金屬陶瓷修復材料在水輪機維修中的應用

吳 鵬，蔣 磊

（1.國電安徽毛尖山水電有限公司，安徽宣城 242300；2.江蘇瑞斯邁工業技術有限公司，江蘇南京 210042）

0 引言

水輪機是水輪發電成套設備的主機，它與水輪發電機、電站控制設備、勵磁系統和調速器配套使用，組成水力發電站的主體。作為水輪機的關鍵部件之一，槳葉性能的優劣，直接關系到機組的檢修周期和運行安全。

常規的水輪發電機組大修都是將水輪機吊出基坑，通過長途運輸返回原廠家進行處理，增加了人工、運輸等成本，也增加了起吊、運輸等安全風險，若能采在現場處理水輪機氣蝕等缺陷，將節省大量成本，并降低安全風險。

2015 年，劉村壩電站1號機組使用金屬陶瓷修復材料對水輪機進行現場修復，處理完24 h 后即可進入滿負荷運行狀態，完全不影響正常生產，至今水輪機外觀未出現明顯氣蝕或者材料剝落現象。

1 水輪機氣蝕情況

劉村壩電站裝有3 臺2000 kW 容量貫流式水輪發電機組。水輪機槳葉長期運行過程中，發生汽蝕、雙金屬腐蝕、磨損等現象，造成過流面不平整，轉輪根部氣蝕嚴重部位深達4 cm，尤其是轉動部件葉輪，大面積出現汽蝕坑洞、磨損缺陷、甚至部分葉片葉型損失，不但給平時檢修維護帶來困難，增加了檢修成本和安全風險，而且還大大降低了水輪機的有效運行效率，增大了運行噪聲，造成人力、財力、能源的損耗。

2 金屬陶瓷修復材料的特點及要求

根據該設備具體運行工況條件，推薦使用英國RESIMACDE Polymers 公司生產的系列材料。英國RESIMAC-DEP201 陶瓷金屬修復材料常用于因磨損、腐蝕、汽蝕等原因造成的腐蝕坑洞、缺陷、條紋等部位的修復與復原。

RESIMAC-DEP201 耐腐蝕金屬陶瓷涂料用于葉輪等容易腐蝕的部位底層涂覆，RESIMAC-DEP203 防汽蝕金屬陶瓷涂料用于葉輪等容易汽蝕的部位面層涂覆。

2.1 RESIMAC-DEP201 材料

2.1.1 應用

用于重建被化學物質腐蝕損壞的金屬修復系統。將高分子重反應聚合物與硅鋼合金混和，并以此為基礎構成由兩種原料組成的修復系統。本系統經過特殊設計，非常耐磨，不可車削機加工只能磨削，可以對泵體內壁的鑄造缺陷進行有效修復。

2.1.2 技術參數

（1）粘合力（拉伸剪切）。在粗糙度為75 μm 的碳鋼下按ASTMD1002 標準測試結果：188 kg/cm2（2675 psi）。

（2）抗壓強度。按ASTMD695 標準測試結果：1089 kg/cm2（15.5 psi）。

（3）抗擾強度。按ASTMD790 標準測試結果：703 kg/cm2（10 psi）。

（4）硬度。按ASTMD785 測試結果：100 HRC。

2.2 RESIMAC-DEP202 材料

2.2.1 應用

本陶瓷涂層系統經過特殊設計，用于恢復保護化學物質腐蝕的表面。將高分子重反應聚合物與硅鋼合金混和并以此為基礎，構成由基料和固化基組成的修復保護系統。可保護金屬表面免受磨損損壞。

2.2.2 技術參數

（1）粘合力（拉伸剪切）。在粗糙度75 μm 的碳鋼下按ASTMD1002 標準測試結果：187 kg/cm2（2875psi）。

（2）抗壓強度。按ASTMD695 標準測試結果：735 kg/cm2（13.65 psi）。

（3）抗擾強度。按ASTMD790 標準測試結果：570 kg/cm2（9000 psi）。

（4）硬度。按ASTMD785 標準測試結果：100 HRC。

2.3 RESIMAC-DEP203 材料

2.3.1 應用

本陶瓷涂層系統經過特殊設計，用于恢復保護化學物質腐蝕的表面。將高分子重反應聚合物與硅鋼合金混和并以此為基礎，構成由基料和固化基組成的修復保護系統。可保護金屬表面免受損壞。

2.3.2 技術參數

（1）粘合力（拉伸剪切）。在粗糙度75 μm 的碳鋼下按ASTMD1002 標準測試結果：187 kg/cm2（2650 psi）。

（2）抗壓強度。按ASTMD695 標準測試結果：735 kg/cm2（10.45 psi）。

（3）抗擾強度。按ASTMD790 標準測試結果：570 kg/cm2（8100 psi）。

（4）硬度。按ASTMD785 標準測試結果：85 HRC。

2.4 現場環境要求

溫度要求≥5 ℃，相對濕度＜90%，現場無煙塵和漂浮灰塵。

2.5 設備要求

設備基體的表面應該干燥整潔（表面處理應清潔、堅固、干燥、粗糙四原則）。

2.6 材料的使用

2.6.1 產品要求

產品應在保質期內使用，且包裝無損壞、無分層、結塊、變色等現象。

2.6.2 混合

將固化劑與基料按產品要求比例混合，混合應充分，使混合后的材料顏色均勻一致，即拌即用。RESIMAC-DEP201 體積混合比為3∶1（基料∶固化劑）；RESIMAC-DEP202 體積混合比為8∶1（基料∶固化劑）；RESIMAC-DEP203 重量混合比為5∶1（基料∶固化劑）。

