揚黃灌排水泵磨蝕綜合防護技術(shù)

李貴勛，鄧 炎 ，楊 勇，張 雷

（1. 黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州450003；2. 新疆華電和田水電有限責(zé)任公司，新疆 和田848000）

0 引言

我國西北地區(qū)，區(qū)域自然條件稟賦較差，氣候干旱少雨，多年平均降水量僅為200～700 mm，水資源嚴重缺乏且沙漠化嚴重，該地區(qū)雖有黃河穿流而過，但水低地高，人畜生存和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常年面臨嚴重的缺水威脅。為解決糧食生產(chǎn)缺水的問題，黃河流域目前已建成大型灌排泵站46處877座，總裝機臺數(shù)4 076臺、功率181.895萬kW、設(shè)計流量1 211.84 m3/s，為灌區(qū)群眾脫貧致富、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境改善做出了巨大的貢獻[1,2]。

水泵經(jīng)過長時間運行，其磨損、沖刷、汽蝕破損現(xiàn)象嚴重，水泵出水蝸殼磨損深度可達20 mm以上，部分泵體、泵蓋已穿孔、隔舌殘缺或磨平，高低壓腔竄水嚴重，致使水泵內(nèi)損失增大，運行工況惡化。一個灌季結(jié)束后，水泵上水量將減少10 %～20 %，效率下降5 %～8 %，直接影響水泵性能的正常發(fā)揮，普遍存在可靠性差、運行效率低及能耗高等問題，無法滿足資源節(jié)約型社會建設(shè)與水利現(xiàn)代化發(fā)展的要求[3-5]。

針對水泵中易發(fā)生磨蝕的泵殼、葉輪和口環(huán)三大過流部件，本文開展了大量相關(guān)抗磨技術(shù)研究，研發(fā)了聚氨酯彈性體、復(fù)合樹脂砂漿、金屬熱噴涂、硬質(zhì)合金等技術(shù)，提出了一整套磨蝕綜合防護技術(shù)，并在揚黃灌排泵站進行大量推廣和應(yīng)用，使用效果良好，有效保障水泵在高效區(qū)長期穩(wěn)定運行，達到了提高泵站裝置效率和降低泵站運行費用的目的。

1 揚黃灌排水泵磨蝕情況

1.1 揚黃灌排水泵泵殼磨蝕情況

水泵泵殼磨蝕主要發(fā)生在螺旋壓水室中兩邊靠近密封環(huán)處，出現(xiàn)3～10 mm魚鱗坑，表面損失厚度達3～5 mm；水泵中開面鑄造結(jié)構(gòu)空腔附近，高壓腔與低壓腔出現(xiàn)貫通溝槽，深 3～5 mm，寬5～15 mm；泵體隔舌出現(xiàn)汽蝕溝槽，嚴重時縮短60 mm，如圖1所示。

圖1 水泵泵殼磨蝕圖

1.2 揚黃灌排水泵葉輪磨蝕情況

葉輪是水泵最易破壞的過流部件，清水泵葉輪一般為鑄鐵材質(zhì)，抗磨蝕性能較差，在西北地區(qū)揚黃灌溉泵站特殊的水源條件和長周期、大負荷運行方式下運行，葉輪進出口葉片及側(cè)蓋板磨損變薄，多處穿孔、葉片端部出現(xiàn)寬20～100 mm、深20～50 mm的U型缺失（圖2所示），導(dǎo)致葉輪使用壽命短，磨損嚴重后一般做報廢處理，每年更換比例達34%，大大降低了水泵出水效率，影響正常安全運行，同時增加了水機檢修成本。

圖2 水泵葉輪磨蝕情況

1.3 揚黃灌排水泵口環(huán)磨蝕情況

水泵口環(huán)間泄漏損失是引起水泵效率下降的根本因素。水泵的口環(huán)磨蝕（圖3）成為制約水泵高效節(jié)能運行的難題和熱點，高速含沙水流對口環(huán)的摩擦和該環(huán)與葉輪進口處及泵殼相互摩擦使金屬表面保護層被沖刷掉，使水泵效率下降嚴重，導(dǎo)致整個泵站系統(tǒng)引水效率下降，增加了用電量；當(dāng)損壞到漏水量太大時，就要更換，導(dǎo)致泵站維修養(yǎng)護成本增加。

