引黄工程中水泵磨蚀防护措施发展现状综述

毛潭+张广涛+张勇杰+牛维嘉

[摘要]引黄工程中由于黄河水泥沙含量大，由此产生水泵磨蚀问题，严重影响取水工程。文章对现有水泵抗磨蚀措施及技术进行了分析，并针对引黄工程中常用离心泵的磨蚀问题，提出改进措施。

[关键词]引黄工程；水泵；抗磨蚀

1前言

引黄工程中水泵面临着严重的磨损和气蚀问题。若不能解决水泵的磨蚀问题，就难以保证泵站长期高效运行。国内许多学者对于水泵抗磨蚀问题进行研究[1-4]。20世纪80年代，黄河水利科学院研究开发并成功推广应用环氧金刚砂涂护抗磨技术 [5]，90年代环氧金刚砂涂料研究有了进一步的研究与改进，复合树脂金刚砂抗磨涂料问世[6]。为实现抗磨蚀、延长机件使用寿命的目的，还有很多其他技术也有使用，如改性聚氨酯抗磨蚀材料、改性超高分子量聚乙烯涂层及复合尼龙抗磨蚀涂层、超音速火焰喷涂防护技术 [7]。笔者通过分析常用水泵抗磨蚀技术的应用情况及存在的问题，对水泵磨蚀防护提出建议。

2水泵磨蚀问题分析

水泵磨蚀的主要原因有以下几点：泵站扬程较高，泥沙磨损，水泵易损件（叶轮 、密封环） 设计和制造存在的不足以及泵站设计、运行存在较多的问题等。水泵的磨蚀由以上几种因素综合作用造成，其中最主要因素是扬程和泥沙。黄河泥沙中成分比较坚硬，而制造水轮机叶片的金属硬度远小于沙粒硬度。在扬程较高的前提下，泥沙磨损伴生气蚀，气蚀又加剧磨损，从而引发严重的磨蚀问题[8]。常见磨蚀部位有叶轮与泵壳，叶轮与密封环间隙等。

3常见水泵抗磨蚀防护措施

3.1合理的结构设计及母体材料选择

通过分析水轮机磨蚀的机理我们可知，泥沙磨蚀的强度与流速高、脱流、旋涡有很大联系。不合理水轮机流道设计很大程度上加重磨蚀的形成[9]。抗磨蚀材料从总体上讲应具备结构致密、韧性强、质量均一、结晶颗粒细、拉力强、硬度高、疲劳极限高的综合性能，同时材料应该具备可加工性和可焊性[10]。总之，合理的结构设计及母体材料选择是防护水轮机磨蚀重要因素，可以从根本上提升水轮机的抗磨蚀性能和使用寿命。

例如：在结构设计上，在轴套上增加一个防磨损套，使防磨损套与泵体之间保持相对静止；在叶轮上增加耐磨口环，减少更换整个叶轮，从而达到更高的性价比。在材料选择方面上，泵体材质采用优质ZG310-570铸钢件，叶轮材质采用ZG0Crl3Ni4Mo，耐磨口环采用ZG0Cr17Ni4Cu4Nb，轴采用2Cr13或ZG2Crl3等，都具有较好的强度和硬度，以及优良的抗磨蚀性能[11]。

3.2常见抗磨蚀涂层防护措施

3.2.1合金粉末喷焊或喷涂

热喷焊合金粉末是通过一定的方法将合金粉末熔融在母体表层内的一种工艺，抗磨蚀效果明显，而且价格较低、方法简单、结合力强、适合于现场加工、便于推广的优点，具有极大的经济效益和社会效益[12]。同时该工艺也存在着不足之处，如在喷涂过程中会产生高温，而高温则很容易造成叶片变形。因此，在该工艺过程中，一定要要严格控制变形，否则会严重影响流态和机组效率。与此同时，喷涂合金粉末是一种物理结合，缺点是与本体附着力差，防护效果较差[10]。喷焊较适用于小型水力机械抗磨蚀的防护，当应用于大中尺寸薄工件时，会造成工件变形和厚大工件的喷焊层龟裂、脱落和喷焊工艺等问题 [13]。

3.2.2超高音速喷涂

超高音速喷涂[14]是将高速碳化钨粒子（WC）冲击水力机械表面并镶嵌到母体中，从而得到底层与母体超高的结合强度，硬质点嵌入过流部件本体表面的强度较高，表面整体性和型线较好。高速火焰喷涂技术[15]（HVOF）是超高音速喷涂的一种，很适合对水泵叶轮进行抗磨蚀处理。但该技术在抗空蚀性能方面仍有不足：当涂层破坏，母材则很快被磨蚀，出现较深的孔洞[16]。HVOF-WC喷涂技术复杂，70%的碳化钨含量有利于提升水泵抗磨蚀能力，但是成本却很高[17]。目前仅限于在大机组及磨蚀涂层试验机组进行。

