澆注聚氨酯耐磨涂層在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠汽蝕區(qū)應(yīng)用

李貴勛，牛金亮，鄭 軍，孔令輝，張 雷

（1.黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；2.河南省水電工程磨蝕測(cè)試與防護(hù)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003）

0 引言

轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)機(jī)組關(guān)鍵部件，主要由上冠、葉片、下環(huán)、泄水錐等部分組成。上冠為混流式水輪機(jī)組的重要部件，與葉片、下環(huán)焊接形成轉(zhuǎn)輪，其在水輪機(jī)的運(yùn)行中承受巨大的動(dòng)水頭壓力和汽蝕破壞，尤其承擔(dān)系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)的電站，經(jīng)常處于低負(fù)荷、水頭變化幅度大的狀態(tài)下運(yùn)行[1]。多年運(yùn)行導(dǎo)致在轉(zhuǎn)輪上冠過流表面產(chǎn)生汽蝕破壞，一旦水輪機(jī)上冠過流部位發(fā)生汽蝕，隨著運(yùn)行時(shí)間延長，上冠汽蝕破壞的速度會(huì)顯著加快[2]。

某水力發(fā)電廠裝機(jī)容量550 MW，單機(jī)容量137.5 MW，為混流式機(jī)組，水輪機(jī)的型號(hào)為HL551-LJ-610，額定流量331 m3/s、額定轉(zhuǎn)速93.75 r/min，額定水頭47 m，轉(zhuǎn)輪重量104 t，轉(zhuǎn)輪公稱直徑6.1 m，轉(zhuǎn)輪葉片13片。水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪自2006年運(yùn)行到2016年，轉(zhuǎn)輪上冠汽蝕區(qū)域長度為80 cm，2016年運(yùn)行至2018年汽蝕區(qū)已增長至120 cm，汽蝕速度顯著增快。汽蝕破壞會(huì)降低水輪機(jī)運(yùn)行效率、損傷流道壁面，造成振動(dòng)和噪音，甚至影響水輪機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。目前，水電站針對(duì)水輪機(jī)汽蝕破壞多采用堆焊技術(shù)進(jìn)行處理，但堆焊需投入巨大人力、消耗大量時(shí)間，不僅壓縮了機(jī)組的其他檢修時(shí)間，而且大大增加檢修的工作量，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行成本明顯增加。

圖1 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠汽蝕（a：2016年情況；b：2018年情況）

1 破壞原因分析

（1）材質(zhì)影響

部分水輪機(jī)上冠材質(zhì)與葉片材質(zhì)不一致，上冠采用的材料抗汽蝕性能較差。據(jù)調(diào)查，早期轉(zhuǎn)輪上冠多為20SiMn低合金鋼，該材料具有良好的鑄造性能和焊接性能，常溫下屈服強(qiáng)度≤275 MPa，抗拉強(qiáng)度≤450 MPa，延伸率≤24%。葉片材質(zhì)多為0Cr13Ni5Mo馬氏體不銹鋼，其屈服強(qiáng)度≤620 MPa，抗拉強(qiáng)度≤790 MPa，延伸率≤15%?？瘴g試驗(yàn)表明，空蝕12 h后20SiMn的失重量439.40 mg，0Cr13Ni5Mo失重量為164.80 mg，20SiMn低合金鋼的空蝕失重是0Cr13Ni5Mo不銹鋼的2.7倍，20SiMn低合金鋼抗空蝕性能差，因此在水輪機(jī)運(yùn)行過程中，容易在抗空蝕性能差的材料上發(fā)生破壞。

（2）高速水流流態(tài)影響

水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)偏離設(shè)計(jì)工況，尤其在低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域，高速水流在上冠、泄水錐及尾水管的中心部分形成較大的負(fù)壓區(qū)，易產(chǎn)生不穩(wěn)定流態(tài)，當(dāng)流道內(nèi)形成了壓力值低于對(duì)應(yīng)溫度下水流飽和蒸汽壓的低壓區(qū)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生渦帶，導(dǎo)致出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象[4]。汽蝕對(duì)過流表面破壞先使表面變暗、發(fā)毛，繼而形成針孔、麻面、蜂窩狀組織，進(jìn)一步發(fā)展為穿孔及局部金屬脫落。汽蝕會(huì)破壞過流表面，降低水輪機(jī)效率，并引起水力振動(dòng)和噪聲，嚴(yán)重時(shí)甚至影響水輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性[5]。

2 上冠汽蝕修復(fù)方法

（1）堆焊

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠汽蝕區(qū)常采用堆焊修復(fù)，該工藝施工簡單，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況靈活操作，工藝合適、質(zhì)量控制嚴(yán)格，該工藝可起到較好的修復(fù)防護(hù)效果。首先確定堆焊區(qū)域，采用打磨或碳弧氣刨等手段對(duì)補(bǔ)焊區(qū)鏟削，將汽蝕破壞區(qū)銹損及蜂窩清理平整，露出基體金屬，選擇合適焊條進(jìn)行堆焊，堆焊后打磨修型，并進(jìn)行探傷。但當(dāng)大面積進(jìn)行堆焊施工時(shí)，需要較多人力、物力，工作量大又耗時(shí)，同時(shí)由于焊接面積大，易造成修復(fù)件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力而發(fā)生變形或者裂紋。另外基體材料經(jīng)過反復(fù)焊接后，基材的性能發(fā)生惡化，進(jìn)一步導(dǎo)致磨蝕破壞加速，從而限制了補(bǔ)焊工藝的應(yīng)用。

