高分子復(fù)合涂層在富春江電廠水輪機(jī)導(dǎo)葉表面腐蝕防護(hù)中的應(yīng)用研究

李青鋒，張 斌，高韞章，郭旭東，李永紅

（1.國(guó)網(wǎng)新源水電有限公司富春江水力發(fā)電廠，浙江桐廬 311504；2.河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北石家莊 050030）

0 前言

水輪機(jī)是水電行業(yè)的核心裝備，其過流部件在運(yùn)行過程中，長(zhǎng)期受到氣蝕、高速水流沖刷腐蝕、泥沙磨損和介質(zhì)腐蝕等破壞作用［1］，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉等過流部件的腐蝕破損，會(huì)引起其表面粗糙度變大、線型被破壞、摩擦阻力系數(shù)增加，從而破壞過流部件應(yīng)有的繞流條件，嚴(yán)重影響水輪機(jī)的水動(dòng)力性能和運(yùn)行效率;另外，腐蝕造成的材料破壞會(huì)導(dǎo)致過流部件損壞失效，嚴(yán)重時(shí)使機(jī)組產(chǎn)生劇烈振動(dòng)、噪音和負(fù)荷波動(dòng)，直接影響水輪機(jī)的安全穩(wěn)定性和服役壽命［2］。

目前，針對(duì)水輪機(jī)過流部件的氣蝕、磨損和腐蝕防護(hù)問題，主要有優(yōu)化水輪機(jī)過流部件設(shè)計(jì)，選擇抗氣蝕、耐磨損和防腐蝕性能較好的涂層材料對(duì)過流部件表面進(jìn)行防護(hù)，以及降低水流含沙量，改善水輪機(jī)運(yùn)行條件等方法［3］。利用表面工程技術(shù)在過流部件表面進(jìn)行涂層防護(hù)，提高其表面的抗氣蝕、耐磨損和防腐蝕能力是目前解決過流部件腐蝕問題最經(jīng)濟(jì)有效的方法［4］。本研究概述了常用的有機(jī)抗氣蝕耐磨損涂層的種類及優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了多套涂層體系方案，在富春江電廠水輪機(jī)固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉表面進(jìn)行應(yīng)用，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況，對(duì)各涂層體系的應(yīng)用效果進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 抗氣蝕耐磨損涂層

有機(jī)高分子抗氣蝕、耐磨損和防腐蝕涂層材料價(jià)格較低，具有優(yōu)異的抗化學(xué)腐蝕性，對(duì)各種基材的適用性好，現(xiàn)場(chǎng)施工方便，不損壞工件，并且具有保護(hù)期效長(zhǎng)、易修補(bǔ)等特點(diǎn)，在抗氣蝕、耐磨損和防腐蝕需求中受到廣泛關(guān)注，常用的抗氣蝕、耐磨損和防腐蝕高分子涂層材料主要分為剛性環(huán)氧涂層［5-6］和彈性聚氨酯兩類［7］。

1.1 環(huán)氧類涂層

抗氣蝕、耐磨損和防腐蝕環(huán)氧涂層是以環(huán)氧樹脂為基體，用Al2O3、SiO2、SiC等硬質(zhì)陶瓷粉末增強(qiáng)的一類涂層。其在水電站的應(yīng)用情況表明，涂層對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體、葉片正面等非氣蝕區(qū)具有良好的抗沙粒磨損效果，但在葉片背面及根部、轉(zhuǎn)輪室中環(huán)等強(qiáng)氣蝕區(qū)脫落嚴(yán)重，防護(hù)效果較差，這主要是由于固化后的環(huán)氧樹脂基體韌性較差，涂層內(nèi)應(yīng)力大，抗氣蝕性能不足，在氣蝕的疲勞破壞作用下，易脆裂脫落而失效，不適合在氣蝕破壞嚴(yán)重的場(chǎng)合使用［8］。

