摘要：高分子修復防護技術(shù)，有別于傳統的修復技術(shù)，它以其獨特的設備修復保全手段、卓越的涂層防護措施、明顯的增效降耗效果，在水利、電力等眾多工業(yè)企業(yè)中，都受到了廣泛的好評，也為企業(yè)的設備安全穩定運行，做了突出的保駕護航工作。

關(guān)鍵字：葉輪  汽蝕  修復  高分子修復  增效降耗

水電站水輪機組運行過(guò)程中，受到上游的水位、水流、水中雜物以及本身設計缺陷等因素的影響，造成葉輪汽蝕，這也是國內水電站運行中非常普遍的現象。本文通過(guò)在國電寧國劉村壩水電站的應用實(shí)例，介紹了傳統解決方案與高分子解決方案的優(yōu)劣對比，并做了詳細探討、分析、意見(jiàn)建議等，希望能對國內水電站設備維護工作有所借鑒。

一、 國內水電站處理汽蝕的傳統方法。

1， 葉輪汽蝕補焊：

補焊工藝做為一種傳統修補方法，由于其具有普遍性和公認的風(fēng)險可控性，采用這種方式較為普遍，但是在實(shí)際應用過(guò)程中，補焊工藝在后期維護中，出現的一系列相關(guān)問(wèn)題，也是非常明顯。

1.1，補焊工藝是一種熱加工工藝，在焊補過(guò)程中葉輪體局部受熱，溫度急劇升高（預熱600-700℃，局部溫度在1500℃以上），很容易產(chǎn)生不可逆轉的熱變形、微裂紋等現象，給設備帶來(lái)了永久損壞^①。

1.2，劇烈溫度升降，產(chǎn)生了大量熱應力集中，不能消退，造成了設備運行潛在風(fēng)險，所以很多企業(yè)在葉輪焊補后，發(fā)現葉輪表面，短時(shí)間內，又發(fā)生了汽蝕現象，其實(shí)很大一部分原因，就在于熱應力集中，造成表面和焊補邊緣具有潛在微缺陷點(diǎn)，在負壓下，應力釋放更快，汽蝕很快就發(fā)生了^②。

1.3，焊補變形的發(fā)生，決定了不能連續施焊，只能間隔施焊，并緩慢冷卻，所以補焊是非常費時(shí)間的工藝。為了使焊補工藝做好，焊補之后，要進(jìn)行葉片塑性、校板等，打磨工藝繁雜費時(shí)。最后還要對焊縫使用氣刨、打磨機等工具，進(jìn)行刨、磨，再施焊、直至打磨平整，是及其不易操作和費時(shí)的。各步操作中，稍有不慎，就會(huì )產(chǎn)生很大的潛在風(fēng)險。

2，更換葉輪：

  更換葉輪做為最直接處理汽蝕缺陷的手段，也有一部分企業(yè)在檢修階段進(jìn)行了改造，更換葉輪對于具有改造條件的企業(yè)來(lái)說(shuō)，也許是一個(gè)臨時(shí)處理手段。但是有以下幾點(diǎn)說(shuō)明：

2.1，更換葉輪，是不能消除機組運行過(guò)程中汽蝕作用對設備本體的損壞，運行一段時(shí)間，還是會(huì )使設備本體發(fā)生汽蝕缺陷和凹坑，這種損壞也是永久性的。

2.2，資源浪費，使本可以再修復完好的舊葉輪做了報廢處理，浪費了資源。

2.3，更換新葉輪的成本較大，供貨周期長(cháng)，安裝調試復雜。

2.4，對于不具備更換葉輪條件的企業(yè)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)根本行不通的方法。

當然還有其他處理方式，比如環(huán)氧金剛砂，粉末焊等，都存在不少缺陷。

二、高分子修復技術(shù)簡(jiǎn)介。

  高分子修復技術(shù)，作為一種先進(jìn)的修復技術(shù)，在國外具有幾十年的應用歷史，受到了廣泛好評。其核心在于采用了先進(jìn)的進(jìn)口修復材料和涂層防護材料，對設備進(jìn)行不動(dòng)火在線(xiàn)修復，常溫固化，此修復技術(shù)，具有無(wú)應力、無(wú)收縮、無(wú)變形等特點(diǎn)，修復和塑性方便快捷，可以實(shí)現快速處理汽蝕問(wèn)題，大大縮短了設備停機時(shí)間。防汽蝕超滑陶瓷涂層，是一種具有金屬性能的非金屬防護層，無(wú)視空蝕時(shí)劇烈的能量變化對基體的影響，阻止氧腐蝕的發(fā)生，進(jìn)而可以延緩汽蝕的發(fā)生，保護本體不受汽蝕損壞，降低因為阻力而產(chǎn)生的不必要能耗，提高設備運行效率，大大延長(cháng)了設備使用壽命。

  此技術(shù)廣泛應用與電力、水利、石化、鋼鐵、造紙、水泥等工業(yè)企業(yè)，提供設備保護性修復和防護，保證設備安全穩定運行，為工業(yè)企業(yè)的設備起到了保駕護航作用。

