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陶瓷高分子材料在引滦工程水泵汽蚀修复技术中的应用
作者:管理员    发布于:2014-04-17 08:57:35    文字:【】【】【

引滦工程全长234km,自于桥水库以下有3座提升加压泵站,共安装着27台机组,其中18cj-63立式轴流泵12台、18CJB-34立式轴流泵5台和l400ZLQ立式轴流泵10台。由于轴流泵汽蚀性能相对较差,汽蚀作用更为显著,在叶型汽蚀、间隙汽蚀、导叶汽蚀的共同作用下,叶片和叶轮室使用周期较短。引滦入津工程是专门为天津市城市供水的,泵站基本处于常年运行状态,水泵的叶片和叶轮外壳经常出现蜂窝形带状和环形的汽蚀沟,使水泵的叶轮和叶轮室的径向间隙严重超过原机组设计要求,造成水泵机组容积泄漏增大、输水效率严重降低以及机组运行时很容易产生振动问题,对泵站机电设备完好率和机组的使用寿命影响很大。为此,这些年先后采用了几种修复方案,通过对比分析以期得出性价比较高的方案。

    (1)汽蚀形成的原因及危害
    汽蚀又称空蚀,是水利机械中的异常现象,是由于水的汽化而引起的剥蚀作用。水和汽是可以互相转化的,转化的条件是温度与压力。水在水泵流道内流动,流道内的水流压力是不断变化的,在吸水口处压力最低,达到500~-600mm汞柱,等达到了水在该温度下的汽化压力,部分流道的水就开始汽化,汽化的结果是使水流中产生许多气泡,气泡中充满了水蒸气和由于进水处产生的漩涡而夹带着的大量气体进入水泵叶轮室,气泡随着水流的流动,就会像无数个弹头一样,频率很高地连续不断击打叶片和叶轮外壳的金属表面,金属表面逐渐疲劳而破坏,同时在气泡中还夹杂着一些活泼气体,如氧气等,借助气泡凝结所释放的能量对金属表面产生化学腐蚀作用。产生汽蚀的其他原因还有流道表面不光滑、粗糙;叶轮淹没深度不够,机组长期在低水位输水运行,前池蓄水容积较小,进水口处的水面有漩涡产生,输水运行条件复杂及土建、机械设计不合理等许多因素,使叶片和叶轮外壳出现汽蚀现象。总之,汽蚀的产生比较复杂,需要进一步结合实际加强研究。
    (2)汽蚀修复方法介绍
    引滦泵站水泵抗汽蚀性能都比较好,安装也达到了设计要求。在1998年和2000年分别由水利部泵站测试中心进行了测试,经对汽蚀产生的原因进行分析,发现主要是间隙汽蚀。为此,先后尝试了各种方法,现归纳起来主要有以下几种。
    ①金属修补剂及其添加物修补法  其方法是对汽蚀部位表面进行喷砂处理除锈或用砂轮打磨进行表面除锈,直到金属表面全露出金属光泽,根据汽蚀表面大小及深度,采用一定量的金属修补剂按比例拌和填合物,对其表面涂抹,等完全固化后(一般24h),用靠模和砂轮机进行修整,达到原部位的设计尺寸要求,有条件时可上车床车削加工。
    金属修补剂的填合物可以用二硫化钼、氧化铝料,也可以用高标号水泥。宜兴埠泵站和潮白河泵站都采用过此种方法。如大张庄泵站1#机运行4298台时以后,1987年5月进行解体大修,发现在叶轮室和叶片处存在轻度汽蚀现象,采用环氧树脂进行汽蚀修复;经过12808台时的运行,1995年再一次对1#机组进行解体大修,发现汽蚀非常严重,涂层已经脱离了金属表面,叶轮室出现了深达l 5mm(叶轮外壳最薄处只有35mm厚)、宽度在150mm的蜂窝状圆周汽蚀带,在叶片上出现了深度达20mm的蜂窝状汽蚀带。由此可见,金属修补剂极易脱落,寿命太短。
    ②不锈钢焊条修复法  对于汽蚀比较严重、面积比较大并且深度较大的部位,最好采用不锈钢焊条堆焊法。在破坏区域补焊前,首先对侵蚀区域进行仔细打磨,这一道工序很重要。打磨过深,增加焊接工作量和费用;打磨太浅,影响焊接质量。堆焊不锈钢必须用直流电焊机,用奥l02、107、1 12、1 32不锈钢焊条以及进口的18-8系列或25-20系列的不锈钢焊条进行堆焊,才可能保证很高的抗汽蚀稳定性,但价格高、费用大。目前,大都采用高铬锰耐汽蚀堆焊条堆277、276,它是低氢型药皮的堆焊电焊条,采用直流电源,焊接后焊缝富有弹性,并具有良好的抗裂性能。但是,焊接前必须对汽蚀部位进行预热。