水泵抗磨蝕技術在揚黃泵站的研究應用

陶 東 張 印 田志存

(寧夏固海揚水管理處，寧夏 中寧 755100)

黃河屬多泥沙河流，我國現(xiàn)有農(nóng)用水泵產(chǎn)品均以清水介質條件設計，沒有做嚴格的抗磨蝕設計，在高含沙量的揚黃泵站，存在水泵過流部件磨損嚴重、使用壽命短、能耗高、運行效率低等問題。特別是寧夏固海揚水泵站工程深受其害，每年汛期更為嚴重。其首級取水泉眼山泵站處在黃河寧夏一級支流清水河入河口下游，水文資料顯示，清水期平均含沙量為4.7～6.21kg/m3，汛期高達70～96kg/m3，最高值達到382kg/m3。高含沙量的取水條件導致固海揚水泵站每年4月份大修的水泵運行到8月份秋灌結束，運行時數(shù)僅3000h左右，水泵平均單機提水量下降15%以上，裝置效率下降15%～26%，部分泵體、泵蓋嚴重穿孔，隔舌殘缺或磨平，流道幾何尺寸改變，高低壓區(qū)竄水嚴重；壓力管由于泥沙的磨損管壁厚度會減少30%～40%，運行中經(jīng)常發(fā)生穿孔、刺水及爆裂等現(xiàn)象，嚴重影響了泵站的運行效率，同時額外增加了機電設備維修費用及檢修人員工作量，每年設備磨損更新、維修費用達到800萬元以上，由于設備嚴重磨損致使提水量下降造成的經(jīng)濟損失在500萬元以上。

1 水泵抗磨蝕技術在揚黃泵站的應用

1.1 水泵抗磨蝕技術在寧夏揚黃泵站的研發(fā)歷程

為解決泵站特別是大型灌溉排水泵站存在的問題，國家多次出臺文件提及泵站設施更新改造等問題。習近平總書記多次就治水發(fā)表重要論述，系統(tǒng)闡釋了保障國家水安全的基本思路，明確提出了“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路，賦予了新時期治水的新內(nèi)涵、新要求、新任務。李克強總理也強調(diào)“大力加強農(nóng)田水利建設，著力夯實穩(wěn)糧增收水利基礎，要加快灌區(qū)續(xù)建配套、灌排泵站更新改造和現(xiàn)代化灌區(qū)建設，著力完善農(nóng)田灌排體系和末級渠系，加快解決農(nóng)田灌溉‘最后一公里’問題”。

黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展國家戰(zhàn)略要求“大力發(fā)展節(jié)水產(chǎn)業(yè)和技術，大力推進農(nóng)業(yè)節(jié)水，實施全社會節(jié)水行動，推動用水方式由粗放向節(jié)約集約轉變”。鄉(xiāng)村振興、脫貧攻堅和國家糧食安全等國家戰(zhàn)略，都明確提出推進大中型灌區(qū)續(xù)建配套與現(xiàn)代化改造的要求，把解決農(nóng)村飲水問題作為底線任務抓緊抓實，抓好大中型灌區(qū)現(xiàn)代化改造和農(nóng)業(yè)節(jié)水，構建科學高效的灌區(qū)標準化規(guī)范化管理體系，加快推進灌區(qū)建設管理現(xiàn)代化進程，不斷提升灌區(qū)管理能力和服務水平。

在寧夏揚黃泵站運行實踐中，以固海揚水管理處泵站運行管理為例，開展了長達30多年的探索研究工作，經(jīng)過近千次的研究實驗，在水泵過流件抗磨損和抗空蝕方面，針對黃河流域多泥沙水泵過流件抗磨蝕難題，在固海揚水工程所屬泵站的水泵上大膽進行抗磨蝕新材料、新技術、新工藝的試驗與應用，尤其是在水泵的泵殼、葉輪、口環(huán)進行了抗磨蝕修復，對磨蝕修復前后的水泵流量、功率等運行狀態(tài)進行的監(jiān)測分析表明，磨蝕防護效果良好，保障了水泵在高效區(qū)長期穩(wěn)定運行，達到了提高泵站裝置效率、降低泵站能耗和運行費用的目的。

1.2 水泵抗磨蝕技術在揚黃泵站的應用現(xiàn)狀

寧夏揚黃泵站水泵抗磨蝕技術的應用，立足揚黃泵站高含沙的運行管理實際，針對水力機械在高含沙水質中運行，過流部件存在空蝕、磨損嚴重、能耗高、效率低、使用壽命短等問題，依托全國水機磨蝕試驗研究中心、黃河水利委員會黃河水利科學研究院、武漢大學等在水機抗磨蝕研究方面處于領先水平的國家重點實驗室，技術研究中心，高校、生產(chǎn)及維修企業(yè)等骨干創(chuàng)新平臺，集中力量開展水力機械抗磨蝕科技攻關。以水泵過流部件為重點開展抗磨技術研究與應用，經(jīng)過多年的自主研究與實踐，先后實驗成功了水泵泵體、葉輪、口環(huán)采用環(huán)氧砂漿涂層、復合樹脂砂漿涂護、聚氨酯澆筑涂層技術、金屬粉末噴涂和噴焊、電刷鍍、金屬絲材熱噴涂、熱噴鋅防腐抗氧化、鋼板葉輪上鑲嵌鋼圈、超音速噴涂技術等多項水力機械抗磨蝕技術,寧夏揚黃泵站在水力機械抗磨蝕涂護和防腐技術應用方面日漸成熟。水力機械抗磨蝕技術在揚黃泵站的應用，不僅有效解決了固海揚水工程水泵過流部件磨損快、更換頻率高、運行效率下降、檢修費用高等問題，水泵抗磨蝕研究成果在固海揚水工程泵站運行中已有效地轉化為現(xiàn)實生產(chǎn)力，推廣應用效果良好,有效保障了水泵性能正常發(fā)揮,實現(xiàn)了節(jié)能降耗,提高了泵站裝置效率和工程效益。

