提黃泵站水泵葉輪耐磨對比試驗研究

(山西省水利水電科學研究院，山西 太原 030002)

1 概 述

取水泵站的泥沙磨損問題無法避免，水泵過流部件的磨損和汽蝕破壞導致泵站出水量減少、效率降低、能耗升高等諸多問題，不僅影響提水灌溉，而且水泵過流部件損壞修復頻繁，使得水泵的運行周期縮短，維修工期延長，維修費用增多，泵站運營效益降低[1-2]。目前常用的減少水泵過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，高強度不銹鋼材料是水力機械抗磨蝕的最佳基材，但不銹鋼價格昂貴并且易受疲勞而斷裂，加之修復工藝復雜，廣泛應用受到限制。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工藝簡便、成本低廉的優點，有著更廣闊的發展和應用前景。

山西省中部引黃工程是山西省“十二五”規劃大水網建設的一項重要工程，其取水泵站的抗泥沙磨損問題是當前亟須解決的一項技術難題。為保障中部引黃取水泵站的高效安全運行，本文在實驗室對非金屬抗磨材料的配方進行了優選，通過室內噴涂試驗、抗磨試驗篩選出了能夠滿足試驗要求的非金屬抗磨材料組合。試驗結果可為水泵葉輪的防護修復提供一種可行方案。

2 水泵葉輪耐磨對比試驗儀的研制

通過對抗磨涂料的力學性能進行試驗，優選能滿足試驗要求的涂料配比，然后對涂料耐磨性能進行試驗。抗磨涂料擬通過噴涂工藝涂覆于小型水泵葉輪表面，在室內裝配后在一定的含沙水流條件下進行對比性耐磨試驗，以優選耐磨性好的抗磨涂料。

水泵葉輪耐磨測試的現有技術中，多個水泵葉輪的磨損測試總是不能保證在完全相同的沖磨條件下進行，測試出的結果誤差較大，而且對比效果不明顯，因此需要一種可以使兩個或多個水泵葉輪在相同沖磨條件下進行葉輪耐磨性對比的試驗設備。為了比選不同涂層葉輪在一定工況下的耐磨性能，擬開發制作一種水泵葉輪耐磨對比試驗儀。該試驗儀主要解決對比試驗中工況參數無法保證一致的問題。

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

圖1 水泵葉輪耐磨對比試驗儀示意圖1—水泵；2—水泵出水口；3—流量計；4—U形導管；5—筒體；6—直角彎頭；7—止水閥；8—水泵進水口；9—固定卡銷；10—止水閥

該水泵葉輪耐磨對比試驗儀是為了對水泵內的葉輪進行磨損效果的對比而研制的，主要結構為圓柱形試驗容器，該容器為沖磨液的循環容器，為了進行對比性試驗，在圓柱形試驗容器的桶壁開口處設置有若干個U形輸水管道分別用若干個相同型號的水泵循環沖磨液，測試水泵葉輪的磨損情況，而每個U形輸水管道都是一端伸入圓柱形試驗容器，另一端位于試驗圓柱形容器外側。伸入的一端在水泵的作用下向外噴液，位于容器外側的是輸送沖磨液的管道，它的端口通過流量計與出水管連接，出水管通過連接件與水泵的出水口連接，連接件即為常規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，通過流量計計量輸送的液體量，然后沖磨液進入U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壁切線方向噴出，使得噴出的沖磨液對容器中的液體有一定的沖擊力，保證容器內液體濃度不變，在容器的下部位置開有與U形輸水管道數量對應的出液口，水泵的進水口與進水管連接，而進水管延伸進入出液口，出液口與水泵進水管道黏結密封。在水泵的作用下，往外抽沖磨液，沖磨液經過水泵，進入出水管，如此循環往復，在出水管和進水管上均設置有閥門，可以對出水和進水的量進行控制。本試驗裝置具體操作為：將做耐磨對比試驗的若干個葉輪(涂覆抗磨涂層和未涂覆抗磨涂層)分別對應裝入若干個水泵的固定位置對比耐磨效果；在圓柱形試驗容器內加入一定濃度的沖磨液到適量，然后將水泵打開，同時打開并調整各自的閥門，控制進出水量，并通過流量計來監控流量，當水泵和閥門開啟時，水泵將沖磨液通過進水管抽入泵體內，然后沖磨液經過出水管和流量計進入U形輸水管道，并從直角彎頭處噴出，流至容器內部，再從進水管抽出后進入水泵，如此循環往復，沖磨液對水泵內的葉輪進行一定時間的沖磨，達到規定時間后，關閉水泵和閥門，停止沖磨，然后取出水泵內的葉輪，對比分析沖磨后的葉輪，其中包括質量分析、磨損部位分析等。

