三門峽黃河明珠（集團(tuán)）有限公司 張武斌

華北水利水電學(xué)院電力學(xué)院 任 巖

1.引言

多泥沙河流水電站的水輪機(jī)，都不同程度地受到泥沙磨蝕的危害。為了增強(qiáng)機(jī)組的抗磨蝕能力，許多電站經(jīng)過多年的探索，在水輪機(jī)過流部件的表面防護(hù)方面，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究[1-3]。對(duì)原型水輪機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用了各種材料進(jìn)行表面防護(hù)，其中，聚氨酯是一種高強(qiáng)度的彈性非金屬材料，具有耐磨、耐水、強(qiáng)度高、彈性大等特點(diǎn)，同時(shí)，具有良好的彈性和韌性[4]，可以吸收泥沙顆粒的沖擊，抗磨效果好，但是，在與水輪機(jī)的粘結(jié)方面也有一定的技術(shù)難度[5]。因此，本文對(duì)聚氨酯在水輪機(jī)的抗磨蝕方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并得出結(jié)論，對(duì)聚氨酯在水輪機(jī)磨蝕防護(hù)中的應(yīng)用起到了技術(shù)指導(dǎo)和參考作用。

2.聚氨酯對(duì)水輪機(jī)的抗磨蝕效果

2.1 聚氨酯材料施工工藝

聚氨酯材料是一種強(qiáng)度較高的彈性高分子有機(jī)材料，試驗(yàn)室試驗(yàn)有接近不銹鋼的抗空蝕指標(biāo)，抗磨蝕性能為普通鑄鐵的22～24倍。該種材料施工工藝技術(shù)要求較高，需要專門的施工隊(duì)伍；而且原材料和粘合劑在工廠生產(chǎn)時(shí)，要求對(duì)質(zhì)量指標(biāo)嚴(yán)格控制，使材料的化學(xué)、力學(xué)指標(biāo)盡量接近實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的質(zhì)量；同時(shí)，在施工過程中，由于其粘度、流動(dòng)性等不穩(wěn)定因素，給施工造成了困難。同時(shí)，需有專門的設(shè)備，工藝較復(fù)雜，施工需作專用的模具。其施工流程如圖1。

2.2 澆注型聚氨酯在水輪機(jī)上的抗磨蝕效果

J2澆注型聚氨酯對(duì)于水輪機(jī)的抗磨蝕效果：J2—聚氨酯在陜西綏德縣水電站進(jìn)行了試用，在平均含沙量48.28kg/m3，最大含沙量841kg/m3，最小含沙量0.48kg/m3情況下，運(yùn)行5170h后，以SE822和SE821為粘合劑的涂層葉片上的保護(hù)層全部完好。機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行到12313h，歷時(shí)三年半、四個(gè)汛期，以SE821為粘合劑的涂層，葉片正面脫落2.72%、背面脫落28%。而以SE822為粘合劑的涂層，葉片正面涂層基本完好、背面脫落僅0.2%。如表1所示為幾種聚氨酯涂層對(duì)不同水電站水輪機(jī)的抗磨蝕效果比較。

2.2.1 聚氨酯涂層在大型軸流式水輪機(jī)上的防護(hù)效果

在青銅峽的應(yīng)用：在頂蓋、底環(huán)、抗磨板、導(dǎo)葉密封處磨蝕嚴(yán)重；采用聚氨酯材料中間帶鋼骨架的抗磨板，抗磨效果很好，這種抗磨板具有良好的彈性和韌性，可以吸收泥沙顆粒的沖擊，減少磨損；采用整體澆注的密封條很好解決了導(dǎo)水葉立面間隙的磨蝕問題，用這種材料做成的V型密封用在導(dǎo)水葉立面，實(shí)現(xiàn)了立面無(wú)間隙，避免了導(dǎo)葉立面密封面的空蝕與磨損。

表1 幾種聚氨酯涂層對(duì)水輪機(jī)的抗磨蝕效果

表2 不同涂層的耐磨性能—磨蝕強(qiáng)度（10-3cm3/h）

圖1 聚氨酯材料施工工藝流程圖

圖2 聚氨酯在葉片背面外緣區(qū)脫落

圖3 聚氨酯在葉片背面頭部三角區(qū)脫落

圖4 葉片正面涂層的脫落

圖5 導(dǎo)葉上的聚氨酯涂層

圖6 泄水錐上的聚氨酯涂層

三門峽1#機(jī)新轉(zhuǎn)輪應(yīng)用聚氨酯涂層情況：

三門峽電站1#機(jī)于2000年12月改造完成，使用由德國(guó)VOITH公司設(shè)計(jì)、上海?？乒局圃斓腪ZK-7型新轉(zhuǎn)輪，為防止泥沙磨蝕，對(duì)水輪機(jī)的過流部件進(jìn)行了表面防護(hù)。在大部分的葉片、中環(huán)等關(guān)鍵部位實(shí)行WC高速火焰噴涂之外，在水輪機(jī)導(dǎo)水葉、轉(zhuǎn)輪體上圍板圓柱表面、泄水錐表面等處涂聚氨酯材料進(jìn)行保護(hù)。

