大中型泵站汽蝕修補新材料研究及應(yīng)用

施 翔，莫兆祥，錢 杭，蔣 雯，莫岳平

(1.江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800；2.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司,南京 210029；3.揚州大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009)

一直以來，如何有效解決水泵過流部件汽蝕損害問題，成為泵站主管部門、管理單位、相關(guān)科研機構(gòu)以及水泵制造商重點關(guān)注和研究的對象。由于汽蝕均發(fā)生在材料表面，采用表面工程技術(shù)在基體材料表面制備涂層逐漸成為強化材料表面結(jié)構(gòu)，提高設(shè)備抗汽蝕、磨蝕及其聯(lián)合作用能力的有效途徑之一[1]。

1 概 況

江蘇省劉老澗泵站工程位于宿遷市宿豫區(qū)仰化鎮(zhèn)境內(nèi)的中運河上，是江蘇省利用世界銀行貸款加強農(nóng)業(yè)灌溉建設(shè)項目中的關(guān)鍵工程之一。工程于1995年1月開工，1996年5月建成并投入運行[2]。該站安裝3100ZLQ38/4.2型井筒分段式全調(diào)節(jié)軸流泵，配用TL2200-40/3250立式同步電動機4臺套，設(shè)計流量為150 m3/s，總裝機容量為8 800 kW，泵站設(shè)計揚程3.5 m，直接抽引上一梯級泵站送來的江水、淮水，沿中運河北調(diào)，屬于南水北調(diào)東線工程第5梯級站，淮水北調(diào)第2梯級站，具有抽水和發(fā)電雙重功能[3]。劉老澗泵站的水泵葉輪外殼汽蝕相對較為嚴重，管理單位對汽蝕部位原采用不銹鋼焊條堆焊后打磨，效果不佳，且會因鑄鐵件受熱不均勻引起整個外殼崩裂[4]。

本文以劉老澗泵站的水泵原型為研究樣本進行水泵葉輪外殼的汽蝕修補試驗，并利用泵站抽水或發(fā)電工況來實際檢測汽蝕修補材料效果。

2 修補試樣材料及應(yīng)用

2.1 修補試樣材料

采用北京天山新材料技術(shù)有限責(zé)任公司的TS216耐磨修補劑作為試樣材料。該產(chǎn)品成灰色膠泥狀，是以超硬陶瓷為骨材的雙組分聚合陶瓷復(fù)合材料，在常溫下可對水泵、螺旋槳葉片的汽蝕磨損進行修補，其耐磨性是一般鑄鐵的4～8倍，黏結(jié)強度較高，而且抗磨損、抗沖擊、抗腐蝕[4]。產(chǎn)品化學(xué)成分見表1，耐腐蝕性能(25 ℃時，綜合指數(shù)Ratings評定法)見表2。

表1 TS216耐磨修補劑化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of TS216 abrasionresistance rebuilding putty

表2 TS216耐磨修補劑耐腐蝕性能Tab.2 Corrosion resistance of TS216 abrasionresistance rebuilding putty

2.2 應(yīng)用情況

3 修補試樣材料改性試驗及分析

TS216耐磨修補劑為通用的修復(fù)配方，未針對大中型泵站的實際情況進行設(shè)計配比調(diào)整，且未經(jīng)過具體的疲勞、老化和抗汽蝕試驗。因此，特對TS216耐磨修補劑中固化劑、增韌劑和骨材比例進行改性試驗分析，配置適合大中型泵站的抗汽蝕修補材料。

3.1 試驗方法

中性鹽霧試驗按照GB/T 10125-2012《人造氣氛腐蝕試驗—鹽霧試驗》進行，試驗設(shè)備為東莞興寶有限公司60鹽霧試驗機，NaCl溶液濃度為5%(質(zhì)量分數(shù))，pH值為6.5～7.2，試驗箱工作室溫度為35±2 ℃，鹽霧沉降量為l～2 mL/(80 cm2·h)，噴霧方式為連續(xù)噴霧，時間為30 d。把制備好的剪切試樣，室溫固化3 d后，放到鹽霧試驗箱中，30 d后取出測試剪切強度變化。

涂層與基體剪切強度測試按照GB/T 7124-2008《膠黏劑拉伸剪切強度的測定》在INSTRON拉力試驗機上測定，測試速度為5 mm/min，數(shù)據(jù)取4個試樣的均值。

沖蝕磨損試驗設(shè)備為自制的噴射式氣固沖蝕磨損試驗裝置，見圖1。沖蝕氣體為空氣，氣源壓力固定為0.6 MPa，磨料為60目的多尖角不規(guī)則石英砂。試樣沖蝕前后用PL2002電子天平稱量，精度0.01 g。測試膠塊在被噴射5min后損失重量，數(shù)據(jù)取4個試樣的均值。

圖1 沖蝕磨損試驗裝置Fig.1 The experiment device of erosion

3.2 試驗結(jié)果與分析

3.2.1 固化劑比選

環(huán)氧樹脂采用E-51環(huán)氧樹脂。分別用聚酰胺650、T-31、105縮胺以及自制改性胺固化劑，對膠黏劑性能的影響作了對比試驗，試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同固化劑對性能影響Tab.3 Effect of different curing agents on performance