3.2.3金属焊条堆焊

金属焊条堆焊设备简单、技术成熟，目前仍是最普遍的抗磨损修复方法，常用于国内一些中小型水电站中。我国用于水机磨蚀堆焊的焊条主要有[18]：高铬铸铁型、Cr-Ni奥氏体不锈钢型和低碳马氏体不锈钢型等。但是对于水力机械过流部件浆体，金属焊条堆焊并不是完全适用。如焊条堆焊冲淡率大，焊层厚且不均匀，基体材料的可焊性要求高等[19]。

3.2.4非金属涂层

水泵在非金属材料方面[20]，先后使用环氧金刚砂浆、聚氨酯橡胶（德国）、热喷涂尼龙、高分子聚乙烯等材料，多用于水机活动导叶、转轮室、叶片正面、头部等区。目前，国内材料主要有环氧聚合物、复合尼龙和聚氨酯系列；国外主要是环氧和聚氨酯系列。环氧聚合物开始阶段有比较严重的脱落现象，耐空蚀性能也较差，对中等空蚀的保护其仍存在不足[21]。改性环氧树脂黏结力强、操作简单、抗磨蚀性能好、价格便宜的优点[22]。但不适用于水泵泵轴与轴套、叶轮与口环之间的摩擦面的涂护[23]。

3.2.5涂层技术与其他技术相结合

对于提高持续工作能力而言，合理的选材非常重要，与此同时，为了达到更好的效果可以结合其他的抗磨蚀技术[24]。如将板焊接叶轮与焊补修复及表面涂敷非金属抗磨蚀材料技术相结合[25]。钢板焊接叶轮技术是采用Q235钢板热压焊接成型的叶轮，提高了水泵的抗磨蚀能力。针对叶片等过流表面，利用改性聚氨酯复合树脂涂护技术对其表面进行涂护，叶轮与口环相摩擦的表面同样也可以进行涂护，可有效提升叶轮抗磨蚀能力 [26]。延长叶轮磨蚀时间，增加水泵抗磨蚀修复的时间间隔，降低水泵修复、维修成本，使水泵的持续工作能力大大增强。

3.3其他措施

越来越多的新技术、新工艺、新设备和新材料在水泵抗磨蚀中发挥作用，如用磨削机对混流式水轮机转轮进行的检修技术[27]。减少过机泥沙也是防磨蚀的一种有效措施，不但能保证水电站的正常运行，而且对机组的磨蚀也明显的减少[25]。

4讨论

面对引黄工程中水泵面临着严重的磨损和气蚀问题，必须采取有效的解决水泵的磨蚀问题的防护措施，只有这样才能保证泵站长期高效运行。对国内现有水泵防护措施进行调查分析表明，合理的结构设计及母体材料选择是防护水轮机磨蚀重要方法，可以从根本上提升机器抗磨性能和使用寿命。但是如何在选材和设计上提升水泵的持续使用能力问题仍需思考。涂层技术中合金粉末喷焊或喷涂价格较低、方法简单，适用于小型的水泵的抗磨蚀；超高音速喷涂可实现更高的硬度和更好的耐磨损性，抗空蚀能力相对稍差，工艺较严格，仅限于在大机组及磨蚀涂层试验机组进行；金属焊条堆焊技术简单，但冲淡率大，适用于中小型泵站叶片及叶轮室的局部修补；环氧树脂涂层价格较低，适用于气蚀不太严重的条件；改性树脂涂层材料价格较低抗磨蚀能力较强，适用于过流面和气蚀破坏的地方，不适用于水泵泵轴与轴套叶轮与口环等摩擦面的涂护；Q235钢板焊接叶轮与焊补修复，降低成本提升持续使用能力，适用于大中型泵站叶轮抗磨蚀的保护处理；减少过机泥沙和先进修复工具分别通过减少过泵泥沙量和提升修复效率来增强水泵持续使用能力。

目前在引黄工程中常用SLOW泵型单级双吸中开蜗壳式离心泵，经过对现有的水泵抗磨蚀防护措施分析，笔者提出改进措施：耐磨环可以采取选用表面碳氮共渗的1Cr13或2Cr13不锈钢做耐磨环从材料上提升耐磨蚀能力；Q235钢板热压焊接成型的叶轮，提高水泵的抗磨蚀能力；叶片等过流表面采用改性聚氨酯复合树脂涂护技术，叶轮与口环相摩擦的表面采用合金粉末喷涂（焊）技术进行涂护。泵体磨损采用金属焊条堆焊。

