聚氨酯涂层在水轮机磨蚀防护中的应用

三门峡黄河明珠（集团）有限公司 张武斌

华北水利水电学院电力学院 任 岩

1.引言

多泥沙河流水电站的水轮机，都不同程度地受到泥沙磨蚀的危害。为了增强机组的抗磨蚀能力，许多电站经过多年的探索，在水轮机过流部件的表面防护方面，进行了大量的试验研究[1-3]。对原型水轮机进行现场试验，采用了各种材料进行表面防护，其中，聚氨酯是一种高强度的弹性非金属材料，具有耐磨、耐水、强度高、弹性大等特点，同时，具有良好的弹性和韧性[4]，可以吸收泥沙颗粒的冲击，抗磨效果好，但是，在与水轮机的粘结方面也有一定的技术难度[5]。因此，本文对聚氨酯在水轮机的抗磨蚀方面进行了详细的分析，并得出结论，对聚氨酯在水轮机磨蚀防护中的应用起到了技术指导和参考作用。

2.聚氨酯对水轮机的抗磨蚀效果

2.1 聚氨酯材料施工工艺

聚氨酯材料是一种强度较高的弹性高分子有机材料，试验室试验有接近不锈钢的抗空蚀指标，抗磨蚀性能为普通铸铁的22～24倍。该种材料施工工艺技术要求较高，需要专门的施工队伍；而且原材料和粘合剂在工厂生产时，要求对质量指标严格控制，使材料的化学、力学指标尽量接近实验室生产的质量；同时，在施工过程中，由于其粘度、流动性等不稳定因素，给施工造成了困难。同时，需有专门的设备，工艺较复杂，施工需作专用的模具。其施工流程如图1。

2.2 浇注型聚氨酯在水轮机上的抗磨蚀效果

J2浇注型聚氨酯对于水轮机的抗磨蚀效果：J2—聚氨酯在陕西绥德县水电站进行了试用，在平均含沙量48.28kg/m3，最大含沙量841kg/m3，最小含沙量0.48kg/m3情况下，运行5170h后，以SE822和SE821为粘合剂的涂层叶片上的保护层全部完好。机组继续运行到12313h，历时三年半、四个汛期，以SE821为粘合剂的涂层，叶片正面脱落2.72%、背面脱落28%。而以SE822为粘合剂的涂层，叶片正面涂层基本完好、背面脱落仅0.2%。如表1所示为几种聚氨酯涂层对不同水电站水轮机的抗磨蚀效果比较。

2.2.1 聚氨酯涂层在大型轴流式水轮机上的防护效果

在青铜峡的应用：在顶盖、底环、抗磨板、导叶密封处磨蚀严重；采用聚氨酯材料中间带钢骨架的抗磨板，抗磨效果很好，这种抗磨板具有良好的弹性和韧性，可以吸收泥沙颗粒的冲击，减少磨损；采用整体浇注的密封条很好解决了导水叶立面间隙的磨蚀问题，用这种材料做成的V型密封用在导水叶立面，实现了立面无间隙，避免了导叶立面密封面的空蚀与磨损。

表1 几种聚氨酯涂层对水轮机的抗磨蚀效果

表2 不同涂层的耐磨性能—磨蚀强度（10-3cm3/h）

图1 聚氨酯材料施工工艺流程图

图2 聚氨酯在叶片背面外缘区脱落

图3 聚氨酯在叶片背面头部三角区脱落

图4 叶片正面涂层的脱落

图5 导叶上的聚氨酯涂层

图6 泄水锥上的聚氨酯涂层

三门峡1#机新转轮应用聚氨酯涂层情况：

三门峡电站1#机于2000年12月改造完成，使用由德国VOITH公司设计、上海希科公司制造的ZZK-7型新转轮，为防止泥沙磨蚀，对水轮机的过流部件进行了表面防护。在大部分的叶片、中环等关键部位实行WC高速火焰喷涂之外，在水轮机导水叶、转轮体上围板圆柱表面、泄水锥表面等处涂聚氨酯材料进行保护。

此外，部分转轮叶片在硬涂层的基础上又增加了聚氨酯涂层，例如6#叶片正背面，3#叶片正面外缘400mm宽范围。机组重新投运后的2001年汛前，机组运行800h，软涂层已经出现较严重损伤与脱落，导水叶上7#、8#导水叶涂层脱落严重，其余出现局部撕裂。3#、6#叶片的软涂层在叶片头部、外缘严重脱落。（见图2-图6）。

汛前，对撕裂的软涂层进行了清除，汛后检查发现，软涂层的脱落进一步加剧，导水叶上的软涂层，除两个导叶基本完好外，其余导叶均出现大面积脱落，以头部最为严重，已经露出母材。6#叶片背面300mm范围内的软涂层几乎全部脱落，正面头部300×1000mm2范围基本全部脱落。泄水锥软涂层部分脱落。

汛期后，对脱落的软涂层进行了修复，重新涂聚氨酯，但到2002年汛期后检查时，叶片上的软涂层又严重脱落，导水叶上的软涂层除进水边外其它部位基本完好。从三门峡1#机的情况看，聚氨酯涂层在导叶上的防护有较好的效果，在叶片上的防护时间较短暂。但是，作为叶片硬涂层的局部修复有一定的防护效果。

