聚氨酯復合樹脂砂漿在固海揚水泵站泵殼磨蝕防護中的應用

溫鴻浦，張 雷，郭維克

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

0 引 言

揚黃灌溉是寧夏引黃灌溉系統的重要組成部分[1]，在寧夏中部干旱帶農業生產發展中發揮著巨大作用，寧夏已建成的大、中、小型揚黃工程達300余處，安裝主水泵1 000多臺，僅固海、固海擴灌、紅寺堡、鹽環定4個規模較大的揚水工程總裝機容量就達到38 萬kW、流量77.2 m3/s、灌溉面積14.67萬hm2。其中寧夏固海揚水工程是全國最大的公益性扶貧揚黃工程，也是全國灌溉面積最大的揚黃工程，現運行泵站29座，安裝主機組198臺(套)，總裝機容量20.26 萬kW，變電所25座，渠道468 km，各類水工建筑物1 637座，總設計流量41.2 m3/s，年均引水量4.5 億m3，工程年均運行180 d左右。固海灌區位于寧夏中南部清水河流域中下游河谷川源，屬中部干旱帶少數民族聚居地區，灌區涉及吳忠市同心縣、紅寺堡開發區，中衛市沙坡頭區、中寧縣、海原縣，固原市原洲區，國營長山頭機械化農場和中衛山羊場等3市6縣(區)2場。設計灌溉面積5.47 萬hm2。現狀總灌溉面積11.376 萬hm2。灌區受益人口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，極大緩解了自治區社會經濟發展壓力，在解決寧夏中部干旱缺水，促進生態移民扶貧開發、區域經濟快速發展，維護少數民族地區穩定等方面發揮著極為重要的作用。

高含沙量的取水條件導致固海揚水泵站每年4月份大修的水泵運行到8月份秋灌結束[2]，運行時數僅3 000 h左右，水泵平均單機提水量就會下降10%以上，裝置效率下降3%～6%，部分泵體、泵蓋嚴重穿孔，隔舌殘缺或磨平，流道幾何尺寸改變，高低壓區竄水嚴重，水泵填料幾乎每運行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%，運行中經常發生穿孔、刺水及爆裂等現象，嚴重影響泵站運行效率的同時，額外增加了機電設備維修費用及檢修人員工作量。固海揚水工程每年因設備磨損更新、維修費用達到220萬元以上，由于設備嚴重磨損致使提水量下降造成的經濟損失在500萬元以上[3, 4]。

針對水泵中易發生磨蝕的關鍵過流部件，固海揚水管理處與黃河水利科學研究院合作，利用其研發的聚氨酯復合樹脂砂漿涂層技術，率先在固海長山頭泵站進行試驗，經過一年運行后，檢查發現涂層效果明顯，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 揚黃灌排水泵泵殼磨蝕情況

泵殼磨蝕主要發生在螺旋壓水室中兩邊靠近密封環處和隔舌處，泵蓋壓水室兩側靠近泵體密封環端部的流道表面，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汽蝕痕跡越明顯；隔舌部位沿出口流道方向磨蝕嚴重，嚴重時隔舌縮短，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進行設計和制造，材質抵御磨蝕破壞能力較差；二是泵站揚程較高，易產生汽蝕。在高含沙量泥沙的磨損與高揚程的汽蝕相互作用下，導致水泵關鍵過流部件磨蝕嚴重，因此，亟需采用新型綜合抗磨技術對揚黃灌排水泵主要過流部件進行修復處理，達到提高泵站裝置效率和降低泵站運行費用的目的。