1.2 聚氨酯彈性體涂層

聚氨酯彈性體是近年來快速發(fā)展起來的一類內(nèi)聚能很高的新型高分子材料，它兼具橡膠的高彈性和塑料的高強(qiáng)度，具有優(yōu)良的力學(xué)性能、抗疲勞性能、耐介質(zhì)性能和耐磨損性能。聚氨酯彈性體材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)中有大量氨基甲酸酯重復(fù)鏈段，主鏈分子由柔性鏈段和剛性鏈段嵌段組成，其中柔性鏈段的玻璃化溫度（Tg）低于室溫；剛性鏈段的Tg高于室溫。異氰酸酯和低相對(duì)分子質(zhì)量胺擴(kuò)鏈劑構(gòu)成硬鏈段，低聚物多元醇構(gòu)成軟鏈段［9］。相比同等硬度的其他橡膠材料，聚氨酯彈性體的內(nèi)聚拉伸強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度更優(yōu)異，其耐磨性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的橡膠材料[10]。另外，聚氨酯彈性體材料具有相對(duì)較高的損失因子，在受到外力沖擊或高頻振動(dòng)時(shí)，能吸收60 %以上的沖擊能量，有效消除和減緩?fù)饬_擊和高頻振動(dòng)等產(chǎn)生的破壞［11］。因此，聚氨酯彈性體是較理想的抗氣蝕、耐磨損和防腐蝕涂層材料。聚氨酯彈性體涂層目前已應(yīng)用于三門峽、青銅峽、小浪底等水電站的水輪機(jī)葉片、導(dǎo)葉、底環(huán)和頂蓋等過流部件的防護(hù)，并表現(xiàn)出良好的抗磨損效果［12～13］，但其在應(yīng)用中也有較多失效的案例，主要原因是涂層與基材的粘接性和耐高速水流沖刷性能不足［14］，因此優(yōu)化涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善聚氨酯彈性體涂層的粘接強(qiáng)度和耐高速水流沖刷性能對(duì)其在水輪機(jī)過流部件表面的應(yīng)用推廣具有重要意義。

1.3 復(fù)合涂層

復(fù)合涂層技術(shù)是同時(shí)運(yùn)用兩種或兩種以上涂層工藝或材料對(duì)基體表面進(jìn)行處理，制備綜合性能優(yōu)異的復(fù)合防護(hù)涂層的應(yīng)用技術(shù)［15］。復(fù)合涂層中的各組成材料在性能上能優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，克服單一材料的缺陷，有效地提高涂層的綜合性能。

梯度復(fù)合材料使材料的結(jié)構(gòu)、物理性能參數(shù)和組成等沿厚度方向呈逐步過渡變化，材料的性質(zhì)和功能也呈漸變狀態(tài)。研究表明，按照由里到外填料逐漸增加、粒度逐漸減小的趨勢(shì)分布進(jìn)行梯度設(shè)計(jì)，制備SiC呈梯度分布的環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層，其耐磨性是普通環(huán)氧樹脂涂層的4倍［16］。梯度復(fù)合涂層協(xié)同發(fā)揮了各材料的優(yōu)勢(shì)，能大幅度提高水輪機(jī)過流部件的抗氣蝕、耐磨損和防腐蝕性能，為抗氣蝕、耐磨損和防腐蝕涂層研究提供了新的思路和方向，利用不同類型材料的特性，開展配套性研究，優(yōu)化涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝。

2 涂層應(yīng)用電站與機(jī)組介紹

富春江水電站位于浙江省桐廬縣境內(nèi)的錢塘江中游富春江七里瀧峽谷出口處，上游距新安江水電站60 km，下游距杭州市約90 km。電站共裝有6臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組，單機(jī)容量60 MW，總裝機(jī)容量360 MW，平均發(fā)電量9.23億千瓦時(shí)，是一座低水頭、大流量、河床式水電站，大流域，小水庫(kù)是其顯著的特點(diǎn)，為日調(diào)節(jié)水庫(kù)。

富春江水電站始建于1958年8月，1962年春停工緩建，1965年10月復(fù)工續(xù)建，1968年12月25日第一臺(tái)機(jī)組建成發(fā)電。其機(jī)組活動(dòng)導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉的過流部件采用傳統(tǒng)的防腐蝕涂料進(jìn)行防護(hù)，因這些涂料抗氣蝕、耐沖刷和磨蝕性能不足，在長(zhǎng)期的腐蝕作用下，涂層已出現(xiàn)密集的脫落和較嚴(yán)重的腐蝕坑，有必要采取有效的手段進(jìn)行處理和防護(hù)。

3 高分子復(fù)合涂層應(yīng)用方案選型

3.1 涂層材料的性能

涂層材料主要使用碩投（武漢）高分子技術(shù)有限公司開發(fā)研制的系列涂層產(chǎn)品，相關(guān)材料的主要性能參數(shù)見表1～4。

表1 SOTO 3411改性無溶劑環(huán)氧涂料的主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of the modified solvent-free epoxy coatings（SOTO 3411）