2.2.2 聚氨酯在混流式水轮机上的使用效果

万家寨水轮机的聚氨酯涂层防护效果：万家寨电站的水轮机为混流式，为了防止水轮机过流部件可能发生的空蚀和磨损，在部分水轮机的导水叶、叶片上涂以聚氨酯为底层、加入TiNi高硬颗粒的“耐尔久”软涂层，有的机组叶片上使用了碳化硅环氧复合涂层，1#机导水叶的软涂层运行41天后开始脱落，4#机经过72h试运行转轮上的软涂层几乎全部脱落，6#机经72h试运行后，固定导叶和尾水管I段的软涂层大部分脱落，总体看，“耐尔久”聚氨酯涂层在万家寨的应用是不成功的。

小浪底水轮机的聚氨酯防护效果：小浪底电站在水轮机固定导叶、尾水管锥管实行聚氨酯涂层防护，从6#机的运行情况看，涂层运行1330h内涂层完好；运行8075h后，各机组软涂层的情况差异较大，1#、2#机涂层完好，3#机尾水管锥管进口处产生局部层间剥落，4#机最严重，占涂层面积的13.7%，5#、6#机涂层脱落较少。总体情况看。小浪底电站使用聚氨酯涂层在固定导叶上的防护效果是较明显的。

2.3 聚氨酯涂层脱落或撕裂的原因分析

（1）硬物割伤：材料的硬度低，易于被尖锐硬物割伤，汛期水流夹带大的尖锐石块、树根等异物以较高的速度撞击导叶的进水边（头部），使软涂层被割伤，一旦出现破口，相邻涂层将很容易被撕裂。这可能是在导水叶头部的涂层普遍存在脱落、撕裂现象的原因所在。

（2）与母材粘接强度不够：因此在强空化区，在脉动的负压的长期作用下，底层产生剥离，造成涂层脱落。这是叶片背面空化区涂层脱落的重要原因。

（3）空化击穿：空泡溃灭时产生上千大气压的微射流，反复作用于涂层表面，当涂层厚度不足时，冲击力将击穿弹性涂层，到达金属表面，破坏粘接层，引起软涂层脱落。根据谢笃祜的研究，抗空蚀击穿的安全厚度为3mm。

（4）粘接层的老化（疲劳破坏）：万家寨经验表明，使用初期的涂层脱落很少，2000h内基本不脱落，但随着时间的推移，脱落强度相应加大。

3.结论

（1）聚氨酯涂层在实验室条件下表现出良好的抗磨蚀性能

在实验室中，试验条件为转盘磨蚀台，圆周线速45m/s的条件下，不同涂层的耐磨性能（即磨蚀强度）的分析比较如表2所示，由此可以得出，聚氨酯涂层在实验室条件下表现出良好的抗磨蚀性能。

（2）在小型机组叶片上有较好的防护效果

聚氨酯材料在小型机组的叶片磨蚀防护上有良好的表现。在陕西绥德电站（机组为ZD661-LH-120，容量800kW）、四川永安的脱落率都较低，甚至运行上万小时后仍大部完好。特别是以SE821、SE822为粘接剂的浇注型聚氨酯性能良好。

（3）在大型机组固定过流部件上有较好的防护效果

三门峡、青铜峡、小浪底、万家寨等大中型电站都用聚氨酯材料作为导水叶、座环支柱、转轮体等固定过流部件的磨蚀防护，除了进水边因硬物撞击、割伤等造成撕裂、脱落外，其他区域涂层一般完好。

（4）粘接剂是关键之一

全国水力机械抗泥沙磨蚀试验总站根据1979～1985年6年间在陕西绥德电站的实验经验得出结论：聚氨酯橡胶作为水轮机抗磨蚀保护材料成败的关键是涂层与水轮机基材的粘合强度和耐水性，山西省水科所研究的SE821SE822及改进的SE861粘合剂具有较好的性能，因此，应用这种粘合剂的聚氨酯涂层保护时间较长，不易脱落。

（5）安全厚度须保证

聚氨酯涂层必须具有一定的厚度才能抵抗由硬物撞击或空化气泡溃灭所产生的冲击压力，使冲击力不能达到粘接层。一旦粘接层被破坏，涂层就会脱落。根据谢笃祜的研究，在水头不高、空化强度不大情况下，抗空蚀击穿的安全厚度为3mm，如果水头较高，空蚀强度较大，则安全厚度须大于3mm。

（6）强空化和尖锐硬物割伤是涂层脱落的主因

三门峡等电站在导水叶等固定部件上使用聚氨酯涂层，在进水边头部经常发生撕裂脱落，与汛期水流中含有石块、树根等尖锐、坚硬物体有关，聚氨酯的抗磨性能虽然较好，但机械强度较差，易于被划伤，一旦局部被划伤，相邻区域就会被撕裂。强空化区空化击穿，使粘接层被破坏，造成涂层脱落。

[1]任岩,李兴易,张小宝.高速氧燃喷涂碳化钨在水轮机磨蚀防护中的应用[J].水力发电,2009(8):61-63.

[2]任岩,鲁改凤,王龙等.黄河上水电站水轮机磨蚀状态检修的研究[J].水力发电,2010(4):57-59.

[3]任岩,王瑞莲,陈德新等.黄河水流对轴流式水轮机磨蚀及其防护研究[J].黄河水利职业技术学院学报,2007(1):13-15.

[4]陈静.水轮机转轮软抗磨技术应用[J].新疆电力技术,2008(1):62-63.

[5]黄犀砚,陈前淮,武彬.三门峡水电站1号水轮机抗磨蚀软涂层的应用[C].水轮机抗磨蚀技术研讨会论文集,2006:213-218.