山西某泵站泵體涂層材料磨損性能試驗(yàn)研究

武建有，穆恩良，李 進(jìn)

（1.山西禹門口引黃水務(wù)集團(tuán)有限公司，山西 侯馬 041000；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)用于農(nóng)村排灌的泵站有502 165處，裝機(jī)容量達(dá)4 304.3 萬(wàn)kW。“十四五”期間，我國(guó)將加快推進(jìn)大中型灌區(qū)的現(xiàn)代化改造，更新改造大中型水泵超過(guò)5 萬(wàn)臺(tái)。我國(guó)是一個(gè)多泥沙河流的國(guó)家，以黃河流域?yàn)槔鶕?jù)黃河主要水文站在龍劉兩庫(kù)聯(lián)調(diào)后（1987～2016）年實(shí)測(cè)含沙量資料統(tǒng)計(jì)分析，近30 年平均含沙量為2.37 kg/m3，近20 年（1997～2016）平均含沙量為1.83 kg/m3，入庫(kù)黃河水?dāng)y帶泥沙采用近20 年實(shí)測(cè)系列分析結(jié)構(gòu)，渠道供水期評(píng)價(jià)含沙量2.2 kg/m3。含沙量較高的高速水流可對(duì)水力機(jī)械產(chǎn)生汽蝕與磨蝕作用，易造成泵體部件的嚴(yán)重?fù)p傷。水力機(jī)械汽蝕和磨蝕破壞將導(dǎo)致水力機(jī)械效率下降、性能降低、大修周期縮短，還常誘發(fā)各種事故。不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且還嚴(yán)重影響灌區(qū)泵站的安全運(yùn)行[1]。

目前，水泵泵體的汽蝕與磨蝕損傷，工程上采用過(guò)多種修復(fù)和防護(hù)方法，如金屬補(bǔ)焊、安裝沖磨防護(hù)板、沖磨防護(hù)砂漿等方法。多年實(shí)踐表明，這些方法取得了一定的效果，但在實(shí)施中仍存在各種問(wèn)題，例如有些方法實(shí)施過(guò)程復(fù)雜、周期長(zhǎng)、費(fèi)用高昂；有些方法的抗磨蝕效果和可靠性有待提高，某些情況下沖磨層材料出現(xiàn)脫落、失效情況，導(dǎo)致實(shí)踐應(yīng)用中抗磨蝕維護(hù)周期短，防護(hù)可靠性不高、維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題。因此，針對(duì)山西灌區(qū)某典型泵站運(yùn)行特點(diǎn)、水體含沙量、維護(hù)周期等實(shí)際情況，開(kāi)展山西某泵站涂層材料磨損性能的試驗(yàn)研究[2]。

1 測(cè)試系統(tǒng)

本次磨損測(cè)試在中國(guó)水利水電科學(xué)研究院自主開(kāi)發(fā)研制的水力機(jī)械磨蝕測(cè)試系統(tǒng)（國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)2011YQ070049）的旋轉(zhuǎn)圓盤循環(huán)系統(tǒng)上開(kāi)展，該系統(tǒng)為封閉式循環(huán)系統(tǒng)，主要由穩(wěn)壓罐、轉(zhuǎn)盤室、變頻電機(jī)、水泵、冷卻系統(tǒng)及測(cè)量?jī)x表等組成，見(jiàn)圖1。

測(cè)試系統(tǒng)共有三個(gè)相互獨(dú)立的工作循環(huán)系統(tǒng)組成：

（1）旋轉(zhuǎn)圓盤磨損循環(huán)系統(tǒng)：穩(wěn)壓罐→水泵2 →轉(zhuǎn)盤室→穩(wěn)壓罐；

（2）防止泥沙淤積的大流量攪拌循環(huán)系統(tǒng)：穩(wěn)壓罐→水泵1 →穩(wěn)壓罐；

（3）冷卻循環(huán)回路系統(tǒng)：穩(wěn)壓罐→風(fēng)冷冷機(jī)→穩(wěn)壓罐。

測(cè)試時(shí)，穩(wěn)壓罐中經(jīng)大流量循環(huán)系統(tǒng)充分?jǐn)嚢韬蟮暮乘?jīng)動(dòng)力循環(huán)泵2 驅(qū)動(dòng)，從前蓋板的進(jìn)口管進(jìn)入轉(zhuǎn)盤室，當(dāng)裝有扇形試件的圓盤在變頻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)時(shí)形成了含沙水對(duì)測(cè)試試件表面的相對(duì)流動(dòng)，造成試件表面的磨損破壞，用以模擬過(guò)流部件表面的擾流。因扇形試件沿半徑方向各點(diǎn)的圓周速度不同，試件上對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的磨損量也不同，通過(guò)改變圓盤的旋轉(zhuǎn)速度（試件的相對(duì)磨損速度）、泥沙濃度、材料種類等試驗(yàn)條件，可以獲得磨損量（磨損深度ΔH）隨試驗(yàn)參數(shù)變化規(guī)律。

2 磨損試驗(yàn)參數(shù)

2.1 泥沙磨損測(cè)試參數(shù)

旋轉(zhuǎn)圓盤磨損試驗(yàn)分兩組進(jìn)行，除含沙濃度外，這兩組磨損試驗(yàn)的其他參數(shù)都相同，根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以獲得不同含沙濃度條件下不同材料的磨損性能對(duì)比。根據(jù)泵站水泵過(guò)流工況及過(guò)機(jī)泥沙，磨損測(cè)試試驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。

表1 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

2.2 泥沙參數(shù)