二、 高分子修復技術(shù)在國電寧國水電站應用

  寧國劉村壩水電站，為3*2MW貫流式發(fā)電機組，本次應用是1#水輪機，其葉輪材質(zhì)為鑄鐵，葉片已經(jīng)焊死，不可拆解，而且已經(jīng)使用了十多年，期間發(fā)生了汽蝕，也做過(guò)焊補工藝，到目前為止，汽蝕也是非常嚴重的，設備運行不穩定，震動(dòng)和噪音較大，效率降低，造成水能源的浪費。如下圖：

由上圖可見(jiàn)，其葉片汽蝕主要發(fā)生在葉片邊緣和根部，最深處在1cm以上，葉片減薄嚴重，邊緣部位出現鋸齒狀缺陷，幾乎失去了原有形狀。由于之前焊補的原因，留下了大小不一的高點(diǎn)和不均勻的蠕變缺陷。

南京貝佐納工程技術(shù)有限公司，了解到這個(gè)情況后，與電站負責人共同制定了有效解決方案，采用保護性修復方法——高分子修復技術(shù)，對葉輪進(jìn)行保護性修復和防護，避免了傳統修復方法的缺點(diǎn)和對設備的再傷害。其主要步驟如下：

1，噴砂：由上圖可知，葉輪銹蝕嚴重，而且汽蝕坑很深，所以必須進(jìn)行噴砂處理，徹底除銹，也使較深的汽蝕坑得到很好的除銹效果和粗化處理。正常情況下，采用標準壓縮空氣壓力5-7公斤，排氣量必須大于3m³，表面處理之后，其表面滿(mǎn)足瑞典標準Sa2.5，或者表面粗糙度不小于75μm。做好表面處理，是成功的先決條件，所以噴砂是至關(guān)重要的。噴砂之后表面如下圖：

2，打磨高點(diǎn)：由于之前做過(guò)焊補，留下了一些尖尖的鋒銳高點(diǎn)和不正常的隆起，必須先進(jìn)性打磨處理，把高點(diǎn)和隆起部位打磨至原來(lái)基體輪廓的位置。同時(shí)也可以使后期修補有了基準點(diǎn)。

3，清洗：噴砂打磨之后，必須使用專(zhuān)用清洗劑。對表面進(jìn)行徹底清洗，以去除表面浮灰、雜物、油脂等，否則會(huì )影響材料與基體的結合。

4，預涂覆：由于汽蝕凹坑非常深，部分達到1cm以上，必須先使用英國DEP202陶瓷金屬涂層材料，進(jìn)行預涂覆，用毛刷、刮板等工具，用力使涂層材料充分侵潤并填充到凹坑內，這樣才能保證修復不留空。

5，修復：汽蝕部位涂覆完成，待材料表固，就可以調制英國DEP201陶瓷金屬修復材料，進(jìn)行汽蝕缺陷修復和塑性等操作，如下圖：

   汽蝕缺陷修復（光亮地方是燈光，非電焊）              邊緣修復塑性

6，打磨毛刺：修復完成后，常溫下，至少固化6小時(shí)，待修復材料固化，要進(jìn)行簡(jiǎn)單打磨，去除表面修復時(shí)留下的小的毛刺，盡量使表面光滑平整。

7，涂層：涂覆防汽蝕防護涂層，分為兩層，每一層濕膜厚度在200-300μm，第一層采用深灰色的DEP202陶瓷涂層，第二層采用灰白色DEP203超滑陶瓷涂層。區別顏色，可以有效防止漏涂現象，而且還可以使表面更加光滑美觀(guān)，使水流在表面的阻滯力降低，使流體在設備中運行更加順暢，降低汽蝕損害程度。涂覆完成之后，現場(chǎng)照片如下：

8，固化：常溫下（25℃）自然固化24小時(shí)，就可以完全固化，設備既可以投入使用。由于季節原因，本次修復是在冬季，環(huán)境溫度較低（5-10℃），材料固化慢，要延長(cháng)完全固化時(shí)間，方可投入使用，否則將影響修復效果。

四、高分子技術(shù)在本次葉輪應用的相關(guān)探討

  本次應用，電站出于各方面考慮，只是修復和防護了葉輪背水側汽蝕嚴重的一面，解決了汽蝕問(wèn)題，從專(zhuān)業(yè)角度和長(cháng)遠角度來(lái)看，要想獲得更好的防護效果，建議正面也要做涂層防護，其好處有以下兩個(gè)方面：

   1，正面和背面整體做了防汽蝕防護陶瓷超滑涂層之后，防護涂層體系具有完了整性，盡量避免了邊緣缺陷點(diǎn)，從而避免渦流的行成，可以延長(cháng)了有效防護時(shí)間。

   2，由于葉片背水面運行時(shí)產(chǎn)生負壓，當壓力P_k≤P_va時(shí)，汽蝕會(huì )發(fā)生。其中P_k為葉片入口壓力，P_va為液體輸送溫度下的飽和蒸汽壓力^③。

