磨蚀防护技术在水力机械的应用研究

李贵勋，张 雷，郑 军，杨 勇，郭维克

（黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003）

磨蚀防护技术在水力机械的应用研究

李贵勋，张 雷，郑 军，杨 勇，郭维克

（黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003）

多泥沙河流上水力机械遭受磨蚀破坏，通过采用聚氨酯复合树脂砂浆技术、改性聚氨酯涂层技术及钢塑复合聚氨酯技术，起到了较好的防护效果，有效地提高了水力机械过流部件的耐磨性能，延长了其维修周期，降低了维护成本，具有较大的应用价值。

水力机械；磨蚀；过流部件；聚氨酯；钢塑复合

1 前言

中国的河流含沙较多，磨蚀问题对水轮机的使用寿命和工作效率造成极大的影响[1]。水轮机的转轮、固定导叶、活动导叶、座环、蜗壳等过流部件往往因磨蚀造成表面大面积侵蚀破坏，导致出现鱼鳞坑、针孔、麻点、波纹、海绵状或蜂窝状等破坏形式。过流部件表面发生磨蚀破坏后，其机械效率、容积效率、水能效率下降，水力损失增大，振动加剧，同时检修频率增加，停机时间延长，对发电设备可靠性和安全性造成影响，严重时威胁电站安全可靠运行。目前，我国已运行的一百多座大中型水电站中，38%的机组因严重磨蚀导致机组效率下降，检修频繁，费用增加，使用寿命缩短，每年因磨蚀造成的能源浪费和材料损失都十分惊人[2,3]。据估计，在已运行的水电站中，约有1/5~1/4的水轮机叶片遭受不同程度的泥沙危害，每年因水轮机过流部件磨蚀破坏而停运或检修引起的电能损失约20~30亿kWh，年消耗检修费及设备更新费数以亿计[4]。多数水电站汛期被迫“弃水保机”，以减少汛期水电站的磨损，造成极大的经济损失和资源浪费[5]。

本文介绍了聚氨酯复合树脂砂浆技术、改性聚氨酯涂层技术及钢塑复合聚氨酯产品的应用研究，通过在万家寨水电站、象鼻岭水电站、小浪底泄洪排沙工作闸门、青铜峡水电站的推广和应用，对解决水力机械过流部件磨蚀问题起到了巨大的作用，大大延长了机组运行寿命，降低了维修成本，提高了发电效益。

2 磨蚀防护技术及产品

2.1 聚氨酯复合树脂砂浆技术

多泥沙河流上水轮机过流部件遭受不同程度的磨蚀破坏，如转轮叶片磨蚀后，正面和背面会出现大量的汽蚀坑和鱼鳞坑，尤其是下部靠出水边严重磨蚀。水轮机活动导叶磨蚀也较为严重，密封面的磨损会加剧密封处汽蚀，形成恶性循环，最终导致机组停机时间延长，严重时出现振动，威胁设备的安全运行。

聚氨酯复合树脂砂浆由高抗磨蚀聚氨酯弹性体材料、弹性环氧树脂、固化剂、硬金属粉、棕刚玉、耐水剂等组成，该涂层综合性能优，具体参数如表1所示。涂层厚度一般为2~6mm，设计寿命10年以上。通过采用聚氨酯复合树脂砂浆技术对水轮机过流部件进行磨蚀防护，不仅其抗磨性能显著提高，而且还克服了环氧金刚砂涂层在水机应用中抗汽蚀性能差的缺点，该技术适用于水轮机蜗壳、座环、导叶、转轮叶片正面等部位的磨蚀防护。

目前，该技术已在三门峡、青铜峡、葛洲坝、刘家峡、碧口、新疆乌鲁瓦提、玛纳斯、万家寨等水电站进行了应用，取得了较好的磨蚀防护效果，如图1、图2所示。

图1 水轮机转轮叶片磨蚀防护后效果

图2 水轮机活动导叶磨蚀防护后效果

2.2 改性聚氨酯涂层技术

2.2.1 浇注聚氨酯弹性体涂层

水轮机转轮叶片背面为强汽蚀区域，目前多采用耐磨焊条补焊、超音速喷涂的方法进行磨蚀防护或修复。叶片反复经过补焊后，金属材质内部结构发生改变，其强度变差，耐磨性能恶化；超音喷涂技术形成的涂层具有较高的粘接强度，耐磨损性能优异，但其材质较脆，抗汽蚀性能相对较差，在叶片背面强汽蚀区容易被剥离。

聚氨酯被公认为目前抗汽蚀性能最好的材料，涂层抗汽蚀性能是不锈钢的十倍以上[6,7]。该涂层浇注成型，通过强力粘接剂和机械连接方式，与防护面结合力大大增强（附着力达到40MPa），不易发生剥离和撕裂现象，涂层性能指标如表2所示。涂层厚度一般2~5mm，设计寿命10年以上。该技术适用于水机磨蚀破坏的强汽蚀区，如水轮机和水泵转轮叶片背面、水轮机转轮活动止漏环等部位。