2 水泵抗磨蝕技術應用

2.1 水泵泵體抗磨蝕修復技術

2.1.1 水泵泵殼磨蝕情況

泵殼磨蝕主要發(fā)生在螺旋壓水室中兩邊靠近密封環(huán)處，形成3～10mm的魚鱗坑，表面損失厚度達3～5mm；水泵中開面鑄造結構空腔附近，高壓腔與低壓腔之間出現(xiàn)貫通溝槽，深3～5mm，寬5～15mm的；泵體隔舌出現(xiàn)汽蝕溝槽，嚴重時縮短60mm。

2.1.2 聚氨酯復合樹脂砂漿修復技術

水泵泵殼的高壓區(qū)在汽蝕和黃河高泥沙水流的雙重作用下，使用1萬多小時后必須整體更換，成本高昂。在水泵高壓區(qū)采用抗磨蝕涂層技術后，使水泵使用壽命延長了5000～10000h，并且可以反復涂護，大大減少了水泵整體更換的臺次。

聚氨酯復合樹脂砂漿由高抗磨蝕聚氨酯彈性體材料、彈性環(huán)氧樹脂、固化劑、硬金屬粉、棕剛玉、碳化鎢、耐水劑等組成，除具有高效抗磨性能外，還有一定的抗汽蝕性能。

技術指標：抗壓強度100～120MPa，黏結強度30～40MPa，抗沖磨強度10～15h/(g/cm2)，厚度1～2mm，設計使用壽命延長2～5倍以上，而且可反復修復使用。

2.2 水泵葉輪真空澆筑涂層技術

葉輪是水泵的核心部件，目前固海所使用葉輪均為鑄鋼鑄造而成，由于黃河水泥沙量大，并且因為揚程、進水條件等諸多因素的影響，在揚黃工程使用5000h后，進水葉片出現(xiàn)穿孔現(xiàn)象，嚴重影響其使用效率。通過對葉輪進水葉片采用復合聚氨酯真空澆筑涂層技術，延長了其使用壽命，獲得了優(yōu)秀的抗磨蝕性能，具有黏結強度高、剝離強度大等特點，且加工工藝簡單、方便、成本較低。

2.3 水泵密封環(huán)聚氨酯澆筑涂層技術

密封環(huán)是揚黃泵站更換頻率較高的水泵部件之一。黃河多泥沙水流對密封環(huán)的磨損較快，使密封環(huán)與葉輪口緣的配合面布滿魚鱗、蜂窩狀坑穴及環(huán)狀溝槽，增加了水泵泄漏損失，降低了水泵效率。對密封環(huán)采用復合聚氨酯澆筑涂層技術，使密封環(huán)使用壽命延長了2～4倍。

3 水泵抗磨蝕技術應用主要成果

水泵抗磨蝕技術應用主要成果見表1。

表1 水泵抗磨蝕技術應用主要成果

續(xù)表

4 抗磨蝕技術今后研發(fā)應用的方向

水力機械抗磨蝕技術在揚黃泵站中的推廣應用，將有效延長水泵設備使用更換周期，保障泵站工程長期穩(wěn)定高效運行，提高泵站裝置效率，降低能耗和生產(chǎn)成本，水力機械抗磨蝕技術的研究應用與實踐將推動揚黃泵站高質量發(fā)展。在現(xiàn)有技術成果應用的同時要重視新技術和新材料、新工藝應用和專業(yè)技能人才培養(yǎng)，提高水泵抗磨蝕技術的綜合應用能力，加大對水力抗磨蝕技術的推廣應用力度，通過技術引項目，提升科技開發(fā)創(chuàng)新能力，以人才推動技術發(fā)展，向專業(yè)品牌、系統(tǒng)化應用、集約化生產(chǎn)方向發(fā)展，使水泵抗磨蝕技術成為水利新技術核心競爭力的重要組成部分。加強水力機械抗磨蝕技術產(chǎn)、學、研的廣泛合作交流，以人才帶動學科發(fā)展，以學科發(fā)展吸引人才，最終達到人才引進與科研技術的同步推進，共同推動水力機械抗磨蝕技術在寧夏揚黃泵站的快速發(fā)展。

在揚黃泵站運行管理中，適時開展“引黃灌區(qū)泵站安全運行監(jiān)測與增效降耗技術”研究，在安全運行監(jiān)測、增效、降耗等方面提出相應的技術措施，提高泵站工程及設備完好率、裝置效率和安全運行率，實現(xiàn)大型灌溉排水泵站運行自動化，推進灌區(qū)由粗放型用水方式向集約化用水方式轉變，提高用水效率，為形成布局合理、功能完備、高效運行、管理先進的現(xiàn)代灌排工程體系奠定基礎，從技術層面上保障在農(nóng)業(yè)用水總量不增加的情況下，增加有效灌溉面積，大幅度降低單位能耗指標，使農(nóng)業(yè)發(fā)展方式從過度消耗水資源和能源的粗放型轉變?yōu)楣?jié)水、節(jié)能、節(jié)地的可持續(xù)發(fā)展，保障農(nóng)村飲水安全、糧食生產(chǎn)用水需求，推進農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展，保持農(nóng)村社會和諧穩(wěn)定，提升農(nóng)民群眾幸福感，為改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，保障國家糧食安全，促進農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展、農(nóng)業(yè)增效和農(nóng)民增收，改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境等提供有力支撐。