实践证明,在低温下进行堆焊应力大,变形大,容易产生裂纹,所以必须将叶轮室进行整体预热,因叶轮室尺寸太大难以进行整体预热,则应设法把周围环境的温度提高到20℃以上,而避免在15℃以下进行焊接。因为电焊机所产生的电弧最高温度可达5000℃,焊条熔化成铁水的温度在1500℃,叶轮外壳在焊接修补过程中,局部温度过高极易产生变形。在一般情况下,要完全控制变形量非常困难,而处理对象叶轮室和叶片的几何尺寸精度要求又很高,哪怕一点点的变化都能改变水的流态,使输水量大打折扣。另一方面,由于不锈钢焊条主要成分是铁元素,铁元素抗汽蚀的性能很低,水泵的叶轮、叶轮室经过一段时间运行后还会产生汽蚀。对水泵机组长时间抗汽蚀效果也不十分理想。
    ③镶嵌奥氏体不锈钢衬板抵御汽蚀法  此种方法是将叶轮外壳整体上机床,对其容易产生汽蚀的部位进行车削,把不锈钢衬板镶嵌在车削的槽内,并焊接牢固,再上车床机械加工,使其达到所需要的尺寸精度。或者在大泵制作时就将叶轮室内镶入不锈钢衬板。这种做法技术工艺要求较高,必须到有加工技术能力的厂家进行。目前,潮白河泵站5#机运行4169台时的叶轮室就是用此种方法修复的。
    此种方法除工艺水平要求高外,还要对汽蚀的部位找准,特别是新制造的叶轮室尤其重要,否则一点点的疏忽将造成重大的经济损失。如尔王庄暗渠泵站1997年改造时,全部安装无锡水泵厂制造的镶嵌不锈钢衬板的叶轮室,由于汽蚀部位不准确,不锈钢衬板偏离了汽蚀中心带,只运行了两年多,到2000年3月运行1 1075.7台时就发现6#机组响声异常,停车检查发现不锈钢衬板边沿汽蚀,形成了一个深10-20mm、宽10-20mm的汽蚀槽,不锈钢衬板被涮空了,致使不锈钢衬板裂缝、脱落。幸亏运行工人及时停车,否则将酿成重大设备损坏事故。因为是设计缺陷,10台大泵运行台时最多的是6#机组11075.7台时,最少的是3#机组4972.1台时。为此,不得不全部返回无锡水泵厂翻修改造,这一时期给正常输水带来极大困难。10台大泵叶轮室全部翻修,经济损失数十万元。
    ④陶瓷复合材料修复法   陶瓷复合材料是高分子聚合物、陶瓷粉末和弹性材料等材料的复合物。操作过程是,首先对叶片和叶轮外壳汽蚀部位表面进行喷砂处理或砂轮机打磨表面处理,使其金属表面全部露出金属灰白色光泽。然后,根据汽蚀的情况选定用量,充分拌和均匀所需陶瓷复合材料,对其汽蚀表面进行涂抹,使其充分进入汽蚀蜂窝孔中,等陶瓷复合材料初步固化后(4h),再对其汽蚀表面进行第二遍涂抹固化(24h),然后用靠模和砂轮机进行修整,有条件可上车床车削加工,加工到与原部位的设计尺寸还差约1mm时,选用细颗粒陶瓷浆液,涂覆于叶轮表面,达到原部位的设计尺寸要求,使叶轮表面光滑,减少涡流摩擦损失。l995年7月在大张庄泵站1#机组解体大修过程中,采用陶瓷复合材料对水泵机组叶片和叶轮外壳汽蚀部位进行了修复,效果比较理想,应积极推广应用。
    ⑤叶轮和叶轮室用不锈钢材料制作法  尔王庄暗渠泵站10台机组1 998年投入运行,采用镶嵌不锈钢板的方法对汽蚀破坏区进行了修复,但是到2000年出现了钢板撕裂、叶轮扫膛的现象,迫使机组停机。经技术人员现场分析,认为修补的汽蚀带宽度不够,所用不锈钢材料及焊接温度处理不妥,造成上述问题。鉴于尔王庄暗渠泵站24h都不能停机的现状,采取了用不锈钢整体浇注叶轮和叶轮室方法,经过2002、2003和2004年3年的解体检修检验,基本无汽蚀情况。
    (3)几种方案优劣综合比较
    以上几种方案在引滦泵站先后均采用过。经过技术性能分析比较发现,上述方案各有优缺点。金属修补剂及其添加物修补法操作简单、价格低廉,但是脆性大、抗高频冲击性能差、抗剥离的强度低等,适宜用于小面积的、浅层次的汽蚀破坏;不锈钢焊条修复汽蚀法工艺简单,抗汽蚀稳定性高,但价格高、费用大,适宜用于小面积的、浅层次的汽蚀破坏;镶嵌奥氏体不锈钢衬板抵御汽蚀的方法工艺较复杂,抗汽蚀性能较好,但工艺要求高,费用也较高,适宜比较重要的泵站采用;陶瓷复合材料修复法工艺简单,抗汽蚀性能较好,费用较低,建议采用;整体用不锈钢浇注法抗汽蚀性能较好,但费用昂贵,基本等于重新置买新叶轮,无实际意义,不值得推广。

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