澆注聚氨酯耐磨涂層在水輪機轉輪上冠汽蝕區應用

李貴勛，牛金亮，鄭 軍，孔令輝，張 雷

（1.黃河水利委員會黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003；2.河南省水電工程磨蝕測試與防護工程技術研究中心，河南 鄭州 450003）

0 引言

轉輪是水輪機機組關鍵部件，主要由上冠、葉片、下環、泄水錐等部分組成。上冠為混流式水輪機組的重要部件，與葉片、下環焊接形成轉輪，其在水輪機的運行中承受巨大的動水頭壓力和汽蝕破壞，尤其承擔系統的調峰、調頻和事故備用任務的電站，經常處于低負荷、水頭變化幅度大的狀態下運行[1]。多年運行導致在轉輪上冠過流表面產生汽蝕破壞，一旦水輪機上冠過流部位發生汽蝕，隨著運行時間延長，上冠汽蝕破壞的速度會顯著加快[2]。

某水力發電廠裝機容量550 MW，單機容量137.5 MW，為混流式機組，水輪機的型號為HL551-LJ-610，額定流量331 m3/s、額定轉速93.75 r/min，額定水頭47 m，轉輪重量104 t，轉輪公稱直徑6.1 m，轉輪葉片13片。水電站水輪機轉輪自2006年運行到2016年，轉輪上冠汽蝕區域長度為80 cm，2016年運行至2018年汽蝕區已增長至120 cm，汽蝕速度顯著增快。汽蝕破壞會降低水輪機運行效率、損傷流道壁面，造成振動和噪音，甚至影響水輪機組運行的穩定性。目前，水電站針對水輪機汽蝕破壞多采用堆焊技術進行處理，但堆焊需投入巨大人力、消耗大量時間，不僅壓縮了機組的其他檢修時間，而且大大增加檢修的工作量，導致機組運行成本明顯增加。

圖1 水輪機轉輪上冠汽蝕（a：2016年情況；b：2018年情況）

1 破壞原因分析

（1）材質影響

部分水輪機上冠材質與葉片材質不一致，上冠采用的材料抗汽蝕性能較差。據調查，早期轉輪上冠多為20SiMn低合金鋼，該材料具有良好的鑄造性能和焊接性能，常溫下屈服強度≤275 MPa，抗拉強度≤450 MPa，延伸率≤24%。葉片材質多為0Cr13Ni5Mo馬氏體不銹鋼，其屈服強度≤620 MPa，抗拉強度≤790 MPa，延伸率≤15%?？瘴g試驗表明，空蝕12 h后20SiMn的失重量439.40 mg，0Cr13Ni5Mo失重量為164.80 mg，20SiMn低合金鋼的空蝕失重是0Cr13Ni5Mo不銹鋼的2.7倍，20SiMn低合金鋼抗空蝕性能差，因此在水輪機運行過程中，容易在抗空蝕性能差的材料上發生破壞。

（2）高速水流流態影響

水輪機運行時偏離設計工況，尤其在低負荷運行區域，高速水流在上冠、泄水錐及尾水管的中心部分形成較大的負壓區，易產生不穩定流態，當流道內形成了壓力值低于對應溫度下水流飽和蒸汽壓的低壓區時，就會產生渦帶，導致出現汽蝕現象[4]。汽蝕對過流表面破壞先使表面變暗、發毛，繼而形成針孔、麻面、蜂窩狀組織，進一步發展為穿孔及局部金屬脫落。汽蝕會破壞過流表面，降低水輪機效率，并引起水力振動和噪聲，嚴重時甚至影響水輪機運行的穩定性[5]。

2 上冠汽蝕修復方法

（1）堆焊

水輪機轉輪上冠汽蝕區常采用堆焊修復，該工藝施工簡單，可根據現場實際情況靈活操作，工藝合適、質量控制嚴格，該工藝可起到較好的修復防護效果。首先確定堆焊區域，采用打磨或碳弧氣刨等手段對補焊區鏟削，將汽蝕破壞區銹損及蜂窩清理平整，露出基體金屬，選擇合適焊條進行堆焊，堆焊后打磨修型，并進行探傷。但當大面積進行堆焊施工時，需要較多人力、物力，工作量大又耗時，同時由于焊接面積大，易造成修復件內部產生應力而發生變形或者裂紋。另外基體材料經過反復焊接后，基材的性能發生惡化，進一步導致磨蝕破壞加速，從而限制了補焊工藝的應用。

