水泵葉輪及密封環配合面修復技術研究

李彥迪

（寧夏固海揚水管理處，寧夏 中寧 755100）

寧夏固海揚水工程是全國最大的公益性扶貧揚黃工程，也是全國灌溉面積最大的揚黃工程。現運行泵站29座，安裝主機組200臺（套），總裝機容量21.99萬kW，35～110 kV變電所22座，渠道468 km，各類水工建筑物1 637座，總設計流量41.2 m3/s，設計灌溉面積82萬畝（1畝約等于0.067 hm2，下同），現狀總灌溉面積170.64萬畝，年均引水量4.6億m3，工程年平均運行170 d左右。灌區受益人口64萬，牛羊等大家畜30萬頭。

1 葉輪口緣與密封環配合面磨蝕的原因分析

黃河中上游水域的揚黃泵站大型水泵普遍存在葉輪、密封環2個核心部件磨蝕嚴重、使用壽命短及運行效率低等共性問題。固海揚水工程固海系統臨河水源泵站（泉眼山泵站），在其上游1 km處有寧夏匯入黃河口最大支流——清水河入水口，由于清水河貫穿以黃土高原為主的寧夏南部山區，水流中拽帶有大量泥沙，一入黃河便直接在泉眼山泵站取水口處形成一條長長的高含沙水域帶，汛期情況更為嚴重。根據近3年泉眼山泵站含沙量數據統計，清水期平均含沙量達4.7～6.21 kg/m3，汛期達70～96 kg/m3以上。由于水源含沙量大，機組運行周期長等原因，水泵磨損和汽蝕破壞嚴重，尤其是葉輪口緣和密封環的配合面局部磨損，是造成葉輪、密封環使用壽命縮短和報廢的最主要原因。固海揚水工程運行具有大流量、滿負荷和長周期的特點，每年春灌前大修的水泵，連續運行2 500～3 500 h左右，水泵平均流量下降3.3%左右，效率下降1.9%左右，因水泵技術性能下降，不能滿足供水要求，影響工程級間正常匹配和灌溉。固海揚水工程泵站88.5%的水泵安裝鋼板焊接或鑄鋼葉輪，配套鑄鋼密封環。葉輪口緣與密封環內孔磨損快，而蓋板、進水葉片及出水葉片部位汽蝕與磨損相對較慢。葉輪口緣與密封環配合面之間的環形縫隙徑向間隙超標，導致水泵容積損失增大，是水泵技術性能降低、流量下降的主要原因，葉輪口緣與密封環配合部位的狀況成了決定葉輪及密封環使用壽命的關鍵。固海揚水工程泵站安裝的主水泵試驗數據表明，由于葉輪蓋板形狀的不同，在葉輪口緣靠蓋板側沿圓周有一圈3～6 mm深、6～10 mm寬、呈“O”狀磨蝕帶或沿軸向呈一道道深淺不一的溝槽。各種型號的葉輪，在使用3 000～5 000 h以后，口緣平均磨損量在2～3 mm左右，而葉輪其他部位僅有較少的蜂窩狀坑洞或小的溝槽，外形及尺寸基本完好，密封環內孔磨蝕情況與葉輪口緣類似。

因此，分析水泵葉輪及密封環部件磨蝕原因，針對性開展研究和試驗工作，采用新技術、新材料和新工藝，對以上部件的關鍵部位進行抗磨蝕保護、修復，達到恢復水泵性能標準，提高水泵運行效率，延長葉輪口緣及密封環配合面壽命，使之與其他部位的磨蝕基本同步，進而起到延長整個部件壽命的作用，對降低水泵維修費用，有著非常重要的實際意義。

2 修復方法

2.1 鑲鋼圈修復技術

2.1.1 修復原理

車削需要大修的葉輪口緣外圈或密封環內孔，將Q235鋼板卷制的承磨鋼圈鑲裝到待修復葉輪口緣外圈或密封環內孔，再將承磨鋼圈車削至裝配尺寸，起到修復嚴重磨損的配合部位，使徑向間隙符合標準的作用。