圖3 水泵口環(huán)磨蝕情況

2 揚黃灌排水泵磨蝕原因分析

水泵磨蝕的成因主要為：一是黃河高含沙水流磨損，而目前水泵及易損件均按照清水介質(zhì)進行設(shè)計和制造，材質(zhì)抵御磨蝕破壞能力較差；二是泵站揚程較高，易產(chǎn)生汽蝕。根據(jù)近5年含沙量數(shù)據(jù)統(tǒng)計，黃河清水期平均含沙量達4.7～7.21 kg/m3，汛期達到70～96 kg/m3，最高時曾達到 382 kg/m3，隨著含沙量增加，水泵的過流部件的磨蝕使水泵壽命大大縮短，具有棱角的沙粒在與金屬表面沖擊力作用下，因其尖角與金屬表面接觸面積小，會產(chǎn)生相當(dāng)大的沖擊力，在過流部件表面上形成微細劃痕，經(jīng)泥沙反復(fù)作用形成了宏觀的溝槽，由于沙粒運動方向和水流方向基本一致，故劃痕和溝槽也沿水流方向形成。

泥沙磨損后葉輪或泵殼表面溝槽使高速水流速度改變或脫離產(chǎn)生旋渦，旋轉(zhuǎn)水流使溝槽進一步磨損形成坑洼，坑洼處產(chǎn)生脫壁和旋渦進而產(chǎn)生低壓區(qū)和汽蝕，汽蝕引起金屬材料的塑性變形和局部硬化、疲勞進而發(fā)生剝落，金屬表面會呈魚鱗狀。同時，汽泡破裂產(chǎn)生的維射流會帶動泥沙，以極高的壓力朝金屬表面猛烈撞擊形成直接水擊，又將加速磨損。

水泵磨蝕界面以泥沙磨損為主要特征，又有汽蝕的剝蝕特點。泥沙對水泵的危害為泥沙磨損和因泥沙磨損而形成的汽蝕的雙重危害（簡稱水泵的磨蝕）。這一過程最早泥沙磨損是主要的，之后汽蝕因素逐漸增加，而后是泥沙與汽蝕聯(lián)合作用，如此惡性循環(huán)造成水泵嚴重的磨蝕。

因此，磨蝕是泥沙磨損與汽蝕相互作用的結(jié)果，但根本原因是揚程和泥沙問題，即在較高揚程的前提下，泥沙磨損伴生汽蝕，汽蝕又加劇磨損。

3 水泵泵殼磨蝕修復(fù)技術(shù)

目前水泵泵殼磨蝕修復(fù)普遍采用20世紀(jì)70年代研發(fā)的環(huán)氧金剛砂技術(shù)，該技術(shù)在一定程度上緩解揚黃水泵泵殼磨蝕問題，但配方較陳舊，選用的固化劑具有一定毒性，抗磨蝕效果有限，一般水泵使用3～5年就要重新修復(fù)一次，對于高水頭、高效率的水泵抗磨效果差，無法保證水泵一直維持高效率工作。

項目組研發(fā)了聚氨酯復(fù)合樹脂砂漿涂層技術(shù)，該技術(shù)采用胺基材料作固化劑，提高環(huán)氧樹脂剝離強度并降低其脆性，利用聚氨酯材料較強的抗汽蝕性能，形成聚氨酯復(fù)合樹脂砂漿耐磨蝕涂層。該涂層除抗磨性能比環(huán)氧金剛砂涂層提高外，還克服了環(huán)氧金剛砂涂層在水機應(yīng)用中抗汽蝕性能差的缺點，使用壽命可達2～2.5萬h。

項目組于2016年采用復(fù)合樹脂砂漿技術(shù)，對固海長山頭泵站9臺水泵泵殼進行磨蝕修復(fù)，試驗過程及使用效果圖4所示。

圖4 聚氨酯復(fù)合樹脂砂漿技術(shù)修復(fù)水泵泵殼

技術(shù)指標(biāo)：抗壓強度：100～120 MPa；抗拉強度24～28 MPa；彈性模量：15～20 GPa；與母材粘接強度：30～40 MPa；抗沖磨強度：10～15 h（/g/cm2）；空蝕率：0.05～0.1 g/h；抗沖擊強度：23～40 MPa。

4 水泵葉輪磨蝕修復(fù)技術(shù)

4.1 聚氨酯彈性體涂層磨蝕修復(fù)技術(shù)

根據(jù)前期對水泵磨蝕情況調(diào)研分析，并結(jié)合泵站檢修計劃，選定固海大戰(zhàn)場泵站作為水泵葉輪修復(fù)的試驗場地。首次采用聚氨酯彈性體技術(shù)對水泵葉輪進行涂覆，經(jīng)過2年運行，檢查發(fā)現(xiàn)該技術(shù)整體磨蝕防護效果良好，除個別葉片涂層部分脫落外，其余涂層均完好無損，水泵運行效率穩(wěn)定。而同期未做涂層葉輪，經(jīng)過2個汛期飲水后即磨穿無法繼續(xù)使用。