表2 SOTO 3721高韌性聚氨酯涂料的主要性能參數(shù)Table 2 Main performance parameters of the high touchness polyurethane coatings（ SOTO 3721）

表3 SOTO 1731抗氣蝕聚氨酯彈性體的主要性能參數(shù)Table 3 Main performance parameters of the cavitation resistant polyurethane elastomer （SOTO 1731）

表4 SOTO 3412高強(qiáng)韌涂料的主要性能參數(shù)Table 4 Main performance parameters of the high strength and toughness coatings（ SOTO 3412）

3.2 涂層體系方案設(shè)計(jì)

導(dǎo)葉的防護(hù)涂裝工序包括噴砂除銹、除舊漆、缺陷修復(fù)和防護(hù)涂層涂裝，共設(shè)計(jì)了3套涂裝方案，分別見表5～7。

表5 涂層體系方案1Table 5 Coating system 1

表6 涂層體系方案2Table 6 Coating system 2

4 復(fù)合涂層在導(dǎo)葉表面的涂裝施工

2019年10月，在富春江電廠3號(hào)機(jī)組檢修期間，完成了復(fù)合涂層在3號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉表面的涂裝施工。2019年11月，3號(hào)機(jī)組重新投入使用。

4.1 復(fù)合涂層體系的應(yīng)用部位

現(xiàn)場(chǎng)各涂層體系方案的應(yīng)用部位及活動(dòng)導(dǎo)葉密封配合面方案見表8。

表8 涂層體系在導(dǎo)葉上的應(yīng)用Table 10 Application of coating system on guide vane

4.2 涂裝施工過程

根據(jù)材料使用說明編制的施工方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工，具體施工過程如下：

（1） 搭建好腳手架，然后用雨布沿腳手架內(nèi)側(cè)和外側(cè)遮擋導(dǎo)葉，同時(shí)在下部竹跳板上面鋪設(shè)雨布，防止后續(xù)噴砂過程中砂礫進(jìn)入水體，便于收集，同時(shí)隔絕閘門漏水產(chǎn)生的飛濺水，控制導(dǎo)葉周圍的空氣濕度。

（2） 使用布基膠帶遮蔽活動(dòng)導(dǎo)葉的縫隙，在噴砂過程中，使用鋼條對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉的橡膠條進(jìn)行保護(hù)。

（3） 采用錘擊方式清理導(dǎo)葉表面的舊漆層和銹層。

（4） 采用20目（830 μm）金剛砂對(duì)待涂裝區(qū)域進(jìn)行噴砂除銹，使其表面達(dá)到涂裝前處理的質(zhì)量要求（GB/T 13288.2—2011），清潔度達(dá)到Sa 2.5級(jí)，粗糙度達(dá)到細(xì)的級(jí)別；噴砂完畢的導(dǎo)葉于當(dāng)日刷涂SOTO 3411改性無溶劑環(huán)氧涂層；

（5） 打磨已干燥的SOTO 3411改性無溶劑環(huán)氧涂層，按比例稱取SOTO 2122金屬陶瓷修補(bǔ)基料A組分和固化劑B組分，混合攪拌均勻。涂抹在需修補(bǔ)的腐蝕缺陷處，并抹平。

（6） 陶瓷修補(bǔ)材料干燥后，用砂紙將邊緣修整光滑，清除表面灰塵，按比例稱取SOTO 3822無溶劑環(huán)氧云鐵涂料甲組分和乙組分，混合攪拌均勻，使用毛刷涂抹在4號(hào)、13～17號(hào)固定導(dǎo)葉和16～18號(hào)、24～30號(hào)活動(dòng)導(dǎo)葉表面。

（7） 待SOTO 3822無溶劑環(huán)氧云鐵涂層干燥固化后，檢查外觀和測(cè)量厚度。用砂紙打磨修整表面，清除表面灰塵，刷涂SOTO 3412高強(qiáng)韌涂層。

（8） 按比例稱取SOTO 3721高韌性聚氨酯涂料甲組分和乙組分，混合攪拌均勻，使用毛刷涂刷在1～3號(hào)、5～12號(hào)固定導(dǎo)葉和19～23號(hào)以及1～15號(hào)、31號(hào)、32號(hào)活動(dòng)導(dǎo)葉表面，然后噴涂SOTO 1731抗氣蝕聚氨酯彈性體。

