聚氨酯涂層技術(shù)

2.2.1 澆注聚氨酯彈性體涂層

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片背面為強(qiáng)汽蝕區(qū)域，目前多采用耐磨焊條補(bǔ)焊、超音速噴涂的方法進(jìn)行磨蝕防護(hù)或修復(fù)。葉片反復(fù)經(jīng)過補(bǔ)焊后，金屬材質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，其強(qiáng)度變差，耐磨性能惡化；超音噴涂技術(shù)形成的涂層具有較高的粘接強(qiáng)度，耐磨損性能優(yōu)異，但其材質(zhì)較脆，抗汽蝕性能相對(duì)較差，在葉片背面強(qiáng)汽蝕區(qū)容易被剝離。

聚氨酯被公認(rèn)為目前抗汽蝕性能最好的材料，涂層抗汽蝕性能是不銹鋼的十倍以上[6,7]。該涂層澆注成型，通過強(qiáng)力粘接劑和機(jī)械連接方式，與防護(hù)面結(jié)合力大大增強(qiáng)（附著力達(dá)到40MPa），不易發(fā)生剝離和撕裂現(xiàn)象，涂層性能指標(biāo)如表2所示。涂層厚度一般2~5mm，設(shè)計(jì)壽命10年以上。該技術(shù)適用于水機(jī)磨蝕破壞的強(qiáng)汽蝕區(qū)，如水輪機(jī)和水泵轉(zhuǎn)輪葉片背面、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪活動(dòng)止漏環(huán)等部位。

目前，該技術(shù)已在萬(wàn)家寨水電站、固海揚(yáng)黃泵站進(jìn)行了應(yīng)用，如圖3、圖4所示。

圖3 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片背面磨蝕防護(hù)

圖4 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪活動(dòng)止漏環(huán)磨蝕防護(hù)

2.2.2 高彈性聚氨酯漆

水工閘門、水輪機(jī)導(dǎo)葉、蝸殼長(zhǎng)期遭受高速含沙水流沖蝕，易發(fā)生磨蝕破壞。采用高彈性聚氨酯漆進(jìn)行防護(hù)，工藝簡(jiǎn)單，質(zhì)量可控，磨蝕防護(hù)效果較好。

高彈性聚氨酯漆通過噴涂成型，主要基料為高抗磨蝕聚氨酯，分底漆和面漆，底漆為防銹涂料，面漆為不銹鋼鱗片阻水材料。與普通防腐油漆相比，該耐磨漆具有高抗磨性和高防腐性雙重功能，涂層漆膜附著力一級(jí)以上，高彈性，抗沖擊能力強(qiáng)；漆膜耐磨蝕能力強(qiáng)，抗汽蝕能力是普通重防腐漆的20倍以上；抗老化能力強(qiáng)，水中浸泡20年，其性能下降不超過10%。該技術(shù)適用于水工閘門、水輪機(jī)蝸殼、導(dǎo)葉等部位的磨蝕防護(hù)。

目前，該技術(shù)已在小浪底水電站、烏魯瓦提水電站進(jìn)行了應(yīng)用，如圖5、圖6所示。

圖5 水工閘門磨蝕防護(hù)

圖6 水輪機(jī)蝸殼磨蝕防護(hù)

2.3 鋼塑復(fù)合聚氨酯產(chǎn)品

2.3.1 鋼塑復(fù)合聚氨酯導(dǎo)葉密封板

水電站活動(dòng)導(dǎo)葉立面多采用剛性密封，多年運(yùn)行后密封面發(fā)生磨損，磨損會(huì)進(jìn)一步加劇密封處的汽蝕，形成惡性循環(huán)，致使導(dǎo)葉立面密封磨蝕嚴(yán)重。一方面，磨蝕造成導(dǎo)葉漏水量加大，導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)時(shí)間延長(zhǎng)；另一方面，當(dāng)導(dǎo)葉漏水較大時(shí)，機(jī)組有潛動(dòng)現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅機(jī)組推力軸承等設(shè)備的安全，也直接影響機(jī)組的發(fā)電效率。