技術(shù)指標(biāo)：抗壓強度：10～20 MPa；抗拉強度40～65 MPa；彈性模量：0.2～0.4 GPa；與母材粘接強度：30～40 MPa；抗沖磨強度：＞20 h（/g/cm2）；空蝕率：＜0.025 g/h；抗沖擊強度：＞100 MPa。

4.2 超音速火焰噴涂磨蝕預(yù)防護技術(shù)

對于新出廠的水泵葉輪，采用超音速火焰噴涂技術(shù)進行磨蝕預(yù)防護，該技術(shù)利用專門的噴涂設(shè)備燃料氣體（氫氣、丙烷、丙烯或MAPP）與高壓氧氣在特制的燃燒室內(nèi)，將粉末狀加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，通過高速氣流使其霧化，以較高的速度撞擊預(yù)處理過的基體表面，沉積而形成表面涂層的一種技術(shù)。如采用碳化鎢材料為防護材料，其結(jié)合強度大于70 MPa，表面硬度大于1 100 HV，表面抗磨能力比OCr13Ni4Mo高70倍以上，其抗汽蝕能力與OCr13Ni4Mo相當(dāng)。

項目組采用超音速噴涂技術(shù)，于2016年對固海大戰(zhàn)場和古城2個泵站的水泵的葉輪和口環(huán)進行噴涂，并進行安裝，經(jīng)過3 000 h運行后，檢查使用效果良好，如圖5所示。

圖5 超音速火焰噴涂技術(shù)在水泵葉輪上的應(yīng)用效果

5 水泵口環(huán)磨蝕防護技術(shù)

5.1 聚氨酯密封外口環(huán)

項目組通過優(yōu)選高抗磨蝕聚氨酯材料，并進行改性，使其抗撕裂、耐老化和防水等性能大大提高。為了增加聚氨酯材料與口環(huán)的粘接性能，需要對口環(huán)進行機械加工，保證兩者之間可靠結(jié)合，按照嚴格的工藝流程，制備鋼塑復(fù)合揚黃水泵耐磨口環(huán)，如圖6所示。

圖6 聚氨酯外口環(huán)改造

5.2 硬質(zhì)合金內(nèi)口環(huán)

采用先進的硬質(zhì)合金厚膜被覆技術(shù)，制備內(nèi)口環(huán)涂層。選擇以鎳基為基礎(chǔ)的硬質(zhì)合金，加入適量硼、硅和其他元素后，可在HRC25～HRC65之間調(diào)節(jié)硬度，使用熱噴涂設(shè)備將耐磨金屬粉末涂布于工件表面，完成涂層的初步成形，之后采用低頻渦流加熱將涂層加熱至1 000～1 050℃，使涂層與基材之間形成高強度冶金結(jié)合，確保涂層于后續(xù)機械加工及長期運轉(zhuǎn)使用下不發(fā)生脫落。經(jīng)過高溫處理后的涂層結(jié)構(gòu)具強韌性，內(nèi)部組織出現(xiàn)大量均勻散布的細微硬質(zhì)顆粒，涂層硬度可達HRC58以上，使涂層具有良好的耐磨、耐汽蝕性能。

圖7 硬質(zhì)合金內(nèi)口環(huán)在水泵上的應(yīng)用效果

6 結(jié)論

本文針對我國西北揚黃灌排水泵泵殼、葉輪、口環(huán)等過流部件因磨蝕嚴重導(dǎo)致效率低和能耗高等問題，研發(fā)及應(yīng)用聚氨酯彈性體、復(fù)合樹脂砂漿、金屬熱噴涂及硬質(zhì)合金等技術(shù)，在揚黃灌排泵站進行大量推廣和應(yīng)用，使用效果顯著，形成了一整套磨蝕綜合技術(shù)方案：

（1）針對水泵泵殼，采用聚氨酯復(fù)合樹脂砂漿技術(shù)進行磨蝕修復(fù)或出廠預(yù)防護；

（2）針對水泵葉輪，采用超音速噴涂技術(shù)或聚氨酯彈性體涂層技術(shù)進行磨蝕修復(fù)或出廠預(yù)防護；

（3）針對水泵外口環(huán)，采用澆筑的方式，制造出高抗磨聚氨酯外口環(huán)；針對水泵內(nèi)口環(huán)，采用硬質(zhì)合金厚膜被覆技術(shù)，制備硬質(zhì)合金內(nèi)口環(huán)。