水泵抗磨蚀技术在扬黄泵站的研究应用

陶 东 张 印 田志存

(宁夏固海扬水管理处，宁夏 中宁 755100)

黄河属多泥沙河流，我国现有农用水泵产品均以清水介质条件设计，没有做严格的抗磨蚀设计，在高含沙量的扬黄泵站，存在水泵过流部件磨损严重、使用寿命短、能耗高、运行效率低等问题。特别是宁夏固海扬水泵站工程深受其害，每年汛期更为严重。其首级取水泉眼山泵站处在黄河宁夏一级支流清水河入河口下游，水文资料显示，清水期平均含沙量为4.7～6.21kg/m3，汛期高达70～96kg/m3，最高值达到382kg/m3。高含沙量的取水条件导致固海扬水泵站每年4月份大修的水泵运行到8月份秋灌结束，运行时数仅3000h左右，水泵平均单机提水量下降15%以上，装置效率下降15%～26%，部分泵体、泵盖严重穿孔，隔舌残缺或磨平，流道几何尺寸改变，高低压区窜水严重；压力管由于泥沙的磨损管壁厚度会减少30%～40%，运行中经常发生穿孔、刺水及爆裂等现象，严重影响了泵站的运行效率，同时额外增加了机电设备维修费用及检修人员工作量，每年设备磨损更新、维修费用达到800万元以上，由于设备严重磨损致使提水量下降造成的经济损失在500万元以上。

1 水泵抗磨蚀技术在扬黄泵站的应用

1.1 水泵抗磨蚀技术在宁夏扬黄泵站的研发历程

为解决泵站特别是大型灌溉排水泵站存在的问题，国家多次出台文件提及泵站设施更新改造等问题。习近平总书记多次就治水发表重要论述，系统阐释了保障国家水安全的基本思路，明确提出了“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路，赋予了新时期治水的新内涵、新要求、新任务。李克强总理也强调“大力加强农田水利建设，着力夯实稳粮增收水利基础，要加快灌区续建配套、灌排泵站更新改造和现代化灌区建设，着力完善农田灌排体系和末级渠系，加快解决农田灌溉‘最后一公里’问题”。

黄河流域生态保护和高质量发展国家战略要求“大力发展节水产业和技术，大力推进农业节水，实施全社会节水行动，推动用水方式由粗放向节约集约转变”。乡村振兴、脱贫攻坚和国家粮食安全等国家战略，都明确提出推进大中型灌区续建配套与现代化改造的要求，把解决农村饮水问题作为底线任务抓紧抓实，抓好大中型灌区现代化改造和农业节水，构建科学高效的灌区标准化规范化管理体系，加快推进灌区建设管理现代化进程，不断提升灌区管理能力和服务水平。

在宁夏扬黄泵站运行实践中，以固海扬水管理处泵站运行管理为例，开展了长达30多年的探索研究工作，经过近千次的研究实验，在水泵过流件抗磨损和抗空蚀方面，针对黄河流域多泥沙水泵过流件抗磨蚀难题，在固海扬水工程所属泵站的水泵上大胆进行抗磨蚀新材料、新技术、新工艺的试验与应用，尤其是在水泵的泵壳、叶轮、口环进行了抗磨蚀修复，对磨蚀修复前后的水泵流量、功率等运行状态进行的监测分析表明，磨蚀防护效果良好，保障了水泵在高效区长期稳定运行，达到了提高泵站装置效率、降低泵站能耗和运行费用的目的。

1.2 水泵抗磨蚀技术在扬黄泵站的应用现状

宁夏扬黄泵站水泵抗磨蚀技术的应用，立足扬黄泵站高含沙的运行管理实际，针对水力机械在高含沙水质中运行，过流部件存在空蚀、磨损严重、能耗高、效率低、使用寿命短等问题，依托全国水机磨蚀试验研究中心、黄河水利委员会黄河水利科学研究院、武汉大学等在水机抗磨蚀研究方面处于领先水平的国家重点实验室，技术研究中心，高校、生产及维修企业等骨干创新平台，集中力量开展水力机械抗磨蚀科技攻关。以水泵过流部件为重点开展抗磨技术研究与应用，经过多年的自主研究与实践，先后实验成功了水泵泵体、叶轮、口环采用环氧砂浆涂层、复合树脂砂浆涂护、聚氨酯浇筑涂层技术、金属粉末喷涂和喷焊、电刷镀、金属丝材热喷涂、热喷锌防腐抗氧化、钢板叶轮上镶嵌钢圈、超音速喷涂技术等多项水力机械抗磨蚀技术,宁夏扬黄泵站在水力机械抗磨蚀涂护和防腐技术应用方面日渐成熟。水力机械抗磨蚀技术在扬黄泵站的应用，不仅有效解决了固海扬水工程水泵过流部件磨损快、更换频率高、运行效率下降、检修费用高等问题，水泵抗磨蚀研究成果在固海扬水工程泵站运行中已有效地转化为现实生产力，推广应用效果良好,有效保障了水泵性能正常发挥,实现了节能降耗,提高了泵站装置效率和工程效益。

