大中型泵站汽蚀修补新材料研究及应用

施 翔，莫兆祥，钱 杭，蒋 雯，莫岳平

(1.江苏省骆运水利工程管理处，江苏 宿迁 223800；2.南水北调东线江苏水源有限责任公司,南京 210029；3.扬州大学能源与动力工程学院，江苏 扬州 225009)

一直以来，如何有效解决水泵过流部件汽蚀损害问题，成为泵站主管部门、管理单位、相关科研机构以及水泵制造商重点关注和研究的对象。由于汽蚀均发生在材料表面，采用表面工程技术在基体材料表面制备涂层逐渐成为强化材料表面结构，提高设备抗汽蚀、磨蚀及其联合作用能力的有效途径之一[1]。

1 概 况

江苏省刘老涧泵站工程位于宿迁市宿豫区仰化镇境内的中运河上，是江苏省利用世界银行贷款加强农业灌溉建设项目中的关键工程之一。工程于1995年1月开工，1996年5月建成并投入运行[2]。该站安装3100ZLQ38/4.2型井筒分段式全调节轴流泵，配用TL2200-40/3250立式同步电动机4台套，设计流量为150 m3/s，总装机容量为8 800 kW，泵站设计扬程3.5 m，直接抽引上一梯级泵站送来的江水、淮水，沿中运河北调，属于南水北调东线工程第5梯级站，淮水北调第2梯级站，具有抽水和发电双重功能[3]。刘老涧泵站的水泵叶轮外壳汽蚀相对较为严重，管理单位对汽蚀部位原采用不锈钢焊条堆焊后打磨，效果不佳，且会因铸铁件受热不均匀引起整个外壳崩裂[4]。

本文以刘老涧泵站的水泵原型为研究样本进行水泵叶轮外壳的汽蚀修补试验，并利用泵站抽水或发电工况来实际检测汽蚀修补材料效果。

2 修补试样材料及应用

2.1 修补试样材料

采用北京天山新材料技术有限责任公司的TS216耐磨修补剂作为试样材料。该产品成灰色胶泥状，是以超硬陶瓷为骨材的双组分聚合陶瓷复合材料，在常温下可对水泵、螺旋桨叶片的汽蚀磨损进行修补，其耐磨性是一般铸铁的4～8倍，黏结强度较高，而且抗磨损、抗冲击、抗腐蚀[4]。产品化学成分见表1，耐腐蚀性能(25 ℃时，综合指数Ratings评定法)见表2。

表1 TS216耐磨修补剂化学成分Tab.1 Chemical composition of TS216 abrasionresistance rebuilding putty

表2 TS216耐磨修补剂耐腐蚀性能Tab.2 Corrosion resistance of TS216 abrasionresistance rebuilding putty

2.2 应用情况

3 修补试样材料改性试验及分析

TS216耐磨修补剂为通用的修复配方，未针对大中型泵站的实际情况进行设计配比调整，且未经过具体的疲劳、老化和抗汽蚀试验。因此，特对TS216耐磨修补剂中固化剂、增韧剂和骨材比例进行改性试验分析，配置适合大中型泵站的抗汽蚀修补材料。

3.1 试验方法

中性盐雾试验按照GB/T 10125-2012《人造气氛腐蚀试验—盐雾试验》进行，试验设备为东莞兴宝有限公司60盐雾试验机，NaCl溶液浓度为5%(质量分数)，pH值为6.5～7.2，试验箱工作室温度为35±2 ℃，盐雾沉降量为l～2 mL/(80 cm2·h)，喷雾方式为连续喷雾，时间为30 d。把制备好的剪切试样，室温固化3 d后，放到盐雾试验箱中，30 d后取出测试剪切强度变化。

涂层与基体剪切强度测试按照GB/T 7124-2008《胶黏剂拉伸剪切强度的测定》在INSTRON拉力试验机上测定，测试速度为5 mm/min，数据取4个试样的均值。

冲蚀磨损试验设备为自制的喷射式气固冲蚀磨损试验装置，见图1。冲蚀气体为空气，气源压力固定为0.6 MPa，磨料为60目的多尖角不规则石英砂。试样冲蚀前后用PL2002电子天平称量，精度0.01 g。测试胶块在被喷射5min后损失重量，数据取4个试样的均值。

