山西某泵站泵體涂層材料磨損性能試驗研究

武建有，穆恩良，李 進

（1.山西禹門口引黃水務集團有限公司，山西 侯馬 041000；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

0 引言

據統計，我國用于農村排灌的泵站有502 165處，裝機容量達4 304.3 萬kW。“十四五”期間，我國將加快推進大中型灌區的現代化改造，更新改造大中型水泵超過5 萬臺。我國是一個多泥沙河流的國家，以黃河流域為例，根據黃河主要水文站在龍劉兩庫聯調后（1987～2016）年實測含沙量資料統計分析，近30 年平均含沙量為2.37 kg/m3，近20 年（1997～2016）平均含沙量為1.83 kg/m3，入庫黃河水攜帶泥沙采用近20 年實測系列分析結構，渠道供水期評價含沙量2.2 kg/m3。含沙量較高的高速水流可對水力機械產生汽蝕與磨蝕作用，易造成泵體部件的嚴重損傷。水力機械汽蝕和磨蝕破壞將導致水力機械效率下降、性能降低、大修周期縮短，還常誘發各種事故。不僅造成巨大的經濟損失，而且還嚴重影響灌區泵站的安全運行[1]。

目前，水泵泵體的汽蝕與磨蝕損傷，工程上采用過多種修復和防護方法，如金屬補焊、安裝沖磨防護板、沖磨防護砂漿等方法。多年實踐表明，這些方法取得了一定的效果，但在實施中仍存在各種問題，例如有些方法實施過程復雜、周期長、費用高昂；有些方法的抗磨蝕效果和可靠性有待提高，某些情況下沖磨層材料出現脫落、失效情況，導致實踐應用中抗磨蝕維護周期短，防護可靠性不高、維護費用高等問題。因此，針對山西灌區某典型泵站運行特點、水體含沙量、維護周期等實際情況，開展山西某泵站涂層材料磨損性能的試驗研究[2]。

1 測試系統

本次磨損測試在中國水利水電科學研究院自主開發研制的水力機械磨蝕測試系統（國家重大科學儀器設備開發專項2011YQ070049）的旋轉圓盤循環系統上開展，該系統為封閉式循環系統，主要由穩壓罐、轉盤室、變頻電機、水泵、冷卻系統及測量儀表等組成，見圖1。

測試系統共有三個相互獨立的工作循環系統組成：

（1）旋轉圓盤磨損循環系統：穩壓罐→水泵2 →轉盤室→穩壓罐；

（2）防止泥沙淤積的大流量攪拌循環系統：穩壓罐→水泵1 →穩壓罐；

（3）冷卻循環回路系統：穩壓罐→風冷冷機→穩壓罐。

測試時，穩壓罐中經大流量循環系統充分攪拌后的含沙水，經動力循環泵2 驅動，從前蓋板的進口管進入轉盤室，當裝有扇形試件的圓盤在變頻電機的驅動下高速旋轉時形成了含沙水對測試試件表面的相對流動，造成試件表面的磨損破壞，用以模擬過流部件表面的擾流。因扇形試件沿半徑方向各點的圓周速度不同，試件上對應各點的磨損量也不同，通過改變圓盤的旋轉速度（試件的相對磨損速度）、泥沙濃度、材料種類等試驗條件，可以獲得磨損量（磨損深度ΔH）隨試驗參數變化規律。

2 磨損試驗參數

2.1 泥沙磨損測試參數

旋轉圓盤磨損試驗分兩組進行，除含沙濃度外，這兩組磨損試驗的其他參數都相同，根據測試結果可以獲得不同含沙濃度條件下不同材料的磨損性能對比。根據泵站水泵過流工況及過機泥沙，磨損測試試驗參數如表1 所示。

表1 發電機主要參數

2.2 泥沙參數

進行旋轉圓盤磨損測試所采用的泥沙為山西某泵站進水口處的黃河河流淤沙，經50 目篩網篩分后的泥沙粒徑級配曲線如圖2 所示，其中D50平均中值粒徑為261 μm。進行磨損試驗測試的泥沙顆粒形貌見圖3。