（2）高分子材料修復

水輪機上冠汽蝕區可采用澆注聚氨酯耐磨涂層進行修復[6]。聚氨酯彈性是一種主鏈上有較多氨基甲酸酯官能團的合成材料，由聚酯、聚醚、烯烴等多元醇與異氰酸及二醇或二胺擴鏈劑逐步加成聚合而成，可根據應用需求，調整聚氨酯材料中柔性的長鏈多元醇軟段和剛性的異氰酸酯硬段的比例，使材料既具有橡膠的高彈性，也具有塑料的高強度，同時具有較好的柔順性、耐水性和抗磨性，材料的力學性能可調整范圍廣，特別是其優異抗磨性及抗汽蝕性能適宜于在不同運行工況下的水力機械上應用。該材料施工較簡單，成型條件要求不高、無需高溫，涂層施工工期相對較短，在水輪機小修周期內即可開展，具有較好的應用前景。

表1 聚氨酯彈性體性能指標表

3 澆注聚氨酯耐磨涂層處理工藝

澆注聚氨酯耐磨涂層由高耐磨聚氨酯、高粘接強度底膠等組成，高粘接強度底膠有效增加澆注聚氨酯彈性體涂層與金屬基體的結合強度，在高速水流沖磨下不被剝離。澆注聚氨酯耐磨涂層制備工藝流程如下：

（1）基面處理

利用氣刨機將汽蝕區蜂窩面刨平，清除結構松散金屬層，露出無汽蝕痕跡的母體材料。

（2）噴砂

為了去除物體表面的污垢、油脂、銹跡、氧化層等，使金屬表面粗糙、活化，達到提高涂層的粘結強度的目的，采用高硬度金剛砂做噴砂材料，進行噴砂處理。

（3）安裝模具

先對噴砂面進行刷涂底膠，再制作模具，并用密封材料、支架對模具進行固定。

（4）澆注改性高耐磨聚氨酯

利用壓力式注膠機進行注膠，澆注同時使用真空泵對澆注區域進行抽真空，保障聚氨酯材料順利進入并充滿模具。

（5）加熱固化

采用履帶式陶瓷加熱片、硅橡膠電熱毯及熱電偶等，對涂層進行加熱固化。

（6）涂層修整及周邊防護

拆除模具后，對聚氨酯涂層進行修整，并在周邊用復合樹脂砂漿進行防護。

4 澆注聚氨酯耐磨涂層處理效果

2018年10月，采用澆注型聚氨酯耐磨涂層對某水電站水輪機上冠汽蝕區域進行修復。運行五年后，對涂層防護效果進行檢查。結果發現澆注聚氨酯耐磨涂層周邊防護的復合樹脂砂漿涂層破壞剝落，但澆注聚氨酯涂層基本完整，未見大片剝離脫落現象。由此可見，澆注聚氨酯耐磨涂層和水輪機葉片結合力強，不易發生剝離和撕裂現象，提高了水輪機上冠抗汽蝕破壞能力，起到了優異抗汽蝕防護效果。

圖2 水輪機轉輪上冠防護（a：澆注聚氨酯耐磨涂層；b：聚氨酯+復合樹脂砂漿涂層）

圖3 澆注聚氨酯耐磨涂層運行五年后效果

5 結語

澆注聚氨酯耐磨涂層技術在水輪機轉輪上冠進行應用，能有效防護上冠過流面，提升上冠抗汽蝕性能，減輕上冠汽蝕破壞程度，為水輪發電機組安全穩定運行提供保障，該項技術的應用對類似水輪機轉輪上冠汽蝕破壞修復與防護有較好的參考價值。