正面若做好防護超滑涂層，就可以使上游的水順暢的通過(guò)葉輪做功，不會(huì )因為銹蝕而導致粘阻力過(guò)大，流體的順暢運行。

根據：P_K=△F /S----------公式①

      △F=mg= ρvg= ρv₀△tSg----公式②

把公式②代入公式①中，得：

P_k=ρv₀tgS/S=ρv₀△tg-----公式③

  又根據流體雷諾系數：

Re =ρv₀d/μ〓〉v₀=ρd/μRe-------公式④

 再把公式④代入公式公式③中，得：

P_k =ρ²d△tg / μRe -------公式⑤

其中P_k葉片背面入口壓力；           △F為上游水對葉片的作用力；

ρ為流體密度（常數）；               μ為運動(dòng)阻力；

v0為流體速度；                     d水流直徑（同樣工況下數值固定）；

△t為時(shí)間（單位時(shí)間，可取1秒）；   Re為雷諾系數（常數）；

g為重力系數（常數）；               S為受力面積（單位面積）；

通過(guò)公式⑤可以看出，除了葉片入口壓力P_k和運動(dòng)阻力μ為變量外，其他數據都認為是常數，而且P_k和μ之間呈反比關(guān)系。那就意味著(zhù)，葉輪正面的阻力越小，流體到背面的入口壓力越大。

上游同樣工況下的水流，若做好正面超滑涂層，使流體阻力降低，入口壓強將增大，而水在同樣溫度下的飽和蒸汽壓力是不變，根據汽蝕發(fā)生條件：P_k≤P_va，P_k因為阻力μ減小而增大，勢必會(huì )降低汽蝕發(fā)生的程度。同時(shí)，背面涂層減少氣泡在背水側聚集，以此設備的汽蝕化程度將大大減低，汽蝕損害將會(huì )降到更小，設備使用壽命也會(huì )延長(cháng)。

對葉輪進(jìn)行整體防汽蝕防護，不管是出于設備完整保全考慮，還是出于設備安全穩定運行考慮，都會(huì )使涂層的有效防護時(shí)間和設備使用壽命延長(cháng)，所以對葉輪進(jìn)行整體保護，是非常有必要的。

五、高分子技術(shù)在汽輪機組的延伸應用

  高分子修復技術(shù)在，在水電站應用，絕不僅僅止于葉輪，對于整個(gè)機組的導葉體、腔體、軸等所有過(guò)流面，具有良好的保護外，還能降低水流在設備中阻滯力，提高設備運行效率。關(guān)于通過(guò)涂層進(jìn)行節能增效這方面的應用和效果，已經(jīng)得到國內外眾多著(zhù)名廠(chǎng)家和研究機構的認可。就以DEP203超滑涂層為例，此涂層屬于自流平涂層，經(jīng)過(guò)涂覆之后，正常完全固化后，其表面光潔度可以達到Ra<0.068，其光潔度是不銹鋼的20倍。

  增效降耗原理如下：

  流體在腔內流動(dòng)時(shí)，其速度大小和方向都發(fā)生變化，且流體受到干擾和沖擊，使渦流現象加劇而消耗能量。其阻力的大小，可采用阻力系數法計算。局部阻力引起的能量損失表達式如下：△P=ŋρu²/2

△P 為能量損失，ŋ為局部阻力系數。在湍流的情況下， 主要與絕對粗糙度及泵腔尺寸有關(guān)，粗糙度愈大，ŋ愈大，由上式可知，提高過(guò)流面與流體接觸面的光潔度，降低阻力系數，從而降低能量損失，是一條提高舊泵、舊機組效率的重要途徑之一^④。

六、結語(yǔ)

  通過(guò)比較各種汽蝕修復手段的優(yōu)劣性，針對劉村壩水電站1#機組葉輪汽蝕修復和防護的實(shí)際案例，我們可以了解到，高分子修復技術(shù)，是一項先進(jìn)的保護性修復手段，也是目前最為安全、快捷、穩定的解決方案。再通過(guò)探討汽蝕原理及其相關(guān)延伸應用，我們也了解到了高分子修復防護技術(shù)，不但在汽蝕修復方面具有獨到之處，而且在于汽蝕防護、節能降耗方面，都具有其他涂層所不比的優(yōu)越性。高分子修復防護技術(shù)因其獨到技術(shù)優(yōu)勢，所以在工業(yè)企業(yè)中正在迅速擴張，致力于修復因為腐蝕、汽蝕、磨損等各種原因引起的設備損害，同時(shí)進(jìn)行有效的防護和增效節能應用。

參考文獻：

①  鄭海生、孫春蓮，鑄鐵件補焊方法【J】  農機使用與維修 2012.4

②  江蘇駱運工程管理處 大中型泵站汽蝕修補新材料研究及應用報告 【R】2014.10

③  流體輸配管網(wǎng)【M】  河北工業(yè)大學(xué) 建筑環(huán)境與設備工程系 39/86

④  劉光浩、黃偉、劉曉輝 超滑金屬涂層在水泵上節能應用的研討【J】 設備制造技術(shù) 2009.12