(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

1 概 述

取水泵站的泥沙磨損問(wèn)題無(wú)法避免，水泵過(guò)流部件的磨損和汽蝕破壞導(dǎo)致泵站出水量減少、效率降低、能耗升高等諸多問(wèn)題，不僅影響提水灌溉，而且水泵過(guò)流部件損壞修復(fù)頻繁，使得水泵的運(yùn)行周期縮短，維修工期延長(zhǎng)，維修費(fèi)用增多，泵站運(yùn)營(yíng)效益降低[1-2]。目前常用的減少水泵過(guò)流部件磨蝕破壞的方法為在其表面涂覆抗磨材料，抗磨材料分為金屬材料和非金屬材料兩種。在金屬材料方面，高強(qiáng)度不銹鋼材料是水力機(jī)械抗磨蝕的最佳基材，但不銹鋼價(jià)格昂貴并且易受疲勞而斷裂，加之修復(fù)工藝復(fù)雜，廣泛應(yīng)用受到限制。在非金屬材料方面，有EP金剛砂、S80、聚氨酯(PU)橡膠、熱噴涂尼龍和高分子聚乙烯等材料[3]。與金屬材料相比，非金屬材料具有修復(fù)工藝簡(jiǎn)便、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，有著更廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

山西省中部引黃工程是山西省“十二五”規(guī)劃大水網(wǎng)建設(shè)的一項(xiàng)重要工程，其取水泵站的抗泥沙磨損問(wèn)題是當(dāng)前亟須解決的一項(xiàng)技術(shù)難題。為保障中部引黃取水泵站的高效安全運(yùn)行，本文在實(shí)驗(yàn)室對(duì)非金屬抗磨材料的配方進(jìn)行了優(yōu)選，通過(guò)室內(nèi)噴涂試驗(yàn)、抗磨試驗(yàn)篩選出了能夠滿足試驗(yàn)要求的非金屬抗磨材料組合。試驗(yàn)結(jié)果可為水泵葉輪的防護(hù)修復(fù)提供一種可行方案。

2 水泵葉輪耐磨對(duì)比試驗(yàn)儀的研制

通過(guò)對(duì)抗磨涂料的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，優(yōu)選能滿足試驗(yàn)要求的涂料配比，然后對(duì)涂料耐磨性能進(jìn)行試驗(yàn)。抗磨涂料擬通過(guò)噴涂工藝涂覆于小型水泵葉輪表面，在室內(nèi)裝配后在一定的含沙水流條件下進(jìn)行對(duì)比性耐磨試驗(yàn)，以優(yōu)選耐磨性好的抗磨涂料。

水泵葉輪耐磨測(cè)試的現(xiàn)有技術(shù)中，多個(gè)水泵葉輪的磨損測(cè)試總是不能保證在完全相同的沖磨條件下進(jìn)行，測(cè)試出的結(jié)果誤差較大，而且對(duì)比效果不明顯，因此需要一種可以使兩個(gè)或多個(gè)水泵葉輪在相同沖磨條件下進(jìn)行葉輪耐磨性對(duì)比的試驗(yàn)設(shè)備。為了比選不同涂層葉輪在一定工況下的耐磨性能，擬開發(fā)制作一種水泵葉輪耐磨對(duì)比試驗(yàn)儀。該試驗(yàn)儀主要解決對(duì)比試驗(yàn)中工況參數(shù)無(wú)法保證一致的問(wèn)題。

