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陶瓷高分子材料在引灤工程水泵汽蝕修復技術中的應用
作者:管理員    發布于:2014-04-17 08:57:35    文字:【】【】【

引灤工程全長234km,自于橋水庫以下有3座提升加壓泵站,共安裝著27臺機組,其中18cj-63立式軸流泵12臺、18CJB-34立式軸流泵5臺和l400ZLQ立式軸流泵10臺。由于軸流泵汽蝕性能相對較差,汽蝕作用更為顯著,在葉型汽蝕、間隙汽蝕、導葉汽蝕的共同作用下,葉片和葉輪室使用周期較短。引灤入津工程是專門為天津市城市供水的,泵站基本處于常年運行狀態,水泵的葉片和葉輪外殼經常出現蜂窩形帶狀和環形的汽蝕溝,使水泵的葉輪和葉輪室的徑向間隙嚴重超過原機組設計要求,造成水泵機組容積泄漏增大、輸水效率嚴重降低以及機組運行時很容易產生振動問題,對泵站機電設備完好率和機組的使用壽命影響很大。為此,這些年先后采用了幾種修復方案,通過對比分析以期得出性價比較高的方案。

    (1)汽蝕形成的原因及危害
    汽蝕又稱空蝕,是水利機械中的異常現象,是由于水的汽化而引起的剝蝕作用。水和汽是可以互相轉化的,轉化的條件是溫度與壓力。水在水泵流道內流動,流道內的水流壓力是不斷變化的,在吸水口處壓力最低,達到500~-600mm汞柱,等達到了水在該溫度下的汽化壓力,部分流道的水就開始汽化,汽化的結果是使水流中產生許多氣泡,氣泡中充滿了水蒸氣和由于進水處產生的漩渦而夾帶著的大量氣體進入水泵葉輪室,氣泡隨著水流的流動,就會像無數個彈頭一樣,頻率很高地連續不斷擊打葉片和葉輪外殼的金屬表面,金屬表面逐漸疲勞而破壞,同時在氣泡中還夾雜著一些活潑氣體,如氧氣等,借助氣泡凝結所釋放的能量對金屬表面產生化學腐蝕作用。產生汽蝕的其他原因還有流道表面不光滑、粗糙;葉輪淹沒深度不夠,機組長期在低水位輸水運行,前池蓄水容積較小,進水口處的水面有漩渦產生,輸水運行條件復雜及土建、機械設計不合理等許多因素,使葉片和葉輪外殼出現汽蝕現象。總之,汽蝕的產生比較復雜,需要進一步結合實際加強研究。
    (2)汽蝕修復方法介紹
    引灤泵站水泵抗汽蝕性能都比較好,安裝也達到了設計要求。在1998年和2000年分別由水利部泵站測試中心進行了測試,經對汽蝕產生的原因進行分析,發現主要是間隙汽蝕。為此,先后嘗試了各種方法,現歸納起來主要有以下幾種。
    ①金屬修補劑及其添加物修補法  其方法是對汽蝕部位表面進行噴砂處理除銹或用砂輪打磨進行表面除銹,直到金屬表面全露出金屬光澤,根據汽蝕表面大小及深度,采用一定量的金屬修補劑按比例拌和填合物,對其表面涂抹,等完全固化后(一般24h),用靠模和砂輪機進行修整,達到原部位的設計尺寸要求,有條件時可上車床車削加工。
    金屬修補劑的填合物可以用二硫化鉬、氧化鋁料,也可以用高標號水泥。宜興埠泵站和潮白河泵站都采用過此種方法。如大張莊泵站1#機運行4298臺時以后,1987年5月進行解體大修,發現在葉輪室和葉片處存在輕度汽蝕現象,采用環氧樹脂進行汽蝕修復;經過12808臺時的運行,1995年再一次對1#機組進行解體大修,發現汽蝕非常嚴重,涂層已經脫離了金屬表面,葉輪室出現了深達l 5mm(葉輪外殼最薄處只有35mm厚)、寬度在150mm的蜂窩狀圓周汽蝕帶,在葉片上出現了深度達20mm的蜂窩狀汽蝕帶。由此可見,金屬修補劑極易脫落,壽命太短。
    ②不銹鋼焊條修復法  對于汽蝕比較嚴重、面積比較大并且深度較大的部位,最好采用不銹鋼焊條堆焊法。在破壞區域補焊前,首先對侵蝕區域進行仔細打磨,這一道工序很重要。打磨過深,增加焊接工作量和費用;打磨太淺,影響焊接質量。堆焊不銹鋼必須用直流電焊機,用奧l02、107、1 12、1 32不銹鋼焊條以及進口的18-8系列或25-20系列的不銹鋼焊條進行堆焊,才可能保證很高的抗汽蝕穩定性,但價格高、費用大。目前,大都采用高鉻錳耐汽蝕堆焊條堆277、276,它是低氫型藥皮的堆焊電焊條,采用直流電源,焊接后焊縫富有彈性,并具有良好的抗裂性能。但是,焊接前必須對汽蝕部位進行預熱。