從表3數(shù)據(jù)看出，采用自制改性胺固化劑，室溫固化3 d，室溫和鹽霧老化30 d均有很高強度。

3.2.2 增韌劑比選

分別采用CTBN改性環(huán)氧樹脂增韌劑、聚氨酯改性環(huán)氧增韌劑、納米橡膠改性環(huán)氧增韌劑配制膠黏劑與自制改性胺固化劑配合進行性能對比，試驗數(shù)據(jù)見表4。

僅僅通過理論和方法的傳輸是不夠的，還要借助榜樣力量的激勵作用，通過優(yōu)秀學(xué)長的言傳身教，樹立榜樣的示范力量，加強研究生自我激勵、自我學(xué)習(xí)、自我成長的培養(yǎng)。與此同時，建立反饋評價體系，組織新生對每次教育內(nèi)容、教育方式與效果進行評價，及時根據(jù)評價結(jié)果對入學(xué)教育進行修正和完善，提高教育的規(guī)范化程度和科學(xué)化水平，也使得新生對于入學(xué)教育不再單單是被動的接受，而轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥膮⑴c，真正發(fā)揮研究生的主觀能動性，使其真正成為新生教育的“主人”，實現(xiàn)教育開展的有效性[10]。

從表4數(shù)據(jù)可看出，采用納米橡膠改性環(huán)氧樹脂增韌劑，室溫固化3 d和鹽霧老化30 d后的剪切強都是最高。

3.2.3 陶瓷粉含量比選

采用納米橡膠改性環(huán)氧增韌劑和自制改性胺環(huán)氧固化劑，分別添加20%、25%、30%、35%、40%、45%的骨材陶瓷粉進行耐沖蝕磨損性能對比，試驗數(shù)據(jù)見表5。

表4 不同增韌劑的性能對比Tab.4 Comparison of properties of different toughening agents

表5 添加不同含量的陶瓷粉對沖蝕磨損性能影響Tab.5 Effect of adding different content of ceramicpowder to offset erosion

由表5數(shù)據(jù)可看出，當陶瓷粉含量小于35%時，涂層的耐磨性隨骨料陶瓷粉的加入量的增加而提高；當骨料含量大于35﹪時，涂層耐磨性隨骨料陶瓷粉加入量的增加而降低。

4 修補改性材料汽蝕性能實驗與分析

4.1 修補改性材料準備

本次汽蝕實驗采用E-51環(huán)氧樹脂，添加納米橡膠改性環(huán)氧做為增韌劑，固化劑采用自制改性胺固化劑，骨料采用粒徑分別為0.5、0.1、1.0 mm的陶瓷填料，分別用1號、2號、3號進行區(qū)別。實驗時準備4個同樣的鋼材料，將其打磨成扁圓柱型，將1號、2號、3號抗汽蝕材料涂到其中3個樣品上，剩余一個鋼材料作為基材進行實驗對比。圖2為涂有抗汽蝕材料的試驗樣品。將涂好抗汽蝕材料的樣品自然冷固15 h。

圖2 涂有抗汽蝕材料的試驗樣品Fig.2 The experiment samples coated with anti-cavitation material

4.2 試驗過程

抗汽蝕材料汽蝕性能試驗采用南京先歐儀器制造公司生產(chǎn)的SLQS-2500型汽蝕試驗機，通過大功率超聲波作用于樣品，模擬樣品與液體接觸面的汽蝕現(xiàn)象，進而可對材料的抗汽蝕性進行分析，從而研究給定材料固有的抗汽蝕性能和汽蝕過程，或在不同試驗條件下研究測試變量對材料產(chǎn)生損傷的影響。

SLQS-2500型智能溫控超聲波汽蝕試驗機工作原理：通過大功率超聲波在液體中產(chǎn)生的空化作用，高速度模擬材料的汽蝕狀況。在規(guī)定的頻率和溫度下，超聲波的振幅越大，材料汽蝕的速度也就越快。

本次試驗中超聲波發(fā)生器的最大功率為1 200 W，頻率20 kHz，試驗水溫設(shè)定為23 ℃。圖3為汽蝕試驗系統(tǒng)。水溫恒定后，將樣品放在白色的模具中，然后將模具放入燒杯中，最后整體放入恒溫水槽里，同時振幅棒對準樣品。

圖3 汽蝕試驗裝置Fig.3 The experiment device for cavitation

第1次試驗，每一個樣品進行了10 min試驗，然后烘干稱重，看其質(zhì)量與原來相比是否變化。超聲波發(fā)生設(shè)定為：連續(xù)工作2 s，間隔0.5 s。在其他條件不變的情況下改變振幅棒到樣品之間的距離，再試驗和測量。每個樣品共進行3次試驗。表6為10 min試驗數(shù)據(jù)。