2.1.2 工藝流程

（1）車削葉輪口緣外圓或密封環內孔至計算尺寸。

（2）在葉輪口緣或密封環施焊部位開坡口。

（3）承磨鋼圈加熱至80～100℃后安裝到車削后葉輪口緣或密封環內孔。

（4）焊接承磨鋼圈與葉輪、密封環的2個端面。

（5）按裝配尺寸車削鑲鋼圈后的葉輪口緣或密封環內孔。

（6）檢驗。

2.1.3 工藝要點

（1）待修復的葉輪口緣或密封環外徑與承磨鋼圈采用過盈配合。

（2）承磨鋼圈與工件施焊部位端面須開“V”型坡口，以保證焊接強度，防止運行中承磨鋼圈與工件脫落。

（3）對已經鑲過鋼圈的工件再次使用該工藝修復時，必須將原承磨鋼圈全部車削去除，露出葉輪或密封環金屬基體。

2.1.4 應用效果

實際應用表明，配合面鑲裝的承磨鋼圈運行3 000 h左右，磨損量約0.9～1.3 mm，運行6 000 h左右磨損量約2～3 mm，使用該技術維修可以滿足水泵1～2個灌季運行需要。固海揚水工程揚程小于30 m的泵站，安裝的24、32及48英寸水泵葉輪，使用該工藝多次修復，葉輪壽命達到24 000～27 000 h，揚程30～50 m的泵站，葉輪壽命達到16 000～20 000 h左右，揚程50～70 m的泵站，葉輪壽命達到9 000～15 000 h左右。

2.2 埋弧自動焊修復技術

2.2.1 修復原理

埋弧自動焊修復原理，是以葉輪和焊絲為電極，焊接電源分別接在焊機導電嘴和葉輪上，引燃電弧后，電弧的高溫熱量使焊絲、工件和焊劑融化，形成平整焊縫。使用埋弧自動焊修復技術，是對磨蝕的葉輪口緣或密封環內孔粗車削加工后，實施多層堆焊，把焊絲金屬熔化堆在磨損的葉輪口緣或密封環上，在待修復部位形成致密的焊縫層，起到填充磨損部位的作用。這是一種經濟而快速的修復工藝方法，越來越廣泛地應用于水利機械零部件的修復中。

2.2.2 工藝流程

（1）有機溶劑對修復部位去油清潔。

（2）將修復的表面車削加工。

（3）使用埋弧自動焊設備分層補焊葉輪口緣外圈或密封環內孔。

（4）車削加工修復面至標準尺寸。

（5）檢驗。

2.2.3 工藝要點

（1）施焊維修前，對修復表面清潔要徹底（使用丙酮），處理好的表面避免沾染污物。

（2）要按照葉輪、密封環的鋼種及補焊厚度選擇焊絲牌號、焊絲直徑及焊劑牌號，補焊量小于3 mm的，選用直徑為3 mm的焊絲，補焊量大于3 mm的，選用直徑為5 mm的焊絲。送絲速度不能過快，否則會導致焊縫氣孔率與氧化物夾雜增加。

（3）在進行上層補焊時，要等下層焊縫完全冷卻，并將熔渣清理徹底，防止補焊層脫落。

2.2.4 應用效果

實際應用表明，使用埋弧自動焊補焊修復，運行3 000 h后檢查，單邊平均磨損量0.8～1.2 mm，6 000 h后單邊平均磨損量2.4～3.1 mm，磨蝕破壞面相對均勻，葉輪口緣及密封環修復部位可滿足1～2個灌季運行。

2.3 自熔合金粉末噴焊修復技術

2.3.1 修復原理

使用噴粉設備對工件抗磨蝕部位噴射Ni67自熔合金粉末，氧化反應物集中在葉輪及密封環配合表面，再使用氧-乙炔火焰重熔槍加熱重熔噴涂層，形成致密、光滑、耐腐蝕和高硬度的噴焊涂層，涂層覆蓋在葉輪口緣、密封環內孔的配合面，起到抗磨蝕防護作用。噴焊涂層是層狀結構，與工件基體的結合屬機械結合、金屬鍵力結合、微擴散結合及微焊接結合，噴粉及重熔過程中基體是不熔化的，未發生相變或再結晶。