實踐證明,在低溫下進行堆焊應力大,變形大,容易產生裂紋,所以必須將葉輪室進行整體預熱,因葉輪室尺寸太大難以進行整體預熱,則應設法把周圍環境的溫度提高到20℃以上,而避免在15℃以下進行焊接。因為電焊機所產生的電弧最高溫度可達5000℃,焊條熔化成鐵水的溫度在1500℃,葉輪外殼在焊接修補過程中,局部溫度過高極易產生變形。在一般情況下,要完全控制變形量非常困難,而處理對象葉輪室和葉片的幾何尺寸精度要求又很高,哪怕一點點的變化都能改變水的流態,使輸水量大打折扣。另一方面,由于不銹鋼焊條主要成分是鐵元素,鐵元素抗汽蝕的性能很低,水泵的葉輪、葉輪室經過一段時間運行后還會產生汽蝕。對水泵機組長時間抗汽蝕效果也不十分理想。
    ③鑲嵌奧氏體不銹鋼襯板抵御汽蝕法  此種方法是將葉輪外殼整體上機床,對其容易產生汽蝕的部位進行車削,把不銹鋼襯板鑲嵌在車削的槽內,并焊接牢固,再上車床機械加工,使其達到所需要的尺寸精度。或者在大泵制作時就將葉輪室內鑲入不銹鋼襯板。這種做法技術工藝要求較高,必須到有加工技術能力的廠家進行。目前,潮白河泵站5#機運行4169臺時的葉輪室就是用此種方法修復的。
    此種方法除工藝水平要求高外,還要對汽蝕的部位找準,特別是新制造的葉輪室尤其重要,否則一點點的疏忽將造成重大的經濟損失。如爾王莊暗渠泵站1997年改造時,全部安裝無錫水泵廠制造的鑲嵌不銹鋼襯板的葉輪室,由于汽蝕部位不準確,不銹鋼襯板偏離了汽蝕中心帶,只運行了兩年多,到2000年3月運行1 1075.7臺時就發現6#機組響聲異常,停車檢查發現不銹鋼襯板邊沿汽蝕,形成了一個深10-20mm、寬10-20mm的汽蝕槽,不銹鋼襯板被涮空了,致使不銹鋼襯板裂縫、脫落。幸虧運行工人及時停車,否則將釀成重大設備損壞事故。因為是設計缺陷,10臺大泵運行臺時最多的是6#機組11075.7臺時,最少的是3#機組4972.1臺時。為此,不得不全部返回無錫水泵廠翻修改造,這一時期給正常輸水帶來極大困難。10臺大泵葉輪室全部翻修,經濟損失數十萬元。
    ④陶瓷復合材料修復法   陶瓷復合材料是高分子聚合物、陶瓷粉末和彈性材料等材料的復合物。操作過程是,首先對葉片和葉輪外殼汽蝕部位表面進行噴砂處理或砂輪機打磨表面處理,使其金屬表面全部露出金屬灰白色光澤。然后,根據汽蝕的情況選定用量,充分拌和均勻所需陶瓷復合材料,對其汽蝕表面進行涂抹,使其充分進入汽蝕蜂窩孔中,等陶瓷復合材料初步固化后(4h),再對其汽蝕表面進行第二遍涂抹固化(24h),然后用靠模和砂輪機進行修整,有條件可上車床車削加工,加工到與原部位的設計尺寸還差約1mm時,選用細顆粒陶瓷漿液,涂覆于葉輪表面,達到原部位的設計尺寸要求,使葉輪表面光滑,減少渦流摩擦損失。l995年7月在大張莊泵站1#機組解體大修過程中,采用陶瓷復合材料對水泵機組葉片和葉輪外殼汽蝕部位進行了修復,效果比較理想,應積極推廣應用。
    ⑤葉輪和葉輪室用不銹鋼材料制作法  爾王莊暗渠泵站10臺機組1 998年投入運行,采用鑲嵌不銹鋼板的方法對汽蝕破壞區進行了修復,但是到2000年出現了鋼板撕裂、葉輪掃膛的現象,迫使機組停機。經技術人員現場分析,認為修補的汽蝕帶寬度不夠,所用不銹鋼材料及焊接溫度處理不妥,造成上述問題。鑒于爾王莊暗渠泵站24h都不能停機的現狀,采取了用不銹鋼整體澆注葉輪和葉輪室方法,經過2002、2003和2004年3年的解體檢修檢驗,基本無汽蝕情況。
    (3)幾種方案優劣綜合比較
    以上幾種方案在引灤泵站先后均采用過。經過技術性能分析比較發現,上述方案各有優缺點。金屬修補劑及其添加物修補法操作簡單、價格低廉,但是脆性大、抗高頻沖擊性能差、抗剝離的強度低等,適宜用于小面積的、淺層次的汽蝕破壞;不銹鋼焊條修復汽蝕法工藝簡單,抗汽蝕穩定性高,但價格高、費用大,適宜用于小面積的、淺層次的汽蝕破壞;鑲嵌奧氏體不銹鋼襯板抵御汽蝕的方法工藝較復雜,抗汽蝕性能較好,但工藝要求高,費用也較高,適宜比較重要的泵站采用;陶瓷復合材料修復法工藝簡單,抗汽蝕性能較好,費用較低,建議采用;整體用不銹鋼澆注法抗汽蝕性能較好,但費用昂貴,基本等于重新置買新葉輪,無實際意義,不值得推廣。

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