該水泵葉輪耐磨對(duì)比試驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)如下(見圖1)：制作一個(gè)圓柱形試驗(yàn)容器，圓柱形試驗(yàn)容器桶壁上開口處設(shè)置有若干個(gè)U形輸水管道，每個(gè)U形輸水管道一端伸入圓柱形試驗(yàn)容器，另一端位于圓柱形試驗(yàn)容器外側(cè)，伸入的部分延伸至圓柱形試驗(yàn)容器中部，位于外側(cè)的部分延伸至圓柱形試驗(yàn)容器中下部，并通過(guò)流量計(jì)與出水管連接，上述出水管上還設(shè)置有一個(gè)出水閥門，出水管由連接件與水泵的出水口連接，水泵的進(jìn)水口與進(jìn)水管連接，進(jìn)水管伸入圓柱形試驗(yàn)容器的下部，進(jìn)水管與圓柱形試驗(yàn)容器密封固定，進(jìn)水管上還設(shè)置有一個(gè)進(jìn)水閥門。每個(gè)U形輸水管道伸入圓柱形試驗(yàn)容器的端口處各自安裝有直角彎頭，每個(gè)直角彎頭的出水口方向與圓柱形試驗(yàn)容器的切線平行。

圖1 水泵葉輪耐磨對(duì)比試驗(yàn)儀示意圖1—水泵；2—水泵出水口；3—流量計(jì)；4—U形導(dǎo)管；5—筒體；6—直角彎頭；7—止水閥；8—水泵進(jìn)水口；9—固定卡銷；10—止水閥

該水泵葉輪耐磨對(duì)比試驗(yàn)儀是為了對(duì)水泵內(nèi)的葉輪進(jìn)行磨損效果的對(duì)比而研制的，主要結(jié)構(gòu)為圓柱形試驗(yàn)容器，該容器為沖磨液的循環(huán)容器，為了進(jìn)行對(duì)比性試驗(yàn)，在圓柱形試驗(yàn)容器的桶壁開口處設(shè)置有若干個(gè)U形輸水管道分別用若干個(gè)相同型號(hào)的水泵循環(huán)沖磨液，測(cè)試水泵葉輪的磨損情況，而每個(gè)U形輸水管道都是一端伸入圓柱形試驗(yàn)容器，另一端位于試驗(yàn)圓柱形容器外側(cè)。伸入的一端在水泵的作用下向外噴液，位于容器外側(cè)的是輸送沖磨液的管道，它的端口通過(guò)流量計(jì)與出水管連接，出水管通過(guò)連接件與水泵的出水口連接，連接件即為常規(guī)的水泵出水口與出水管連接的工具，水泵將沖磨液輸送至出水管，通過(guò)流量計(jì)計(jì)量輸送的液體量，然后沖磨液進(jìn)入U(xiǎn)形輸水管道，從伸入容器的端口噴出，在該端口處U形輸水管道各自安裝有直角彎頭，用于改變噴液的方向使其沿容器內(nèi)壁切線方向噴出，使得噴出的沖磨液對(duì)容器中的液體有一定的沖擊力，保證容器內(nèi)液體濃度不變，在容器的下部位置開有與U形輸水管道數(shù)量對(duì)應(yīng)的出液口，水泵的進(jìn)水口與進(jìn)水管連接，而進(jìn)水管延伸進(jìn)入出液口，出液口與水泵進(jìn)水管道黏結(jié)密封。在水泵的作用下，往外抽沖磨液，沖磨液經(jīng)過(guò)水泵，進(jìn)入出水管，如此循環(huán)往復(fù)，在出水管和進(jìn)水管上均設(shè)置有閥門，可以對(duì)出水和進(jìn)水的量進(jìn)行控制。本試驗(yàn)裝置具體操作為：將做耐磨對(duì)比試驗(yàn)的若干個(gè)葉輪(涂覆抗磨涂層和未涂覆抗磨涂層)分別對(duì)應(yīng)裝入若干個(gè)水泵的固定位置對(duì)比耐磨效果；在圓柱形試驗(yàn)容器內(nèi)加入一定濃度的沖磨液到適量，然后將水泵打開，同時(shí)打開并調(diào)整各自的閥門，控制進(jìn)出水量，并通過(guò)流量計(jì)來(lái)監(jiān)控流量，當(dāng)水泵和閥門開啟時(shí)，水泵將沖磨液通過(guò)進(jìn)水管抽入泵體內(nèi)，然后沖磨液經(jīng)過(guò)出水管和流量計(jì)進(jìn)入U(xiǎn)形輸水管道，并從直角彎頭處噴出，流至容器內(nèi)部，再?gòu)倪M(jìn)水管抽出后進(jìn)入水泵，如此循環(huán)往復(fù)，沖磨液對(duì)水泵內(nèi)的葉輪進(jìn)行一定時(shí)間的沖磨，達(dá)到規(guī)定時(shí)間后，關(guān)閉水泵和閥門，停止沖磨，然后取出水泵內(nèi)的葉輪，對(duì)比分析沖磨后的葉輪，其中包括質(zhì)量分析、磨損部位分析等。