2 聚氨酯復合樹脂砂漿特性試驗

目前水泵泵殼磨蝕修復仍沿用20世紀70年代研發的環氧金剛砂技術[6, 7]，該技術一定程度上緩解了揚黃水泵泵殼磨蝕問題，但配方較陳舊，固化劑具有一定毒性，抗磨蝕防護效果有限，一般水泵使用3～5年就要重新修復一次，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，項目組研發了聚氨酯復合樹脂砂漿涂層技術，以胺基材料作固化劑，提高環氧樹脂黏接強度并降低其脆性，利用聚氨酯材料較強的抗汽蝕性能，形成聚氨酯復合樹脂砂漿耐磨涂層。該涂層除抗磨性能比環氧金剛砂涂層提高外，還克服了環氧金剛砂涂層在水機應用中抗汽蝕性能差的缺點。

2.1 復合樹脂砂漿基本力學性能試驗

參照《環氧樹脂砂漿技術規程》(DL/T 5193-2004)，開展了復合樹脂砂漿的抗壓、抗折、拉伸、黏接和抗沖擊等力學性能試驗，試驗結果如表1所示，其中，1號樣為聚醚胺固化的復合樹脂砂漿，2號樣為芳胺固化的復合樹脂砂漿，3號樣為直鏈脂肪胺與芳胺復配固化的復合樹脂砂漿，4、5號樣為直鏈脂肪胺固化的復合樹脂砂漿。

表1 不同固化體系復合樹脂砂漿力學性能

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合樹脂砂漿均出現斷裂情況，說明該固化體系的復合樹脂砂漿較脆，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合樹脂砂漿韌性的作用，得到了高抗沖擊性能的復合樹脂砂漿。

2.2 復合樹脂砂漿抗沖磨性能試驗

開展了對鋼板、常溫環氧砂漿和復合樹脂砂漿的抗沖磨性能進行試驗研究與評價，試驗條件為：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，試驗結果如表2所示。

從表2中可以看出，聚氨酯復合樹脂砂漿比普通環氧砂漿的抗沖磨性能大大提高。

表2 試件沖磨質量損失

3 固海長山頭泵站水泵泵殼磨蝕防護試驗

固海長山頭泵站位于中寧縣大戰場鎮，是固海揚水工程的第三級泵站。泵站裝機9臺套(7大+2小)，容量20 300 kW，設計流量18.7 m3/s，總揚程58.6 m，凈揚程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，設計單機流量3.06 m3/s，7號、9號水泵型號為KQSN800-M10/1058，設計單機流量為1.56 m3/s，由上海凱泉泵業有限公司生產。水泵經過長時間運行，其磨損、沖刷、汽蝕破損現象嚴重，水泵出水蝸殼磨損深度可達20 mm以上，部分泵體、泵蓋已穿孔、隔舌殘缺或磨平，高低壓腔竄水嚴重，致使水泵內損失增大，運行工況惡化。一個灌季結束后，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揮。

鑒于此，根據前期調研情況，結合泵站檢修計劃及水泵磨蝕情況，利用研發聚氨酯復合樹脂砂漿涂層技術，于2016年對固海長山頭泵站9臺水泵泵殼進行磨蝕修復，防護面積約36 m2(表3)，試驗過程如圖2所示。

表3 水泵泵殼磨蝕修復試驗

圖2 復合樹脂砂漿修復磨蝕嚴重的水泵泵殼

4 應用效果分析

經過一年運行，停機檢查發現聚氨酯復合砂漿完好無損，如圖3所示。對水泵泵殼起到了有效保護作用，通過對水泵運行數據分析發現，水泵保持高效運轉，效率未見明顯下降，而同期未做磨蝕防護的水泵泵殼，已經出現磨蝕，水泵運行效率下降3%～6%。

圖3 運行使用一年后效果

5 結 語

本文針對固海揚水工程水泵泵殼因磨蝕嚴重導致效率低、能耗高等問題，與黃河水利科學研究院合作，利用其研發的聚氨酯復合樹脂砂漿涂層技術，在固海長山頭泵站進行試驗，經過一年運行后，檢查發現涂層效果明顯，水泵運行效率長期保持穩定，達到了預期試驗目的，該技術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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