此外，部分轉(zhuǎn)輪葉片在硬涂層的基礎(chǔ)上又增加了聚氨酯涂層，例如6#葉片正背面，3#葉片正面外緣400mm寬范圍。機(jī)組重新投運(yùn)后的2001年汛前，機(jī)組運(yùn)行800h，軟涂層已經(jīng)出現(xiàn)較嚴(yán)重?fù)p傷與脫落，導(dǎo)水葉上7#、8#導(dǎo)水葉涂層脫落嚴(yán)重，其余出現(xiàn)局部撕裂。3#、6#葉片的軟涂層在葉片頭部、外緣嚴(yán)重脫落。（見圖2-圖6）。

汛前，對(duì)撕裂的軟涂層進(jìn)行了清除，汛后檢查發(fā)現(xiàn)，軟涂層的脫落進(jìn)一步加劇，導(dǎo)水葉上的軟涂層，除兩個(gè)導(dǎo)葉基本完好外，其余導(dǎo)葉均出現(xiàn)大面積脫落，以頭部最為嚴(yán)重，已經(jīng)露出母材。6#葉片背面300mm范圍內(nèi)的軟涂層幾乎全部脫落，正面頭部300×1000mm2范圍基本全部脫落。泄水錐軟涂層部分脫落。

汛期后，對(duì)脫落的軟涂層進(jìn)行了修復(fù)，重新涂聚氨酯，但到2002年汛期后檢查時(shí)，葉片上的軟涂層又嚴(yán)重脫落，導(dǎo)水葉上的軟涂層除進(jìn)水邊外其它部位基本完好。從三門峽1#機(jī)的情況看，聚氨酯涂層在導(dǎo)葉上的防護(hù)有較好的效果，在葉片上的防護(hù)時(shí)間較短暫。但是，作為葉片硬涂層的局部修復(fù)有一定的防護(hù)效果。

2.2.2 聚氨酯在混流式水輪機(jī)上的使用效果

萬(wàn)家寨水輪機(jī)的聚氨酯涂層防護(hù)效果：萬(wàn)家寨電站的水輪機(jī)為混流式，為了防止水輪機(jī)過流部件可能發(fā)生的空蝕和磨損，在部分水輪機(jī)的導(dǎo)水葉、葉片上涂以聚氨酯為底層、加入TiNi高硬顆粒的“耐爾久”軟涂層，有的機(jī)組葉片上使用了碳化硅環(huán)氧復(fù)合涂層，1#機(jī)導(dǎo)水葉的軟涂層運(yùn)行41天后開始脫落，4#機(jī)經(jīng)過72h試運(yùn)行轉(zhuǎn)輪上的軟涂層幾乎全部脫落，6#機(jī)經(jīng)72h試運(yùn)行后，固定導(dǎo)葉和尾水管I段的軟涂層大部分脫落，總體看，“耐爾久”聚氨酯涂層在萬(wàn)家寨的應(yīng)用是不成功的。

小浪底水輪機(jī)的聚氨酯防護(hù)效果：小浪底電站在水輪機(jī)固定導(dǎo)葉、尾水管錐管實(shí)行聚氨酯涂層防護(hù)，從6#機(jī)的運(yùn)行情況看，涂層運(yùn)行1330h內(nèi)涂層完好；運(yùn)行8075h后，各機(jī)組軟涂層的情況差異較大，1#、2#機(jī)涂層完好，3#機(jī)尾水管錐管進(jìn)口處產(chǎn)生局部層間剝落，4#機(jī)最嚴(yán)重，占涂層面積的13.7%，5#、6#機(jī)涂層脫落較少?？傮w情況看。小浪底電站使用聚氨酯涂層在固定導(dǎo)葉上的防護(hù)效果是較明顯的。