鋼塑復(fù)合聚氨酯導(dǎo)葉密封板為矩形板狀結(jié)構(gòu)，中間凸起，導(dǎo)葉小頭的剛性密封面與大頭的彈性密封面剛?cè)峤Y(jié)合，具有一定的互補(bǔ)作用，可有效抑制漏水。既解決了密封裝置的磨損問題，又使導(dǎo)葉密封性大大提高，改善了正常停機(jī)時(shí)因?qū)~漏水而導(dǎo)致的機(jī)組“潛動(dòng)”現(xiàn)象，大大提高了機(jī)組的發(fā)電效率。設(shè)計(jì)壽命10年以上，具體參數(shù)見表3所示。

表3 聚氨酯密封板性能指標(biāo)表

目前，該產(chǎn)品已在碧口、青銅峽、萬(wàn)家寨等水電站推廣應(yīng)用，效果如圖7所示。

圖7 水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉磨蝕情況及磨蝕防護(hù)效果

2.3.2 鋼塑復(fù)合聚氨酯抗磨板

水輪機(jī)底環(huán)抗磨板和頂蓋抗磨板一般由不銹鋼制造，在多泥沙河流使用環(huán)境下導(dǎo)致其磨蝕非常嚴(yán)重。水電站采用尼龍、超高分子量聚乙烯作為抗磨板材料，抗磨能力有一定提高，但由于其耐水性較差，易變形，進(jìn)而導(dǎo)致止漏環(huán)磨蝕嚴(yán)重，影響水電站發(fā)電效益。

通過引進(jìn)美國(guó)四氫呋喃聚醚原料，加以改性使其耐水性和耐候性大大增強(qiáng)，采用鋼塑復(fù)合技術(shù)加工成鋼塑復(fù)合聚氨酯抗磨板。其具有長(zhǎng)期使用不變形、抗磨蝕效果良好的優(yōu)點(diǎn)，與導(dǎo)葉密封板配合使用，機(jī)組止水密封效果優(yōu)異。抗磨尺寸根據(jù)機(jī)組尺寸進(jìn)行專業(yè)訂制，設(shè)計(jì)壽命20年以上。目前，該產(chǎn)品已在劉家峽、青銅峽等水電站進(jìn)行應(yīng)用，安裝效果圖如圖8所示。

圖8 水輪機(jī)座環(huán)安裝鋼塑復(fù)合聚氨酯抗磨板

3 結(jié)論

在多泥沙河流，水力機(jī)械磨蝕破壞已成為亟待解決的一大難題，針對(duì)不同過流部件、不同的使用環(huán)境，有區(qū)別的采用聚氨酯復(fù)合樹脂砂漿技術(shù)、改性聚氨酯涂層技術(shù)及鋼塑復(fù)合聚氨酯產(chǎn)品對(duì)水力機(jī)械進(jìn)行防護(hù)，如水輪機(jī)導(dǎo)葉、座環(huán)采用高彈性聚氨酯漆或者復(fù)合樹脂砂漿涂層，導(dǎo)葉密封采用鋼塑復(fù)合聚氨酯導(dǎo)葉密封板、抗磨板，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片正面采用復(fù)合樹脂砂漿涂層，背面采用聚氨酯彈性體涂層等。通過室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，以上磨蝕防護(hù)技術(shù)和產(chǎn)品起到了較好的防護(hù)效果，有效地提高了水力機(jī)械過流部件的耐磨性能，延長(zhǎng)了機(jī)組使用壽命，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

[1]鄭 凱，朱海峰，常 龍，等.表面涂層技術(shù)在水輪機(jī)抗磨蝕中的應(yīng)用及發(fā)展[J].水電與抽水蓄能，2015，06:56-60.

[2]石永偉.三門峽水電廠水輪機(jī)泥沙磨蝕及其防護(hù)的研究[D].南京：河海大學(xué)，2006.

[3]薛 偉，陳昭運(yùn).水輪機(jī)空蝕和磨蝕理論研究[J].大電機(jī)技術(shù)，1999，06：44-48.

[4]李志紅，梁 興.水力機(jī)械抗磨蝕涂層關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2012，04:113-114，117.

[5]張 閣，周香林，張濟(jì)山，等.水輪機(jī)過流部件用高耐磨耐蝕涂層制備技術(shù)[J].表面技術(shù)，2004，01:4-7，10.

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TK730

B

1672-5387（2017）05-0021-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.005

2016-05-13

黃河水利科學(xué)研究院科技發(fā)展基金項(xiàng)目（黃科發(fā)201603）。

李貴勛（1984-），博士，工程師，從事水力機(jī)械和水工建筑物磨蝕防護(hù)研究。