2 水泵抗磨蚀技术应用

2.1 水泵泵体抗磨蚀修复技术

2.1.1 水泵泵壳磨蚀情况

泵壳磨蚀主要发生在螺旋压水室中两边靠近密封环处，形成3～10mm的鱼鳞坑，表面损失厚度达3～5mm；水泵中开面铸造结构空腔附近，高压腔与低压腔之间出现贯通沟槽，深3～5mm，宽5～15mm的；泵体隔舌出现汽蚀沟槽，严重时缩短60mm。

2.1.2 聚氨酯复合树脂砂浆修复技术

水泵泵壳的高压区在汽蚀和黄河高泥沙水流的双重作用下，使用1万多小时后必须整体更换，成本高昂。在水泵高压区采用抗磨蚀涂层技术后，使水泵使用寿命延长了5000～10000h，并且可以反复涂护，大大减少了水泵整体更换的台次。

聚氨酯复合树脂砂浆由高抗磨蚀聚氨酯弹性体材料、弹性环氧树脂、固化剂、硬金属粉、棕刚玉、碳化钨、耐水剂等组成，除具有高效抗磨性能外，还有一定的抗汽蚀性能。

技术指标：抗压强度100～120MPa，黏结强度30～40MPa，抗冲磨强度10～15h/(g/cm2)，厚度1～2mm，设计使用寿命延长2～5倍以上，而且可反复修复使用。

2.2 水泵叶轮真空浇筑涂层技术

叶轮是水泵的核心部件，目前固海所使用叶轮均为铸钢铸造而成，由于黄河水泥沙量大，并且因为扬程、进水条件等诸多因素的影响，在扬黄工程使用5000h后，进水叶片出现穿孔现象，严重影响其使用效率。通过对叶轮进水叶片采用复合聚氨酯真空浇筑涂层技术，延长了其使用寿命，获得了优秀的抗磨蚀性能，具有黏结强度高、剥离强度大等特点，且加工工艺简单、方便、成本较低。

2.3 水泵密封环聚氨酯浇筑涂层技术

密封环是扬黄泵站更换频率较高的水泵部件之一。黄河多泥沙水流对密封环的磨损较快，使密封环与叶轮口缘的配合面布满鱼鳞、蜂窝状坑穴及环状沟槽，增加了水泵泄漏损失，降低了水泵效率。对密封环采用复合聚氨酯浇筑涂层技术，使密封环使用寿命延长了2～4倍。

3 水泵抗磨蚀技术应用主要成果

水泵抗磨蚀技术应用主要成果见表1。

表1 水泵抗磨蚀技术应用主要成果

续表

4 抗磨蚀技术今后研发应用的方向

水力机械抗磨蚀技术在扬黄泵站中的推广应用，将有效延长水泵设备使用更换周期，保障泵站工程长期稳定高效运行，提高泵站装置效率，降低能耗和生产成本，水力机械抗磨蚀技术的研究应用与实践将推动扬黄泵站高质量发展。在现有技术成果应用的同时要重视新技术和新材料、新工艺应用和专业技能人才培养，提高水泵抗磨蚀技术的综合应用能力，加大对水力抗磨蚀技术的推广应用力度，通过技术引项目，提升科技开发创新能力，以人才推动技术发展，向专业品牌、系统化应用、集约化生产方向发展，使水泵抗磨蚀技术成为水利新技术核心竞争力的重要组成部分。加强水力机械抗磨蚀技术产、学、研的广泛合作交流，以人才带动学科发展，以学科发展吸引人才，最终达到人才引进与科研技术的同步推进，共同推动水力机械抗磨蚀技术在宁夏扬黄泵站的快速发展。

在扬黄泵站运行管理中，适时开展“引黄灌区泵站安全运行监测与增效降耗技术”研究，在安全运行监测、增效、降耗等方面提出相应的技术措施，提高泵站工程及设备完好率、装置效率和安全运行率，实现大型灌溉排水泵站运行自动化，推进灌区由粗放型用水方式向集约化用水方式转变，提高用水效率，为形成布局合理、功能完备、高效运行、管理先进的现代灌排工程体系奠定基础，从技术层面上保障在农业用水总量不增加的情况下，增加有效灌溉面积，大幅度降低单位能耗指标，使农业发展方式从过度消耗水资源和能源的粗放型转变为节水、节能、节地的可持续发展，保障农村饮水安全、粮食生产用水需求，推进农业高质量发展，保持农村社会和谐稳定，提升农民群众幸福感，为改善农业生产条件，保障国家粮食安全，促进农村经济发展、农业增效和农民增收，改善农村生态环境等提供有力支撑。