（2）高分子材料修復(fù)

水輪機(jī)上冠汽蝕區(qū)可采用澆注聚氨酯耐磨涂層進(jìn)行修復(fù)[6]。聚氨酯彈性是一種主鏈上有較多氨基甲酸酯官能團(tuán)的合成材料，由聚酯、聚醚、烯烴等多元醇與異氰酸及二醇或二胺擴(kuò)鏈劑逐步加成聚合而成，可根據(jù)應(yīng)用需求，調(diào)整聚氨酯材料中柔性的長鏈多元醇軟段和剛性的異氰酸酯硬段的比例，使材料既具有橡膠的高彈性，也具有塑料的高強(qiáng)度，同時(shí)具有較好的柔順性、耐水性和抗磨性，材料的力學(xué)性能可調(diào)整范圍廣，特別是其優(yōu)異抗磨性及抗汽蝕性能適宜于在不同運(yùn)行工況下的水力機(jī)械上應(yīng)用。該材料施工較簡單，成型條件要求不高、無需高溫，涂層施工工期相對(duì)較短，在水輪機(jī)小修周期內(nèi)即可開展，具有較好的應(yīng)用前景。

表1 聚氨酯彈性體性能指標(biāo)表

3 澆注聚氨酯耐磨涂層處理工藝

澆注聚氨酯耐磨涂層由高耐磨聚氨酯、高粘接強(qiáng)度底膠等組成，高粘接強(qiáng)度底膠有效增加澆注聚氨酯彈性體涂層與金屬基體的結(jié)合強(qiáng)度，在高速水流沖磨下不被剝離。澆注聚氨酯耐磨涂層制備工藝流程如下：

（1）基面處理

利用氣刨機(jī)將汽蝕區(qū)蜂窩面刨平，清除結(jié)構(gòu)松散金屬層，露出無汽蝕痕跡的母體材料。

（2）噴砂

為了去除物體表面的污垢、油脂、銹跡、氧化層等，使金屬表面粗糙、活化，達(dá)到提高涂層的粘結(jié)強(qiáng)度的目的，采用高硬度金剛砂做噴砂材料，進(jìn)行噴砂處理。

（3）安裝模具

先對(duì)噴砂面進(jìn)行刷涂底膠，再制作模具，并用密封材料、支架對(duì)模具進(jìn)行固定。

（4）澆注改性高耐磨聚氨酯

利用壓力式注膠機(jī)進(jìn)行注膠，澆注同時(shí)使用真空泵對(duì)澆注區(qū)域進(jìn)行抽真空，保障聚氨酯材料順利進(jìn)入并充滿模具。

（5）加熱固化

采用履帶式陶瓷加熱片、硅橡膠電熱毯及熱電偶等，對(duì)涂層進(jìn)行加熱固化。

（6）涂層修整及周邊防護(hù)

拆除模具后，對(duì)聚氨酯涂層進(jìn)行修整，并在周邊用復(fù)合樹脂砂漿進(jìn)行防護(hù)。

4 澆注聚氨酯耐磨涂層處理效果

2018年10月，采用澆注型聚氨酯耐磨涂層對(duì)某水電站水輪機(jī)上冠汽蝕區(qū)域進(jìn)行修復(fù)。運(yùn)行五年后，對(duì)涂層防護(hù)效果進(jìn)行檢查。結(jié)果發(fā)現(xiàn)澆注聚氨酯耐磨涂層周邊防護(hù)的復(fù)合樹脂砂漿涂層破壞剝落，但澆注聚氨酯涂層基本完整，未見大片剝離脫落現(xiàn)象。由此可見，澆注聚氨酯耐磨涂層和水輪機(jī)葉片結(jié)合力強(qiáng)，不易發(fā)生剝離和撕裂現(xiàn)象，提高了水輪機(jī)上冠抗汽蝕破壞能力，起到了優(yōu)異抗汽蝕防護(hù)效果。

圖2 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠防護(hù)（a：澆注聚氨酯耐磨涂層；b：聚氨酯+復(fù)合樹脂砂漿涂層）

圖3 澆注聚氨酯耐磨涂層運(yùn)行五年后效果

5 結(jié)語

澆注聚氨酯耐磨涂層技術(shù)在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠進(jìn)行應(yīng)用，能有效防護(hù)上冠過流面，提升上冠抗汽蝕性能，減輕上冠汽蝕破壞程度，為水輪發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)類似水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠汽蝕破壞修復(fù)與防護(hù)有較好的參考價(jià)值。