進(jìn)行旋轉(zhuǎn)圓盤磨損測(cè)試所采用的泥沙為山西某泵站進(jìn)水口處的黃河河流淤沙，經(jīng)50 目篩網(wǎng)篩分后的泥沙粒徑級(jí)配曲線如圖2 所示，其中D50平均中值粒徑為261 μm。進(jìn)行磨損試驗(yàn)測(cè)試的泥沙顆粒形貌見(jiàn)圖3。

圖2 沙樣的顆粒級(jí)配曲線

圖3 篩分后泥沙顆粒形貌

2.3 測(cè)試試件

測(cè)試試件為2 種涂層材料，每種材料2 種制備工藝，共計(jì)12 件。測(cè)試試件原始形貌參見(jiàn)圖4，僅以1 號(hào)-Ⅰ（1、2、3）為例。

圖4 試件材料磨損測(cè)試前的原始形貌

3 磨損試驗(yàn)方法

3.1 參數(shù)測(cè)量

（1）流量測(cè)量采用電磁流量計(jì)。

（2）轉(zhuǎn)速測(cè)量采用電機(jī)主軸部位的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置。

（3）壓力、溫度采用轉(zhuǎn)盤室部位的壓力傳感器、溫度傳感器測(cè)量。

（4）含沙濃度通過(guò)置于主循環(huán)管路上的測(cè)量裝置獲得。

（5）泥沙級(jí)配及形狀分析采用QICPIC-R06-MIXCEL 激光粒度儀。

3.2 磨損量測(cè)量

磨損量測(cè)量采用磨損深度法。將扇形試件放置在專用的具有三維坐標(biāo)的測(cè)量基座上用深度計(jì)（Mitutoyo 543-700 B 0-12.7 mm）進(jìn)行測(cè)量，分辨率為1 μm。沿扇形試件半徑方向的中線位置設(shè)定為測(cè)量線，兩端為基準(zhǔn)，中間部分為磨損段，共設(shè)13 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置示意圖見(jiàn)圖5。在試驗(yàn)前與試驗(yàn)后各測(cè)一次，兩次測(cè)量值之差即為該組次試件的磨損量。

圖5 扇形試件測(cè)點(diǎn)布置示意圖

4 旋轉(zhuǎn)圓盤磨損測(cè)試結(jié)果

測(cè)試試件磨損后形貌參見(jiàn)圖6，仍以1 號(hào)-Ⅰ（1、2、3）為例。測(cè)試試件磨損后半徑R=135 mm～195 mm 的中心線相對(duì)于基材表面的高度曲線參見(jiàn)圖7～圖10。

圖6 測(cè)試試件磨損后形貌

圖7 1 號(hào)-Ⅰ磨損后試件表面中心線相對(duì)于基材表面的高度

圖8 1 號(hào)-Ⅱ磨損后試件表面中心線相對(duì)于基材表面的高度

圖9 2 號(hào)-Ⅰ磨損后試件表面中心線相對(duì)于基材表面的高度

圖10 2 號(hào)-Ⅱ磨損后試件表面中心線相對(duì)于基材表面的高度

1 號(hào)-Ⅰ（1、2、3）和1 號(hào)-Ⅱ（1、2、3）、2 號(hào)-Ⅰ（1、2、3）和2 號(hào)-Ⅱ（1、2、3）、三個(gè)測(cè)試試件中心線測(cè)量點(diǎn)的磨損深度總量（半徑R=135 mm～195 mm）隨半徑的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖11。12 個(gè)測(cè)試試件單位濃度的磨損量見(jiàn)圖12。

圖11 試件表面中心線磨損深度總量隨半徑的變化趨勢(shì)

圖12 12 個(gè)測(cè)試試件中心線單位濃度的磨損量

相同含沙濃度同一組磨損試驗(yàn)中，所有材料試件表面中心線的磨損深度都隨測(cè)量點(diǎn)半徑（磨損相對(duì)速度）的增大而遞增；1 號(hào)-Ⅰ材料三個(gè)試件表面中心線磨損深度大于 1 號(hào)-Ⅱ材料三個(gè)試件表面中心線對(duì)應(yīng)點(diǎn)的磨損深度；2 號(hào)-Ⅰ材料三個(gè)試件表面中心線磨損深度小于2 號(hào)-Ⅱ材料三個(gè)試件表面中心線對(duì)應(yīng)點(diǎn)的磨損深度。對(duì)于同一個(gè)測(cè)點(diǎn)（磨損相對(duì)速度相同），材料試件表面中心線磨損深度存在如下關(guān)系：1 號(hào)-Ⅰ＞1 號(hào)-Ⅱ≈2 號(hào)-Ⅱ＞2號(hào)-Ⅰ，兩種涂層材料、四種養(yǎng)護(hù)條件的抗磨性能則存在相反的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即在本次測(cè)試條件和材料制備條件下兩種涂層材料、四種養(yǎng)護(hù)條件的抗泥沙磨損性能：2 號(hào)-Ⅰ＞2 號(hào)-Ⅱ≈1 號(hào)-Ⅱ＞1 號(hào)-Ⅰ。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)2 種涂層材料在2 種含沙平均濃度下進(jìn)行了磨損性能試驗(yàn)研究，確定了磨損試驗(yàn)評(píng)估方法，分別獲得了試驗(yàn)試件磨損后形貌、試驗(yàn)試件磨損后半徑R=135 mm～195 mm 的中心線相對(duì)于基材表面的高度曲線、試驗(yàn)試件中心線測(cè)量點(diǎn)的磨損深度總量（半徑R=135 mm～195 mm）隨半徑的變化趨勢(shì)以及12 個(gè)試驗(yàn)試件單位濃度的磨損量，為泵站涂層材料磨損性能試驗(yàn)提供一些參考。