图1 冲蚀磨损试验装置Fig.1 The experiment device of erosion

3.2 试验结果与分析

3.2.1 固化剂比选

环氧树脂采用E-51环氧树脂。分别用聚酰胺650、T-31、105缩胺以及自制改性胺固化剂，对胶黏剂性能的影响作了对比试验，试验数据见表3。

表3 不同固化剂对性能影响Tab.3 Effect of different curing agents on performance

从表3数据看出，采用自制改性胺固化剂，室温固化3 d，室温和盐雾老化30 d均有很高强度。

3.2.2 增韧剂比选

分别采用CTBN改性环氧树脂增韧剂、聚氨酯改性环氧增韧剂、纳米橡胶改性环氧增韧剂配制胶黏剂与自制改性胺固化剂配合进行性能对比，试验数据见表4。

仅仅通过理论和方法的传输是不够的，还要借助榜样力量的激励作用，通过优秀学长的言传身教，树立榜样的示范力量，加强研究生自我激励、自我学习、自我成长的培养。与此同时，建立反馈评价体系，组织新生对每次教育内容、教育方式与效果进行评价，及时根据评价结果对入学教育进行修正和完善，提高教育的规范化程度和科学化水平，也使得新生对于入学教育不再单单是被动的接受，而转变为主动的参与，真正发挥研究生的主观能动性，使其真正成为新生教育的“主人”，实现教育开展的有效性[10]。

从表4数据可看出，采用纳米橡胶改性环氧树脂增韧剂，室温固化3 d和盐雾老化30 d后的剪切强都是最高。

3.2.3 陶瓷粉含量比选

采用纳米橡胶改性环氧增韧剂和自制改性胺环氧固化剂，分别添加20%、25%、30%、35%、40%、45%的骨材陶瓷粉进行耐冲蚀磨损性能对比，试验数据见表5。

表4 不同增韧剂的性能对比Tab.4 Comparison of properties of different toughening agents

表5 添加不同含量的陶瓷粉对冲蚀磨损性能影响Tab.5 Effect of adding different content of ceramicpowder to offset erosion

由表5数据可看出，当陶瓷粉含量小于35%时，涂层的耐磨性随骨料陶瓷粉的加入量的增加而提高；当骨料含量大于35﹪时，涂层耐磨性随骨料陶瓷粉加入量的增加而降低。

4 修补改性材料汽蚀性能实验与分析

4.1 修补改性材料准备

本次汽蚀实验采用E-51环氧树脂，添加纳米橡胶改性环氧做为增韧剂，固化剂采用自制改性胺固化剂，骨料采用粒径分别为0.5、0.1、1.0 mm的陶瓷填料，分别用1号、2号、3号进行区别。实验时准备4个同样的钢材料，将其打磨成扁圆柱型，将1号、2号、3号抗汽蚀材料涂到其中3个样品上，剩余一个钢材料作为基材进行实验对比。图2为涂有抗汽蚀材料的试验样品。将涂好抗汽蚀材料的样品自然冷固15 h。

图2 涂有抗汽蚀材料的试验样品Fig.2 The experiment samples coated with anti-cavitation material

4.2 试验过程

抗汽蚀材料汽蚀性能试验采用南京先欧仪器制造公司生产的SLQS-2500型汽蚀试验机，通过大功率超声波作用于样品，模拟样品与液体接触面的汽蚀现象，进而可对材料的抗汽蚀性进行分析，从而研究给定材料固有的抗汽蚀性能和汽蚀过程，或在不同试验条件下研究测试变量对材料产生损伤的影响。

SLQS-2500型智能温控超声波汽蚀试验机工作原理：通过大功率超声波在液体中产生的空化作用，高速度模拟材料的汽蚀状况。在规定的频率和温度下，超声波的振幅越大，材料汽蚀的速度也就越快。

本次试验中超声波发生器的最大功率为1 200 W，频率20 kHz，试验水温设定为23 ℃。图3为汽蚀试验系统。水温恒定后，将样品放在白色的模具中，然后将模具放入烧杯中，最后整体放入恒温水槽里，同时振幅棒对准样品。

图3 汽蚀试验装置Fig.3 The experiment device for cavitation

第1次试验，每一个样品进行了10 min试验，然后烘干称重，看其质量与原来相比是否变化。超声波发生设定为：连续工作2 s，间隔0.5 s。在其他条件不变的情况下改变振幅棒到样品之间的距离，再试验和测量。每个样品共进行3次试验。表6为10 min试验数据。