目前該水泵葉輪耐磨對比試驗儀已經向國家知識產權局申報實用新型專利，該實用新型專利已經獲得國家知識產權局的正式授權，專利號ZL201921602748.3。

3 非金屬涂層的耐磨對比試驗

3.1 試驗方案

將耐磨材料粉末通過熱熔敷的方式靜電噴涂于葉輪表面，葉輪在運行一定時間后稱重分析(設空白對比試驗)，對比得出較優配方。

試驗設備：噴砂機、靜電噴涂設備、烘箱、電子天平、小型水泵、水泵葉輪耐磨對比試驗儀。

耐磨材料粉末制備：將環氧樹脂、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80目篩網編號密封保存。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

將水泵葉輪表面進行噴砂除銹處理，噴砂要求金屬表面無油污、無銹跡、無附著物，露出金屬銀灰色，噴砂標準達到Sa2.5級。送入加熱烘箱加熱至220℃，然后將耐磨粉末通過靜電噴涂機熔敷于葉輪表面，檢查無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先噴涂環氧樹脂再噴涂改性尼龍樹脂；KM002先噴涂環氧樹脂再噴涂熱塑性聚氨酯；KM003先噴涂環氧尼龍復合再噴涂改性尼龍樹脂。

3.3 磨損試驗

試驗取得大禹渡揚水樞紐工程一級站進水口沙樣，配置一定濃度含沙水體，利用水泵葉輪耐磨對比試驗儀進行了試驗。試驗中發現因為取回的沙樣細度較細，且沙粒也比較圓滑，在室內的對比磨損中，對葉輪的磨損程度很輕，短時間內對比效果不明顯，達不到試驗的目的。為此又購置了硬度、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；對涂覆有不同配比的抗磨涂層水泵葉輪進行了對比耐磨試驗，同時也與未涂覆抗磨涂層的不銹鋼葉輪進行了對比耐磨試驗。經對水泵出水口的含砂水流含砂量抽樣檢測，含砂量為80～100kg/m3。耐損試驗通過項目組研發的水泵葉輪耐磨對比試驗儀實現，在耐磨對比試驗儀配置含金剛砂10%的水體1000kg。將冷卻后的葉輪打磨裝入水泵中，確保水泵運行正常無卡殼、無異響、無異常振動等。初始試驗需記錄葉輪烘干重量，每隔48h拆卸葉輪清洗烘干記錄重量，水泵累計運行240h為一次試驗周期。試驗中如發生涂層損失露出大面積不銹鋼基材則停止試驗，分析原因如正常磨損則淘汰該配比方案。

3.4 試驗結果

試驗設置空白葉輪編號KM000，以對比不同材料與不銹鋼耐磨性能,試驗通過記錄葉輪失重量、失重率分析涂層的耐磨性能，每48h停機檢查記錄結果，失重量、失重率累積計算。耐磨涂層失重結果見表2。

設葉輪裝機前烘干重量為m0，運行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口、葉片壓力面尾端。試驗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。根據涂層失重結果(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耐磨性能均優于304不銹鋼。在192h之前KM001耐磨性能優于KM002、KM003，在192～240h之間KM001、KM002有較大失重量，分析原因可能是尼龍、聚氨酯與環氧樹脂黏結不佳造成了部分材料的磨損剝離。KM003表現穩定。

由圖3可知，304不銹鋼葉輪隨運行時間增長失重率升高，可能的原因是葉輪形態被破壞，泥沙在泵體內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，分析原因為尼龍與環氧的黏結性能欠佳導致尼龍層磨損后在高壓含沙流體的作用下涂層發生了剝離。KM002表現穩定，KM003表現最佳。

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

4 結 語

通過水泵葉輪耐磨涂層對比試驗可以得出：環氧尼龍復合材料可以提高非金屬涂層與不銹鋼基材的黏結性。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合使用具有良好的綜合效果。目前該復合涂層已在運城市大禹渡揚水工程管理局一級泵站進行了現場試驗，效果良好。

非金屬耐磨復合材料的實際應用有兩個較為關鍵的點，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。由于室內試驗中葉輪的尺寸較小，溫度易掌控，熔敷工藝相對簡單，但實際應用中，尺寸較大的葉輪溫控、運輸安裝、噴涂等因素都會影響實際效果。所以熔敷工藝在實際應用中還有待進一步研究。