2.3.2 工藝流程

（1）有機溶劑對修復部位去油清潔。

（2）對修復部位表面粗化處理，使用噴砂或機加工方法均可。

（3）對修復部位或部件整體進行預熱。

（4）對修復部位進行噴粉、重熔2項關鍵步驟。

（5）對修復部位或部件整體進行保溫、緩慢冷卻。

（6）對葉輪口緣或密封環內孔噴焊層車削加工至標準尺寸。

（7）檢驗。

2.3.3 工藝要點

（1）噴焊層的質量不取決于復雜的試驗，而是取決于工藝流程的每一步簡單而嚴格的控制。

（2）噴焊范圍要合理，葉輪口緣或密封環互相靠近方向的2個縱向端面及圓周方向的配合面均要各預留2 mm的預留變形量，對工作面的相鄰部位整體噴焊，形成整體的銜接面，可有效防止涂層脫落。

（3）若葉輪、密封環配合面局部有缺陷，可先用電焊補焊、打磨光滑，對裂紋位置打好止裂孔并清理干凈裂紋處，再打磨平整缺陷部位。

（4）粗化后的葉輪或密封環應在2 h內進行噴粉。

（5）噴焊粉末材料的選擇，應盡量與母材材料匹配，對成分、粒度及分布，粉末的幾何尺寸，烘干溫度都須嚴格控制，防止增加裂紋傾向。

（6）葉輪、密封環噴焊前需預熱250～350℃。預熱的主要目的是去除工件表面濕氣，并產生一定的熱膨脹，減少溫差，從而減少熱應力，有利于提高噴焊層的結合強度、噴焊層質量。預熱要求均勻，內圓表面噴焊層冷卻有脫離工件的趨勢，若預熱溫度過高，冷卻時收縮應力大，會導致噴焊層脫落或引起較大變形。

（7）重熔時須對加熱溫度嚴格控制，溫度過高會造成噴焊層淌流，溫度過低則造成噴焊層熔化不充分而出現生粉，產生裂紋或分層問題。

（8）噴焊結束后，采用石棉布大面積包裹，緩慢冷卻以降低應力。

2.3.4 應用效果

試驗數據表明，自熔合金粉末噴焊修復葉輪口緣及密封環配合面，形成的噴焊層表面硬度達到HRC60，具有良好的耐磨、耐蝕及抗氧化性，葉輪口緣及密封環使用壽命延長2～3倍，大大縮短了部件的大修周期。

3 經濟效益分析

固海揚水工程泵站各型號水泵葉輪及密封環配合面通過上述3項技術維修，平均每年可節約配件購置費120萬元以上。這些維修技術的應用，保證了固海揚水工程水泵在運行中技術指標達到設計標準，泵站實現高效低耗運行。各項技術的修復經濟效益見表1—表6。

表1 鋼板焊接或鑄鋼葉輪口緣鑲鋼圈修復經濟效益表

表2 鋼板焊接或鑄鋼葉輪口緣埋弧自動焊補焊修復經濟效益表

表6 鑄鋼密封環自熔合金粉末噴焊修復經濟效益表

表3 鋼板焊接或鑄鋼葉輪口緣自熔合金粉末噴焊修復經濟效益表

表4 鑄鋼密封環鑲鋼圈修復經濟效益表

表5 鑄鋼密封環埋弧自動焊補焊修復經濟效益表

4 結束語

葉輪與密封環配合間隙是影響水泵運行效率的最主要因素之一，采取有效措施，控制其間隙是減小泄漏損失，提高水泵效率和泵站裝置效率的重要途徑。針對寧夏固海揚水工程泵站主水泵運行存在的實際問題，考慮泵站運行特點，不同揚程、型號水泵葉輪與密封環配合面磨損汽蝕情況和大修周期，各種維修技術的經濟性等綜合因素，對不同類型、不同泵站的水泵、密封環配合面選取鑲鋼圈修復、埋弧自動焊補焊修復、自熔合金粉末噴焊修復技術，將顯著延長葉輪、密封環使用壽命，提高水泵效率，降低維修費用，且修復工藝簡便易操作。