聚氨酯復(fù)合樹脂砂漿在固海揚(yáng)水泵站泵殼磨蝕防護(hù)中的應(yīng)用

溫鴻浦，張 雷，郭維克

(1. 寧夏固海揚(yáng)水管理處，寧夏 中寧 755100；2. 黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，鄭州 450003)

0 引 言

揚(yáng)黃灌溉是寧夏引黃灌溉系統(tǒng)的重要組成部分[1]，在寧夏中部干旱帶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中發(fā)揮著巨大作用，寧夏已建成的大、中、小型揚(yáng)黃工程達(dá)300余處，安裝主水泵1 000多臺，僅固海、固海擴(kuò)灌、紅寺堡、鹽環(huán)定4個規(guī)模較大的揚(yáng)水工程總裝機(jī)容量就達(dá)到38 萬kW、流量77.2 m3/s、灌溉面積14.67萬hm2。其中寧夏固海揚(yáng)水工程是全國最大的公益性扶貧揚(yáng)黃工程，也是全國灌溉面積最大的揚(yáng)黃工程，現(xiàn)運(yùn)行泵站29座，安裝主機(jī)組198臺(套)，總裝機(jī)容量20.26 萬kW，變電所25座，渠道468 km，各類水工建筑物1 637座，總設(shè)計(jì)流量41.2 m3/s，年均引水量4.5 億m3，工程年均運(yùn)行180 d左右。固海灌區(qū)位于寧夏中南部清水河流域中下游河谷川源，屬中部干旱帶少數(shù)民族聚居地區(qū)，灌區(qū)涉及吳忠市同心縣、紅寺堡開發(fā)區(qū)，中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)、中寧縣、海原縣，固原市原洲區(qū)，國營長山頭機(jī)械化農(nóng)場和中衛(wèi)山羊場等3市6縣(區(qū))2場。設(shè)計(jì)灌溉面積5.47 萬hm2?，F(xiàn)狀總灌溉面積11.376 萬hm2。灌區(qū)受益人口64萬，牛羊等家畜30萬頭。工程通過29座泵站將黃河水源源不斷的輸送到干旱、荒漠地區(qū)，極大緩解了自治區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展壓力，在解決寧夏中部干旱缺水，促進(jìn)生態(tài)移民扶貧開發(fā)、區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，維護(hù)少數(shù)民族地區(qū)穩(wěn)定等方面發(fā)揮著極為重要的作用。

高含沙量的取水條件導(dǎo)致固海揚(yáng)水泵站每年4月份大修的水泵運(yùn)行到8月份秋灌結(jié)束[2]，運(yùn)行時(shí)數(shù)僅3 000 h左右，水泵平均單機(jī)提水量就會下降10%以上，裝置效率下降3%～6%，部分泵體、泵蓋嚴(yán)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(yán)重，水泵填料幾乎每運(yùn)行7 d左右就需更換一次；壓力管由于泥沙的磨損管壁厚度會減少30%～40%，運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生穿孔、刺水及爆裂等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響泵站運(yùn)行效率的同時(shí)，額外增加了機(jī)電設(shè)備維修費(fèi)用及檢修人員工作量。固海揚(yáng)水工程每年因設(shè)備磨損更新、維修費(fèi)用達(dá)到220萬元以上，由于設(shè)備嚴(yán)重磨損致使提水量下降造成的經(jīng)濟(jì)損失在500萬元以上[3, 4]。

針對水泵中易發(fā)生磨蝕的關(guān)鍵過流部件，固海揚(yáng)水管理處與黃河水利科學(xué)研究院合作，利用其研發(fā)的聚氨酯復(fù)合樹脂砂漿涂層技術(shù)，率先在固海長山頭泵站進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過一年運(yùn)行后，檢查發(fā)現(xiàn)涂層效果明顯，為引黃泵站和水泵制造廠家解決水泵磨蝕問題提供了借鑒和參考。

1 揚(yáng)黃灌排水泵泵殼磨蝕情況

泵殼磨蝕主要發(fā)生在螺旋壓水室中兩邊靠近密封環(huán)處和隔舌處，泵蓋壓水室兩側(cè)靠近泵體密封環(huán)端部的流道表面，汽蝕痕跡是均勻的蜂窩麻面，且沿泄流軌跡越靠近泵體密封環(huán)汽蝕痕跡越明顯；隔舌部位沿出口流道方向磨蝕嚴(yán)重，嚴(yán)重時(shí)隔舌縮短，如圖1所示。

圖1 水泵泵殼磨蝕圖

分析水泵泵殼磨蝕的原因[5]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(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，材質(zhì)抵御磨蝕破壞能力較差；二是泵站揚(yáng)程較高，易產(chǎn)生汽蝕。在高含沙量泥沙的磨損與高揚(yáng)程的汽蝕相互作用下，導(dǎo)致水泵關(guān)鍵過流部件磨蝕嚴(yán)重，因此，亟需采用新型綜合抗磨技術(shù)對揚(yáng)黃灌排水泵主要過流部件進(jìn)行修復(fù)處理，達(dá)到提高泵站裝置效率和降低泵站運(yùn)行費(fèi)用的目的。

2 聚氨酯復(fù)合樹脂砂漿特性試驗(yàn)

目前水泵泵殼磨蝕修復(fù)仍沿用20世紀(jì)70年代研發(fā)的環(huán)氧金剛砂技術(shù)[6, 7]，該技術(shù)一定程度上緩解了揚(yáng)黃水泵泵殼磨蝕問題，但配方較陳舊，固化劑具有一定毒性，抗磨蝕防護(hù)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、高效率的水泵抗磨蝕效果差，無法保證水泵長期保持高效率工作。