表6 10 min试验数据Tab.6 The experimental data of 10 minutes

通过10 min汽蚀试验可以看出3种试验样品材料表面都存在针孔状的小汽蚀破坏，但由于受试验条件限制，细微的质量变化无法用试验现场电子天平测出。

由于汽蚀效果不明显，进行1 h的第2次汽蚀试验，并将试验超声波连续发生工作时间设置为5 s，间隔仍然为0.5 s。表7为1 h试验数据。

表7 1 h试验数据Tab.7 The experimental data of 1 hour

通过1 h汽蚀试验，由于样品损失质量变化微小，还是无法用试验现场电子天平测出。通过肉眼可以看出，试验样品材料表面有明显的汽蚀空洞，但空洞不大，而且较浅。1号和2号样品较3号样品汽蚀空洞多，深度较深。如图4为1 h汽蚀试验样品。

图4 1 h汽蚀试验样品Fig.4 The cavitation experimental samples of 1 hour

由于汽蚀效果仍不明显，进行5 h的第3次汽蚀试验，此次试验仍采用与第2次1 h试验一样的试验条件。表8为5 h实验数据。

表8 5 h试验数据Tab.8 The experimental data of 5 hours

通过5 h汽蚀试验，由于样品损失质量变化微小，还是无法用试验现场电子天平测出。通过肉眼可以看出，1号样品和2号样品表面汽蚀呈蜂窝状，而且汽蚀有一定深度。但3号样品表面汽蚀仍然呈点状，而且数量不多，深度较浅。由此可见，3号样品的抗汽蚀性能最好。图5为5 h汽蚀试验样品。

图5 5 h汽蚀试验样品Fig.5 The cavitation experimental samples of 5 hours

4.3 试验结果分析

试验对3种改性的抗汽蚀材料分别在10 min、1 h和5 h条件下进行了汽蚀试验。从汽蚀试验结果看，3种抗汽蚀材料样品在进行5 h的第3次汽蚀试验后，表面都有明显的汽蚀损坏，但汽蚀程度不同。从此次实验结果看出，3号抗汽蚀材料对基材保护效果最好，1号抗汽蚀材料次之，2号抗汽蚀材料最差。虽然因实验前后样品的质量变化微小，无法用试验现场电子天平测出，但也初步反映了这些涂料的抗汽蚀性能。

5 修补改性材料应用

对刘老涧泵站1号机组水泵叶轮外壳汽蚀部位用3号抗汽蚀材料进行修补。1号机组经过18个月运行，共运行7 200 h(抽水工况下运行4 320 h，发电工况下运行2 880 h)， 3号抗汽蚀材料对叶轮外壳起到了很好的保护,抗汽蚀材料绝大部分完好，没有出现脱落和锈蚀现象，见图6。

图6 1号水泵叶轮外壳应用情况Fig.6 Application of impeller shell for no.1 water pump

6 结 论

通过对TS216耐磨修补剂改进工艺配方，研制了一种针对性更强的大中型水泵汽蚀修补新材料，可以有效提高耐磨涂层与基材的结合强度，并且保持材表面良好的耐磨性与抗汽蚀性能，相对传统的汽蚀修补技术和进口的修补材料，可以有效地解决水泵汽蚀破坏的难题，延长设备使用寿命，提高水泵的工作效率，降低设备更换成本，满足生产实际的需求。同时与传统的汽蚀修补技术相比，修补新材料具有施工工艺简单、便捷，涂层强度高、效果好，施工操作简便以及投资少等特点，具有良好的应用推广前景。

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[1] 李志红,梁 兴.水力机械抗磨蚀涂层关键技术的研究[J].中国农村水利水电,2012,(4):113-114.

[2] 问泽杭,莫兆祥.变频技术在刘老涧泵站反向发电中的应用[J].人民长江,2009,40(20):53-55.

[3] 化 卓,周元斌,黄 毅,等.刘老涧抽水站技术改造可行性研究[J].南水北调与水利科技,2017,2(15):181-185.

[4] 冯 杰,周 伟,蔡 磊,等.新型工业修补剂在大型立式轴流泵站机组大修中的应用[J].江苏水利,2013,(1):30-31.

[5] 王明臣,李勇智,杨立超.TS216耐磨修补剂在水轮机转轮抗气蚀中的应用[J].东北水利水电,2003,21(11):39-40.