5结论与展望

本文总结了水泵磨蚀的原因及机理，同时分析了国内常见水泵磨蚀防护措施的优缺点及对水泵防护措施选用提出初步的建议。毫无疑问水泵磨蚀涉及方面极其广泛，本文仍有很多方面有待改进。如黄河上水电站的水轮机磨蚀规律及特点大致相同，但由于水泵选用、地理环境、泵站规模等方面有所差异。因而在选用防护措施时需要更有针对性，从而达到更好的抗磨蚀效果。不仅如此很多防护技术如超高音速喷涂、非金属涂层等技术有着很大的发展空间。随着技术的进步，未来必将在抗磨蚀中发挥越来越大的作用。

参考文献：

[1]陈德新，杨建设.多泥沙河流水轮机的抗磨蚀对策[J].人民黄河，2003（5）：43.

[2]陈莹，陈德新.多泥沙河流水轮机磨蚀的防护技术[J].华北水利水电学院学报，2006（2）：60.

[3]任岩，陈德新.黄河上水电站水轮机磨蚀及防护的研究[J].水力发电，2007（1）：51.

[4]朱雪凌，任岩.三门峡水电站水轮机磨蚀与防护研究[J].人民黄河，2010（6）：102.

[5]王春华.环氧砂浆抗磨技术在青铜峡水电站转轮叶片上的应用[J].科技资讯，2006（4）：24.

[6]温鸿浦，鲍子云.水泵抗磨蚀技术在宁夏扬黄灌区的应用研究[J].人民黄河，2013（6）：97.

[7]李全盈.陕西省东雷抽黄工程河源来水规律及存在问题的对策[J].西北水力发电，2003（3）：31.

[8]李雪麟，杨安林.黄河多泥沙水源离心泵站水泵磨蚀成因及防治对策[J].中国农村水利水电，2009（2）：91.

[9]王小梅.双吸多级离心泵在东雷二级站的应用[J].现代农业科技，2015（11）：212.

[10]王志高.我国水机磨蚀的现状和防护措施的进展[J].水利水电工程设计，2002（3）：1.

[11]杨旭.山西省万家寨引黄入晋北干线工程平鲁地下泵站水泵抗泥沙磨蚀设计[J].民营科技，2011（12）：352.

[12]储训.水泵抗泥沙磨损、抗气蚀合金粉末喷焊的材料及工艺[J].水泵技术，1999（5）：16.

[13]王者昌.水轮机部件过流表面的金属材料磨蚀防护[J].水电站机电技术，2014（2）：3.

[14]王汉功，汪刘应.超音速喷涂技术与应用[C].第六届全国表面工程学术会议暨首届青年表面工程学术论坛论文集，2006：25.

[15]余江成，吴剑.HVOF涂层材料的抗磨蚀特性与应用分析[J].水力发电学报，2004（5）：123.

[16]任岩，李兴易.高速氧燃喷涂碳化钨在水轮机磨蚀防护中的应用[J].水力发电，2009（8）：61.

[17]王璞.大禹渡枢纽二级泵站水泵磨蚀综合防治技术简述[J].山西水利，2013（9）：37.

[18]许健.0Cr13Ni4-6MoRe抗磨性电焊条在水电站抗磨蚀修复中的应用[J].水利水电技术，1998（6）.

[19]胡少坤.我国水机磨蚀的现状及防护材料的发展[J].水科学与工程技术，2009（1）：55.

[20]张阁，周香林.水轮机过流部件用高耐磨耐蚀涂层制备技术[J].表面技术，2004（1）：4.

[21]王华.交口灌区水泵抗磨蚀技术应用浅析[J].陕西水利，2013（5）：141.

[22]王学福，冉渔.基于数值模拟的双吸离心泵磨蚀预估[J].中国农村水利水电，2013（4）：144.

[23]武现治，吴四民.改性聚氨酯抗磨蚀材料在机组过流部件的应用[J].人民黄河，2010（3）：104.

[24]陈德新，杨建设.多泥沙河流水轮机的抗磨蚀对策[J].人民黄河，2003（5）：43.

[25]阳莉，李延频.混流式水轮机磨蚀与防护措施研究[J].人民黄河，2010（12）：213.

[26]李娜，许建中.我国沿黄高扬程提灌泵站水泵站磨蚀问题及解决方案[J].中国农村水利水电，2013（8）：178.

[27]孟安波，颜廷松.多泥沙河流水电站机组检修策略的探讨[J].水力发电，2007（12）：47.