目前該水泵葉輪耐磨對(duì)比試驗(yàn)儀已經(jīng)向國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局申報(bào)實(shí)用新型專利，該實(shí)用新型專利已經(jīng)獲得國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的正式授權(quán)，專利號(hào)ZL201921602748.3。

3 非金屬涂層的耐磨對(duì)比試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

將耐磨材料粉末通過(guò)熱熔敷的方式靜電噴涂于葉輪表面，葉輪在運(yùn)行一定時(shí)間后稱重分析(設(shè)空白對(duì)比試驗(yàn))，對(duì)比得出較優(yōu)配方。

試驗(yàn)設(shè)備：噴砂機(jī)、靜電噴涂設(shè)備、烘箱、電子天平、小型水泵、水泵葉輪耐磨對(duì)比試驗(yàn)儀。

耐磨材料粉末制備：將環(huán)氧樹脂、耐磨填料、固化劑、改性尼龍樹脂、熱塑性樹脂、熱塑性聚氨酯彈性體等6種材料粉碎后，按一定比例混合，通過(guò)80目篩網(wǎng)編號(hào)密封保存。耐磨涂層配比組合見表1。

表1 耐磨涂層組合

3.2 涂層熔敷

將水泵葉輪表面進(jìn)行噴砂除銹處理，噴砂要求金屬表面無(wú)油污、無(wú)銹跡、無(wú)附著物，露出金屬銀灰色，噴砂標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到Sa2.5級(jí)。送入加熱烘箱加熱至220℃，然后將耐磨粉末通過(guò)靜電噴涂機(jī)熔敷于葉輪表面，檢查無(wú)金屬裸露且涂層均勻。將噴涂好的葉輪水平放置于烘箱，180℃恒溫固化1h。注：KM001先噴涂環(huán)氧樹脂再噴涂改性尼龍樹脂；KM002先噴涂環(huán)氧樹脂再噴涂熱塑性聚氨酯；KM003先噴涂環(huán)氧尼龍復(fù)合再噴涂改性尼龍樹脂。

3.3 磨損試驗(yàn)

試驗(yàn)取得大禹渡揚(yáng)水樞紐工程一級(jí)站進(jìn)水口沙樣，配置一定濃度含沙水體，利用水泵葉輪耐磨對(duì)比試驗(yàn)儀進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)因?yàn)槿』氐纳硺蛹?xì)度較細(xì)，且沙粒也比較圓滑，在室內(nèi)的對(duì)比磨損中，對(duì)葉輪的磨損程度很輕，短時(shí)間內(nèi)對(duì)比效果不明顯，達(dá)不到試驗(yàn)的目的。為此又購(gòu)置了硬度、耐磨性比較好，且棱角明顯的40～80目、80～120目金剛砂配置了含砂沖磨液；對(duì)涂覆有不同配比的抗磨涂層水泵葉輪進(jìn)行了對(duì)比耐磨試驗(yàn)，同時(shí)也與未涂覆抗磨涂層的不銹鋼葉輪進(jìn)行了對(duì)比耐磨試驗(yàn)。經(jīng)對(duì)水泵出水口的含砂水流含砂量抽樣檢測(cè)，含砂量為80～100kg/m3。耐損試驗(yàn)通過(guò)項(xiàng)目組研發(fā)的水泵葉輪耐磨對(duì)比試驗(yàn)儀實(shí)現(xiàn)，在耐磨對(duì)比試驗(yàn)儀配置含金剛砂10%的水體1000kg。將冷卻后的葉輪打磨裝入水泵中，確保水泵運(yùn)行正常無(wú)卡殼、無(wú)異響、無(wú)異常振動(dòng)等。初始試驗(yàn)需記錄葉輪烘干重量，每隔48h拆卸葉輪清洗烘干記錄重量，水泵累計(jì)運(yùn)行240h為一次試驗(yàn)周期。試驗(yàn)中如發(fā)生涂層損失露出大面積不銹鋼基材則停止試驗(yàn)，分析原因如正常磨損則淘汰該配比方案。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)設(shè)置空白葉輪編號(hào)KM000，以對(duì)比不同材料與不銹鋼耐磨性能,試驗(yàn)通過(guò)記錄葉輪失重量、失重率分析涂層的耐磨性能，每48h停機(jī)檢查記錄結(jié)果，失重量、失重率累積計(jì)算。耐磨涂層失重結(jié)果見表2。