由于以上材料均為混合比例要求高、操作時間短的產品，因此現場混料時要嚴格按比例或整罐混合，并在材料規定的時間內使用完畢。

2.6.3 施料

施料時應用力且均勻，確保材料與基體表面充分地接觸，特別是第一層修復和涂層必須用力抹涂，使其達到最佳粘結效果。第一道表面凝固后方可涂第二道涂層。注意產品的操作時限，該時限從材料開始混合時算起。產品的操作時限參照產品的技術參數。

2.6.4 固化

施料完畢后，應讓防腐層充分固化。防腐層完全固化后設備方可將投入使用。

3 金屬陶瓷修復材料施工工藝的優點

拆解后的葉輪進行噴砂處理和清洗，首先采用金屬陶瓷修復材料修復汽蝕缺陷，若汽蝕深度較大，先進行涂層浸潤后再進行修復，保證汽蝕缺陷修復完整不留空，修復后恢復原來的輪廓。待修復材料表面凝固后涂覆兩層陶瓷涂層，設備常溫完全固化24 h 后既可投入使用。

3.1 缺陷修復

可對設備缺陷進行常溫無損修復，修復材料無溶劑、無塌陷、無熱應力等優點，保證設備安全穩定運行。

3.2 延長使用壽命

對設備涂覆陶瓷涂層，可防汽蝕、防磨損，保護設備安全穩定運行，從而延長設備使用壽命。

3.3 節能降耗

經修復涂覆后的設備，完善了流體在流道內流動曲線，不但可以把對設備的損害降到最低，同時超滑涂層降低了流體在流道內的阻滯力，相應的能耗將會下降。

3.4 快捷

高分子技術修復葉輪，可以實現現場快速處理設備缺陷，并快速投入使用，可以避免不必要的設備換新投入、備件的投入、停機維護投入等間接經濟損失。

3.5 特征

通過改變表面光潔度達到節能降耗的目的，與傳統的變頻技術節能降耗不沖突。

3.6 粘結機理

材料中含有較多的極性大的羥基和醚鍵，基團的極性使其分子和相鄰界面產生電磁間的吸引力。特別是主鏈上具有很高反應活性的基能，可以和金屬表面上的活性游離鍵起反應，形成牢固的化學鍵，極大地增強了結合力。另外，材料可以相當平穩地從液態變成固態，幾乎不收縮，故能保持原有的鍵，和基體形成極強的粘結力。材料中微米級的聚合添加物，不但大大改變了其防腐耐磨抗汽蝕性能，同時增加了表面的疏水性能，減少介質在泵內部的運行阻力和粘滯力，達到節能效果。

4 金屬陶瓷修復材料施工工藝

4.1 表面處理

為保證設備的修復和防護質量，高分子材料施工工藝要求對過流部位進行噴砂處理，去除銹層、垢層，噴砂后粗糙度≥75 μm。實現表面清潔、堅固、干燥、粗糙（表面處理四原則）。

4.2 表面清洗

噴砂后及時清砂、打掃，并用壓縮空氣吹掃表面。然后用專用清洗劑對所有噴砂表面進行清洗，去除浮塵和可能的油脂物質。

4.3 缺陷修復

（1）清洗之后，使用進口高分子修復材料RESIMAC-DEP201對槳葉因磨損、汽蝕出現的凹坑、蜂窩狀缺陷部位進行修復，恢復其原有的內部形廓。

（2）若出現汽蝕深度較大，尤其是葉輪位置，必須先使用RESIMAC-DEP202 涂層材料進行充分浸潤后，再使用RESIMACDEP201 修復材料進行修復和造型。

（3）槳葉缺陷較大時，沒有固定附著和輪廓，必須按照輪廓走向焊接支撐龍骨，配合鐵絲網，然后使用修復材料進行重整和塑型，這個過程需要非常細致的操作。

（4）施工時注意用力，使材料和凹坑基體充分接觸，不要留空。修復完畢后即可進行下一步涂覆。

4.4 涂層涂敷

（1）修復材料表固之后，調和RESIMAC-DEP202 耐磨陶瓷涂料第一層對槳葉、（過流面）均勻涂敷，不要出現漏涂、流掛等缺陷，單層干膜厚度0.25～0.40 mm。注意用力，尤其是已經修復部位，涂層材料充分浸潤，避免留空。

（2）待第一層防護涂層觸手可干后，接著涂覆RESIMACDEP203 超級光滑涂層第二層防護涂層，其技術要求與第一層相同。

4.5 固化說明

修復、涂敷完畢后，常溫固化24 h 后涂層可以完全固化（冬季溫度較低，固化時間適當延長），設備即可投入使用。

5 施工前后對比

水輪機槳葉未處理前表面如圖1 所示，處理后如圖2所示，運行30 個月后的表面情況如圖3 所示。

圖1 水輪機槳葉未處理前

圖2 水輪機槳葉處理后

圖3 槳葉運行30 個月后

6 結語

本文主要研究了金屬陶瓷修復材料的性能和施工方法，由于國內小水電大發展時期過后會有一波小水電轉輪集中修復期，這種在現場就能使用的修復方法施工簡單、用時少、成本低，修復后設備能立即投入使用，可為企業節省大量生產成本和降低安全風險，有一定的推廣和應用價值。