鑒于此，項(xiàng)目組研發(fā)了聚氨酯復(fù)合樹脂砂漿涂層技術(shù)，以胺基材料作固化劑，提高環(huán)氧樹脂黏接強(qiáng)度并降低其脆性，利用聚氨酯材料較強(qiáng)的抗汽蝕性能，形成聚氨酯復(fù)合樹脂砂漿耐磨涂層。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(jī)應(yīng)用中抗汽蝕性能差的缺點(diǎn)。

2.1 復(fù)合樹脂砂漿基本力學(xué)性能試驗(yàn)

參照《環(huán)氧樹脂砂漿技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5193-2004)，開展了復(fù)合樹脂砂漿的抗壓、抗折、拉伸、黏接和抗沖擊等力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，其中，1號樣為聚醚胺固化的復(fù)合樹脂砂漿，2號樣為芳胺固化的復(fù)合樹脂砂漿，3號樣為直鏈脂肪胺與芳胺復(fù)配固化的復(fù)合樹脂砂漿，4、5號樣為直鏈脂肪胺固化的復(fù)合樹脂砂漿。

表1 不同固化體系復(fù)合樹脂砂漿力學(xué)性能

從表1可以看出，雖然加入了柔韌劑，但直鏈脂肪胺固化的復(fù)合樹脂砂漿均出現(xiàn)斷裂情況，說明該固化體系的復(fù)合樹脂砂漿較脆，抗沖擊韌性較差。聚醚胺、芳胺等固化體系的抗沖擊性能均較好，10 kg落錘沖擊200次均未破壞，說明聚醚胺、芳胺固化劑均起到了提高復(fù)合樹脂砂漿韌性的作用，得到了高抗沖擊性能的復(fù)合樹脂砂漿。

2.2 復(fù)合樹脂砂漿抗沖磨性能試驗(yàn)

開展了對鋼板、常溫環(huán)氧砂漿和復(fù)合樹脂砂漿的抗沖磨性能進(jìn)行試驗(yàn)研究與評價(jià)，試驗(yàn)條件為：兩種沖磨角度分別為30°和60°，沖磨噴砂速度不小于25 m/s。通過沖磨質(zhì)量損失來反映不同材料在特定沖磨條件下的抗沖耐磨性能，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2中可以看出，聚氨酯復(fù)合樹脂砂漿比普通環(huán)氧砂漿的抗沖磨性能大大提高。

表2 試件沖磨質(zhì)量損失

3 固海長山頭泵站水泵泵殼磨蝕防護(hù)試驗(yàn)

固海長山頭泵站位于中寧縣大戰(zhàn)場鎮(zhèn)，是固海揚(yáng)水工程的第三級泵站。泵站裝機(jī)9臺套(7大+2小)，容量20 300 kW，設(shè)計(jì)流量18.7 m3/s，總揚(yáng)程58.6 m，凈揚(yáng)程55 m。固海三干渠長11.5 km。泵站1～6號、8號水泵型號為KQSN1200-M14/1095，設(shè)計(jì)單機(jī)流量3.06 m3/s，7號、9號水泵型號為KQSN800-M10/1058，設(shè)計(jì)單機(jī)流量為1.56 m3/s，由上海凱泉泵業(yè)有限公司生產(chǎn)。水泵經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行，其磨損、沖刷、汽蝕破損現(xiàn)象嚴(yán)重，水泵出水蝸殼磨損深度可達(dá)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(yán)重，致使水泵內(nèi)損失增大，運(yùn)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。

鑒于此，根據(jù)前期調(diào)研情況，結(jié)合泵站檢修計(jì)劃及水泵磨蝕情況，利用研發(fā)聚氨酯復(fù)合樹脂砂漿涂層技術(shù)，于2016年對固海長山頭泵站9臺水泵泵殼進(jìn)行磨蝕修復(fù)，防護(hù)面積約36 m2(表3)，試驗(yàn)過程如圖2所示。

表3 水泵泵殼磨蝕修復(fù)試驗(yàn)

圖2 復(fù)合樹脂砂漿修復(fù)磨蝕嚴(yán)重的水泵泵殼

4 應(yīng)用效果分析

經(jīng)過一年運(yùn)行，停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)聚氨酯復(fù)合砂漿完好無損，如圖3所示。對水泵泵殼起到了有效保護(hù)作用，通過對水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，水泵保持高效運(yùn)轉(zhuǎn)，效率未見明顯下降，而同期未做磨蝕防護(hù)的水泵泵殼，已經(jīng)出現(xiàn)磨蝕，水泵運(yùn)行效率下降3%～6%。

圖3 運(yùn)行使用一年后效果

5 結(jié) 語

本文針對固海揚(yáng)水工程水泵泵殼因磨蝕嚴(yán)重導(dǎo)致效率低、能耗高等問題，與黃河水利科學(xué)研究院合作，利用其研發(fā)的聚氨酯復(fù)合樹脂砂漿涂層技術(shù)，在固海長山頭泵站進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過一年運(yùn)行后，檢查發(fā)現(xiàn)涂層效果明顯，水泵運(yùn)行效率長期保持穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期試驗(yàn)?zāi)康?，該技術(shù)為引黃泵站和水泵制造廠家解決水泵葉輪汽蝕問題提供了借鑒和參考。

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