設(shè)葉輪裝機(jī)前烘干重量為m0，運(yùn)行48h后烘干重量為m1，則失重量m=m0-m1，失重率=m/m0×100%。

葉輪磨損部位集中在葉片進(jìn)口、葉片壓力面尾端。試驗(yàn)240h后KM001、KM002上述部位均有不銹鋼基材裸露，其中KM001葉片立面有少量尼龍剝離。根據(jù)涂層失重結(jié)果(見表2)繪制失重量曲線(見圖2)、失重率曲線(見圖3)。

表2 耐磨涂層失重結(jié)果

圖2 失重量曲線

圖3 失重率曲線

由圖2可知，KM001、KM002、KM003耐磨性能均優(yōu)于304不銹鋼。在192h之前KM001耐磨性能優(yōu)于KM002、KM003，在192～240h之間KM001、KM002有較大失重量，分析原因可能是尼龍、聚氨酯與環(huán)氧樹脂黏結(jié)不佳造成了部分材料的磨損剝離。KM003表現(xiàn)穩(wěn)定。

由圖3可知，304不銹鋼葉輪隨運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)失重率升高，可能的原因是葉輪形態(tài)被破壞，泥沙在泵體內(nèi)含量升高從而加劇磨損。KM001在192h之前磨損甚微，在此之后失重率有大幅升高，分析原因?yàn)槟猃埮c環(huán)氧的黏結(jié)性能欠佳導(dǎo)致尼龍層磨損后在高壓含沙流體的作用下涂層發(fā)生了剝離。KM002表現(xiàn)穩(wěn)定，KM003表現(xiàn)最佳。

綜上所述，從材料的耐磨性與可靠性考慮，此次試驗(yàn)KM003復(fù)合涂層的組合配比是最優(yōu)方案。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)水泵葉輪耐磨涂層對(duì)比試驗(yàn)可以得出：環(huán)氧尼龍復(fù)合材料可以提高非金屬涂層與不銹鋼基材的黏結(jié)性。改性尼龍樹脂、熱塑性聚氨酯彈性體具有良好的耐磨性能。環(huán)氧樹脂、改性尼龍樹脂、熱塑性聚氨酯彈性體在耐磨涂層中的復(fù)合使用具有良好的綜合效果。目前該復(fù)合涂層已在運(yùn)城市大禹渡揚(yáng)水工程管理局一級(jí)泵站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，效果良好。

非金屬耐磨復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用有兩個(gè)較為關(guān)鍵的點(diǎn)，一是涂層的配比；二是熔敷工藝。在涂層配比確定的條件下，熔敷工藝就顯得尤為重要。由于室內(nèi)試驗(yàn)中葉輪的尺寸較小，溫度易掌控，熔敷工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，但實(shí)際應(yīng)用中，尺寸較大的葉輪溫控、運(yùn)輸安裝、噴涂等因素都會(huì)影響實(shí)際效果。所以熔敷工藝在實(shí)際應(yīng)用中還有待進(jìn)一步研究。