目前，该技术已在万家寨水电站、固海扬黄泵站进行了应用，如图3、图4所示。

图3 水轮机转轮叶片背面磨蚀防护

图4 水轮机转轮活动止漏环磨蚀防护

2.2.2 高弹性聚氨酯漆

水工闸门、水轮机导叶、蜗壳长期遭受高速含沙水流冲蚀，易发生磨蚀破坏。采用高弹性聚氨酯漆进行防护，工艺简单，质量可控，磨蚀防护效果较好。

高弹性聚氨酯漆通过喷涂成型，主要基料为高抗磨蚀聚氨酯，分底漆和面漆，底漆为防锈涂料，面漆为不锈钢鳞片阻水材料。与普通防腐油漆相比，该耐磨漆具有高抗磨性和高防腐性双重功能，涂层漆膜附着力一级以上，高弹性，抗冲击能力强；漆膜耐磨蚀能力强，抗汽蚀能力是普通重防腐漆的20倍以上；抗老化能力强，水中浸泡20年，其性能下降不超过10%。该技术适用于水工闸门、水轮机蜗壳、导叶等部位的磨蚀防护。

目前，该技术已在小浪底水电站、乌鲁瓦提水电站进行了应用，如图5、图6所示。

图5 水工闸门磨蚀防护

图6 水轮机蜗壳磨蚀防护

2.3 钢塑复合聚氨酯产品

2.3.1 钢塑复合聚氨酯导叶密封板

水电站活动导叶立面多采用刚性密封，多年运行后密封面发生磨损，磨损会进一步加剧密封处的汽蚀，形成恶性循环，致使导叶立面密封磨蚀严重。一方面，磨蚀造成导叶漏水量加大，导致机组停机时间延长；另一方面，当导叶漏水较大时，机组有潜动现象，严重威胁机组推力轴承等设备的安全，也直接影响机组的发电效率。

钢塑复合聚氨酯导叶密封板为矩形板状结构，中间凸起，导叶小头的刚性密封面与大头的弹性密封面刚柔结合，具有一定的互补作用，可有效抑制漏水。既解决了密封装置的磨损问题，又使导叶密封性大大提高，改善了正常停机时因导叶漏水而导致的机组“潜动”现象，大大提高了机组的发电效率。设计寿命10年以上，具体参数见表3所示。

表3 聚氨酯密封板性能指标表

目前，该产品已在碧口、青铜峡、万家寨等水电站推广应用，效果如图7所示。

图7 水轮机活动导叶磨蚀情况及磨蚀防护效果

2.3.2 钢塑复合聚氨酯抗磨板

水轮机底环抗磨板和顶盖抗磨板一般由不锈钢制造，在多泥沙河流使用环境下导致其磨蚀非常严重。水电站采用尼龙、超高分子量聚乙烯作为抗磨板材料，抗磨能力有一定提高，但由于其耐水性较差，易变形，进而导致止漏环磨蚀严重，影响水电站发电效益。

通过引进美国四氢呋喃聚醚原料，加以改性使其耐水性和耐候性大大增强，采用钢塑复合技术加工成钢塑复合聚氨酯抗磨板。其具有长期使用不变形、抗磨蚀效果良好的优点，与导叶密封板配合使用，机组止水密封效果优异。抗磨尺寸根据机组尺寸进行专业订制，设计寿命20年以上。目前，该产品已在刘家峡、青铜峡等水电站进行应用，安装效果图如图8所示。

图8 水轮机座环安装钢塑复合聚氨酯抗磨板

3 结论

在多泥沙河流，水力机械磨蚀破坏已成为亟待解决的一大难题，针对不同过流部件、不同的使用环境，有区别的采用聚氨酯复合树脂砂浆技术、改性聚氨酯涂层技术及钢塑复合聚氨酯产品对水力机械进行防护，如水轮机导叶、座环采用高弹性聚氨酯漆或者复合树脂砂浆涂层，导叶密封采用钢塑复合聚氨酯导叶密封板、抗磨板，水轮机转轮叶片正面采用复合树脂砂浆涂层，背面采用聚氨酯弹性体涂层等。通过室内和现场试验表明，以上磨蚀防护技术和产品起到了较好的防护效果，有效地提高了水力机械过流部件的耐磨性能，延长了机组使用寿命，具有较大的应用价值。

[1]郑 凯，朱海峰，常 龙，等.表面涂层技术在水轮机抗磨蚀中的应用及发展[J].水电与抽水蓄能，2015，06:56-60.

[2]石永伟.三门峡水电厂水轮机泥沙磨蚀及其防护的研究[D].南京：河海大学，2006.

[3]薛 伟，陈昭运.水轮机空蚀和磨蚀理论研究[J].大电机技术，1999，06：44-48.

[4]李志红，梁 兴.水力机械抗磨蚀涂层关键技术的研究[J].中国农村水利水电，2012，04:113-114，117.

[5]张 阁，周香林，张济山，等.水轮机过流部件用高耐磨耐蚀涂层制备技术[J].表面技术，2004，01:4-7，10.

[6]UnalS，LongETimothyL，WilkesG，etal.Branched polyesters:recentadvancesinsynthesisandperformance[J]. ProgressinPolymerScience，2005，30(5):507-539.

[7]CiobanuC，HanXZ，CascavalCN，etal.Influenceof urethanegrouponpropertiesofcrosslinkedpolyurethane elastomers[J].JournalofAppliedPolymerScience.2003，87 (11):858-1867.

TK730

B

1672-5387（2017）05-0021-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.005

2016-05-13

黄河水利科学研究院科技发展基金项目（黄科发201603）。

李贵勋（1984-），博士，工程师，从事水力机械和水工建筑物磨蚀防护研究。