2.3 聚氨酯涂層脫落或撕裂的原因分析

（1）硬物割傷：材料的硬度低，易于被尖銳硬物割傷，汛期水流夾帶大的尖銳石塊、樹根等異物以較高的速度撞擊導(dǎo)葉的進(jìn)水邊（頭部），使軟涂層被割傷，一旦出現(xiàn)破口，相鄰?fù)繉訉⒑苋菀妆凰毫?。這可能是在導(dǎo)水葉頭部的涂層普遍存在脫落、撕裂現(xiàn)象的原因所在。

（2）與母材粘接強(qiáng)度不夠：因此在強(qiáng)空化區(qū)，在脈動(dòng)的負(fù)壓的長(zhǎng)期作用下，底層產(chǎn)生剝離，造成涂層脫落。這是葉片背面空化區(qū)涂層脫落的重要原因。

（3）空化擊穿：空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生上千大氣壓的微射流，反復(fù)作用于涂層表面，當(dāng)涂層厚度不足時(shí)，沖擊力將擊穿彈性涂層，到達(dá)金屬表面，破壞粘接層，引起軟涂層脫落。根據(jù)謝篤祜的研究，抗空蝕擊穿的安全厚度為3mm。

（4）粘接層的老化（疲勞破壞）：萬(wàn)家寨經(jīng)驗(yàn)表明，使用初期的涂層脫落很少，2000h內(nèi)基本不脫落，但隨著時(shí)間的推移，脫落強(qiáng)度相應(yīng)加大。

3.結(jié)論

（1）聚氨酯涂層在實(shí)驗(yàn)室條件下表現(xiàn)出良好的抗磨蝕性能

在實(shí)驗(yàn)室中，試驗(yàn)條件為轉(zhuǎn)盤磨蝕臺(tái)，圓周線速45m/s的條件下，不同涂層的耐磨性能（即磨蝕強(qiáng)度）的分析比較如表2所示，由此可以得出，聚氨酯涂層在實(shí)驗(yàn)室條件下表現(xiàn)出良好的抗磨蝕性能。

（2）在小型機(jī)組葉片上有較好的防護(hù)效果

聚氨酯材料在小型機(jī)組的葉片磨蝕防護(hù)上有良好的表現(xiàn)。在陜西綏德電站（機(jī)組為ZD661-LH-120，容量800kW）、四川永安的脫落率都較低，甚至運(yùn)行上萬(wàn)小時(shí)后仍大部完好。特別是以SE821、SE822為粘接劑的澆注型聚氨酯性能良好。

（3）在大型機(jī)組固定過流部件上有較好的防護(hù)效果

三門峽、青銅峽、小浪底、萬(wàn)家寨等大中型電站都用聚氨酯材料作為導(dǎo)水葉、座環(huán)支柱、轉(zhuǎn)輪體等固定過流部件的磨蝕防護(hù)，除了進(jìn)水邊因硬物撞擊、割傷等造成撕裂、脫落外，其他區(qū)域涂層一般完好。

（4）粘接劑是關(guān)鍵之一

全國(guó)水力機(jī)械抗泥沙磨蝕試驗(yàn)總站根據(jù)1979～1985年6年間在陜西綏德電站的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)得出結(jié)論：聚氨酯橡膠作為水輪機(jī)抗磨蝕保護(hù)材料成敗的關(guān)鍵是涂層與水輪機(jī)基材的粘合強(qiáng)度和耐水性，山西省水科所研究的SE821SE822及改進(jìn)的SE861粘合劑具有較好的性能，因此，應(yīng)用這種粘合劑的聚氨酯涂層保護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)，不易脫落。

（5）安全厚度須保證

聚氨酯涂層必須具有一定的厚度才能抵抗由硬物撞擊或空化氣泡潰滅所產(chǎn)生的沖擊壓力，使沖擊力不能達(dá)到粘接層。一旦粘接層被破壞，涂層就會(huì)脫落。根據(jù)謝篤祜的研究，在水頭不高、空化強(qiáng)度不大情況下，抗空蝕擊穿的安全厚度為3mm，如果水頭較高，空蝕強(qiáng)度較大，則安全厚度須大于3mm。

（6）強(qiáng)空化和尖銳硬物割傷是涂層脫落的主因

三門峽等電站在導(dǎo)水葉等固定部件上使用聚氨酯涂層，在進(jìn)水邊頭部經(jīng)常發(fā)生撕裂脫落，與汛期水流中含有石塊、樹根等尖銳、堅(jiān)硬物體有關(guān)，聚氨酯的抗磨性能雖然較好，但機(jī)械強(qiáng)度較差，易于被劃傷，一旦局部被劃傷，相鄰區(qū)域就會(huì)被撕裂。強(qiáng)空化區(qū)空化擊穿，使粘接層被破壞，造成涂層脫落。

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