（9） 待SOTO 1731抗氣蝕聚氨酯彈性體涂層干燥后，使用角磨機(jī)將20號(hào)、21號(hào)、7號(hào)和8號(hào)活動(dòng)導(dǎo)葉以外的活動(dòng)導(dǎo)葉密封處的涂層打磨干凈，使周邊平滑過渡，保留20號(hào)、21號(hào)、7號(hào)和8號(hào)活動(dòng)導(dǎo)葉密封處的涂層。

（10） 檢查涂層外觀、測(cè)量厚度，邊緣修整。

（11） 清理現(xiàn)場(chǎng)。

5 富春江電廠3號(hào)機(jī)導(dǎo)葉防腐效果檢查

2020年4月14日，結(jié)合3號(hào)機(jī)D級(jí)檢修，對(duì)3號(hào)機(jī)導(dǎo)葉高分子復(fù)合涂層的使用情況進(jìn)行檢查，結(jié)果如下：

固定導(dǎo)葉涂層未發(fā)現(xiàn)異常；活動(dòng)導(dǎo)葉蝸殼側(cè)（導(dǎo)葉關(guān)閉后外圈表面）檢查無異常；4～7號(hào)、19～22號(hào)、31號(hào)、32號(hào)活動(dòng)導(dǎo)葉表面面涂層局部出現(xiàn)不同程度的起皮、剝落現(xiàn)象，中間涂層完好，其余22只活動(dòng)導(dǎo)葉正常。面涂層起皮、剝落位置主要集中在導(dǎo)葉轉(zhuǎn)輪側(cè)、小頭密封面及立面密封壓板接縫處，其中19～22號(hào)活動(dòng)導(dǎo)葉涂層破壞最為嚴(yán)重，具體如圖1所示。

圖1 導(dǎo)葉腐蝕狀況Figure 1 Corrosion status of guide vanes

6 結(jié)語

對(duì)比分析幾種復(fù)合涂層體系方案在富春江電廠3號(hào)機(jī)組固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉表面的應(yīng)用情況，可總結(jié)出以下結(jié)論，因涂裝后機(jī)組目前總體運(yùn)行時(shí)間較短，對(duì)涂層體系的長(zhǎng)效防護(hù)性和耐磨性能，仍需進(jìn)一步跟蹤評(píng)價(jià)和總結(jié)。

（1） 固定導(dǎo)葉表面的幾種涂層體系均未出現(xiàn)明顯的鼓泡、開裂和破壞情況，表明各涂層體系方案均能滿足固定導(dǎo)葉內(nèi)外側(cè)表面水流沖刷和磨損工況的使用需求。

（2） 全部活動(dòng)導(dǎo)葉的蝸殼側(cè)（導(dǎo)葉關(guān)閉后外圈表面）的涂層也未出現(xiàn)明顯的鼓泡、開裂和破壞情況，這表明各涂層體系方案均能滿足活動(dòng)導(dǎo)葉背水面水流沖刷和磨損工況的使用需求。

（3） 部分活動(dòng)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)輪側(cè)（導(dǎo)葉關(guān)閉后內(nèi)圈表面）和小頭密封面及立面密封壓板接縫處有不同程度的起皮破損，主要是面涂層局部起皮破損，中間涂層完好。

（4） 活動(dòng)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)輪側(cè)出現(xiàn)破損的導(dǎo)葉編號(hào)為4～7號(hào)、19～22號(hào)、31號(hào)、32號(hào)，其主要對(duì)應(yīng)聚氨酯彈性體面涂層的方案1和方案2 ，其中方案1對(duì)應(yīng)的19～22號(hào)導(dǎo)葉涂層破壞情況較為嚴(yán)重。

（5）綜合分析聚氨酯彈性體涂層脫落的原因，是彈性體涂層過厚，無溶劑涂層干燥過程中體積收縮過大而產(chǎn)生應(yīng)力，使聚氨酯彈性體與中間層的粘接強(qiáng)度降低，在高速水流沖刷下易剝落。因此在水流沖刷速度較大的區(qū)域使用無溶劑聚氨酯彈性體涂層防護(hù)時(shí)，其厚度不宜太厚，避免影響層間結(jié)合強(qiáng)度。

（6） 活動(dòng)導(dǎo)葉配合面與固定導(dǎo)葉配合處，將涂層打磨減薄的方案更優(yōu)，該方案可有效避免因涂層過厚經(jīng)碾壓破壞引起成片脫落的情況發(fā)生。