圖2 沙樣的顆粒級配曲線

圖3 篩分后泥沙顆粒形貌

2.3 測試試件

測試試件為2 種涂層材料，每種材料2 種制備工藝，共計12 件。測試試件原始形貌參見圖4，僅以1 號-Ⅰ（1、2、3）為例。

圖4 試件材料磨損測試前的原始形貌

3 磨損試驗方法

3.1 參數測量

（1）流量測量采用電磁流量計。

（2）轉速測量采用電機主軸部位的轉速測量裝置。

（3）壓力、溫度采用轉盤室部位的壓力傳感器、溫度傳感器測量。

（4）含沙濃度通過置于主循環管路上的測量裝置獲得。

（5）泥沙級配及形狀分析采用QICPIC-R06-MIXCEL 激光粒度儀。

3.2 磨損量測量

磨損量測量采用磨損深度法。將扇形試件放置在專用的具有三維坐標的測量基座上用深度計（Mitutoyo 543-700 B 0-12.7 mm）進行測量，分辨率為1 μm。沿扇形試件半徑方向的中線位置設定為測量線，兩端為基準，中間部分為磨損段，共設13 個測點，測點布置示意圖見圖5。在試驗前與試驗后各測一次，兩次測量值之差即為該組次試件的磨損量。

圖5 扇形試件測點布置示意圖

4 旋轉圓盤磨損測試結果

測試試件磨損后形貌參見圖6，仍以1 號-Ⅰ（1、2、3）為例。測試試件磨損后半徑R=135 mm～195 mm 的中心線相對于基材表面的高度曲線參見圖7～圖10。

圖6 測試試件磨損后形貌

圖7 1 號-Ⅰ磨損后試件表面中心線相對于基材表面的高度

圖8 1 號-Ⅱ磨損后試件表面中心線相對于基材表面的高度

圖9 2 號-Ⅰ磨損后試件表面中心線相對于基材表面的高度

圖10 2 號-Ⅱ磨損后試件表面中心線相對于基材表面的高度

1 號-Ⅰ（1、2、3）和1 號-Ⅱ（1、2、3）、2 號-Ⅰ（1、2、3）和2 號-Ⅱ（1、2、3）、三個測試試件中心線測量點的磨損深度總量（半徑R=135 mm～195 mm）隨半徑的變化趨勢見圖11。12 個測試試件單位濃度的磨損量見圖12。

圖11 試件表面中心線磨損深度總量隨半徑的變化趨勢

圖12 12 個測試試件中心線單位濃度的磨損量

相同含沙濃度同一組磨損試驗中，所有材料試件表面中心線的磨損深度都隨測量點半徑（磨損相對速度）的增大而遞增；1 號-Ⅰ材料三個試件表面中心線磨損深度大于 1 號-Ⅱ材料三個試件表面中心線對應點的磨損深度；2 號-Ⅰ材料三個試件表面中心線磨損深度小于2 號-Ⅱ材料三個試件表面中心線對應點的磨損深度。對于同一個測點（磨損相對速度相同），材料試件表面中心線磨損深度存在如下關系：1 號-Ⅰ＞1 號-Ⅱ≈2 號-Ⅱ＞2號-Ⅰ，兩種涂層材料、四種養護條件的抗磨性能則存在相反的對應關系，即在本次測試條件和材料制備條件下兩種涂層材料、四種養護條件的抗泥沙磨損性能：2 號-Ⅰ＞2 號-Ⅱ≈1 號-Ⅱ＞1 號-Ⅰ。

5 結語

本文對2 種涂層材料在2 種含沙平均濃度下進行了磨損性能試驗研究，確定了磨損試驗評估方法，分別獲得了試驗試件磨損后形貌、試驗試件磨損后半徑R=135 mm～195 mm 的中心線相對于基材表面的高度曲線、試驗試件中心線測量點的磨損深度總量（半徑R=135 mm～195 mm）隨半徑的變化趨勢以及12 個試驗試件單位濃度的磨損量，為泵站涂層材料磨損性能試驗提供一些參考。