表6 10 min試驗數(shù)據(jù)Tab.6 The experimental data of 10 minutes

通過10 min汽蝕試驗可以看出3種試驗樣品材料表面都存在針孔狀的小汽蝕破壞，但由于受試驗條件限制，細微的質(zhì)量變化無法用試驗現(xiàn)場電子天平測出。

由于汽蝕效果不明顯，進行1 h的第2次汽蝕試驗，并將試驗超聲波連續(xù)發(fā)生工作時間設(shè)置為5 s，間隔仍然為0.5 s。表7為1 h試驗數(shù)據(jù)。

表7 1 h試驗數(shù)據(jù)Tab.7 The experimental data of 1 hour

通過1 h汽蝕試驗，由于樣品損失質(zhì)量變化微小，還是無法用試驗現(xiàn)場電子天平測出。通過肉眼可以看出，試驗樣品材料表面有明顯的汽蝕空洞，但空洞不大，而且較淺。1號和2號樣品較3號樣品汽蝕空洞多，深度較深。如圖4為1 h汽蝕試驗樣品。

圖4 1 h汽蝕試驗樣品Fig.4 The cavitation experimental samples of 1 hour

由于汽蝕效果仍不明顯，進行5 h的第3次汽蝕試驗，此次試驗仍采用與第2次1 h試驗一樣的試驗條件。表8為5 h實驗數(shù)據(jù)。

表8 5 h試驗數(shù)據(jù)Tab.8 The experimental data of 5 hours

通過5 h汽蝕試驗，由于樣品損失質(zhì)量變化微小，還是無法用試驗現(xiàn)場電子天平測出。通過肉眼可以看出，1號樣品和2號樣品表面汽蝕呈蜂窩狀，而且汽蝕有一定深度。但3號樣品表面汽蝕仍然呈點狀，而且數(shù)量不多，深度較淺。由此可見，3號樣品的抗汽蝕性能最好。圖5為5 h汽蝕試驗樣品。

圖5 5 h汽蝕試驗樣品Fig.5 The cavitation experimental samples of 5 hours

4.3 試驗結(jié)果分析

試驗對3種改性的抗汽蝕材料分別在10 min、1 h和5 h條件下進行了汽蝕試驗。從汽蝕試驗結(jié)果看，3種抗汽蝕材料樣品在進行5 h的第3次汽蝕試驗后，表面都有明顯的汽蝕損壞，但汽蝕程度不同。從此次實驗結(jié)果看出，3號抗汽蝕材料對基材保護效果最好，1號抗汽蝕材料次之，2號抗汽蝕材料最差。雖然因?qū)嶒炃昂髽悠返馁|(zhì)量變化微小，無法用試驗現(xiàn)場電子天平測出，但也初步反映了這些涂料的抗汽蝕性能。

5 修補改性材料應(yīng)用

對劉老澗泵站1號機組水泵葉輪外殼汽蝕部位用3號抗汽蝕材料進行修補。1號機組經(jīng)過18個月運行，共運行7 200 h(抽水工況下運行4 320 h，發(fā)電工況下運行2 880 h)， 3號抗汽蝕材料對葉輪外殼起到了很好的保護,抗汽蝕材料絕大部分完好，沒有出現(xiàn)脫落和銹蝕現(xiàn)象，見圖6。

圖6 1號水泵葉輪外殼應(yīng)用情況Fig.6 Application of impeller shell for no.1 water pump

6 結(jié) 論

通過對TS216耐磨修補劑改進工藝配方，研制了一種針對性更強的大中型水泵汽蝕修補新材料，可以有效提高耐磨涂層與基材的結(jié)合強度，并且保持材表面良好的耐磨性與抗汽蝕性能，相對傳統(tǒng)的汽蝕修補技術(shù)和進口的修補材料，可以有效地解決水泵汽蝕破壞的難題，延長設(shè)備使用壽命，提高水泵的工作效率，降低設(shè)備更換成本，滿足生產(chǎn)實際的需求。同時與傳統(tǒng)的汽蝕修補技術(shù)相比，修補新材料具有施工工藝簡單、便捷，涂層強度高、效果好，施工操作簡便以及投資少等特點，具有良好的應(yīng)用推廣前景。

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[1] 李志紅,梁 興.水力機械抗磨蝕涂層關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2012,(4):113-114.

[2] 問澤杭,莫兆祥.變頻技術(shù)在劉老澗泵站反向發(fā)電中的應(yīng)用[J].人民長江,2009,40(20):53-55.

[3] 化 卓,周元斌,黃 毅,等.劉老澗抽水站技術(shù)改造可行性研究[J].南水北調(diào)與水利科技,2017,2(15):181-185.

[4] 馮 杰,周 偉,蔡 磊,等.新型工業(yè)修補劑在大型立式軸流泵站機組大修中的應(yīng)用[J].江蘇水利,2013,(1):30-31.

[5] 王明臣,李勇智,楊立超.TS216耐磨修補劑在水輪機轉(zhuǎn)輪抗氣蝕中的應(yīng)用[J].東北水利水電,2003,21(11):39-40.