摘要：高分子修復(fù)防護技術(shù)，有別于傳統(tǒng)的修復(fù)技術(shù)，它以其獨特的設(shè)備修復(fù)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(shè)備安全穩(wěn)定運行，做了突出的保駕護航工作。
關(guān)鍵字：葉輪 汽蝕 修復(fù) 高分子修復(fù) 增效降耗
水電站水輪機組運行過程中，受到上游的水位、水流、水中雜物以及本身設(shè)計缺陷等因素的影響，造成葉輪汽蝕，這也是國內(nèi)水電站運行中非常普遍的現(xiàn)象。本文通過在國電寧國劉村壩水電站的應(yīng)用實例，介紹了傳統(tǒng)解決方案與高分子解決方案的優(yōu)劣對比，并做了詳細(xì)探討、分析、意見建議等，希望能對國內(nèi)水電站設(shè)備維護工作有所借鑒。
一、 國內(nèi)水電站處理汽蝕的傳統(tǒng)方法。
1， 葉輪汽蝕補焊：
補焊工藝做為一種傳統(tǒng)修補方法，由于其具有普遍性和公認(rèn)的風(fēng)險可控性，采用這種方式較為普遍，但是在實際應(yīng)用過程中，補焊工藝在后期維護中，出現(xiàn)的一系列相關(guān)問題，也是非常明顯。
1.1，補焊工藝是一種熱加工工藝，在焊補過程中葉輪體局部受熱，溫度急劇升高（預(yù)熱600-700℃，局部溫度在1500℃以上），很容易產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的熱變形、微裂紋等現(xiàn)象，給設(shè)備帶來了永久損壞①。
1.2，劇烈溫度升降，產(chǎn)生了大量熱應(yīng)力集中，不能消退，造成了設(shè)備運行潛在風(fēng)險，所以很多企業(yè)在葉輪焊補后，發(fā)現(xiàn)葉輪表面，短時間內(nèi)，又發(fā)生了汽蝕現(xiàn)象，其實很大一部分原因，就在于熱應(yīng)力集中，造成表面和焊補邊緣具有潛在微缺陷點，在負(fù)壓下，應(yīng)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(xù)施焊，只能間隔施焊，并緩慢冷卻，所以補焊是非常費時間的工藝。為了使焊補工藝做好，焊補之后，要進行葉片塑性、校板等，打磨工藝繁雜費時。最后還要對焊縫使用氣刨、打磨機等工具，進行刨、磨，再施焊、直至打磨平整，是及其不易操作和費時的。各步操作中，稍有不慎，就會產(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)在檢修階段進行了改造，更換葉輪對于具有改造條件的企業(yè)來說，也許是一個臨時處理手段。但是有以下幾點說明：
2.1，更換葉輪，是不能消除機組運行過程中汽蝕作用對設(shè)備本體的損壞，運行一段時間，還是會使設(shè)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(fù)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，安裝調(diào)試復(fù)雜。
2.4，對于不具備更換葉輪條件的企業(yè)來說，這是一個根本行不通的方法。
當(dāng)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(fù)技術(shù)簡介。
高分子修復(fù)技術(shù)，作為一種先進的修復(fù)技術(shù)，在國外具有幾十年的應(yīng)用歷史，受到了廣泛好評。其核心在于采用了先進的進口修復(fù)材料和涂層防護材料，對設(shè)備進行不動火在線修復(fù)，常溫固化，此修復(fù)技術(shù)，具有無應(yīng)力、無收縮、無變形等特點，修復(fù)和塑性方便快捷，可以實現(xiàn)快速處理汽蝕問題，大大縮短了設(shè)備停機時間。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，無視空蝕時劇烈的能量變化對基體的影響，阻止氧腐蝕的發(fā)生，進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(shè)備運行效率，大大延長了設(shè)備使用壽命。
此技術(shù)廣泛應(yīng)用與電力、水利、石化、鋼鐵、造紙、水泥等工業(yè)企業(yè)，提供設(shè)備保護性修復(fù)和防護，保證設(shè)備安全穩(wěn)定運行，為工業(yè)企業(yè)的設(shè)備起到了保駕護航作用。
二、 高分子修復(fù)技術(shù)在國電寧國水電站應(yīng)用
寧國劉村壩水電站，為3*2MW貫流式發(fā)電機組，本次應(yīng)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，也做過焊補工藝，到目前為止，汽蝕也是非常嚴(yán)重的，設(shè)備運行不穩(wěn)定，震動和噪音較大，效率降低，造成水能源的浪費。如下圖：
 
由上圖可見，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(yán)重，邊緣部位出現(xiàn)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和不均勻的蠕變?nèi)毕荨?/P>
南京貝佐納工程技術(shù)有限公司，了解到這個情況后，與電站負(fù)責(zé)人共同制定了有效解決方案，采用保護性修復(fù)方法——高分子修復(fù)技術(shù)，對葉輪進行保護性修復(fù)和防護，避免了傳統(tǒng)修復(fù)方法的缺點和對設(shè)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(yán)重，而且汽蝕坑很深，所以必須進行噴砂處理，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(biāo)準(zhǔn)壓縮空氣壓力5-7公斤，排氣量必須大于3m³，表面處理之后，其表面滿足瑞典標(biāo)準(zhǔn)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：由于之前做過焊補，留下了一些尖尖的鋒銳高點和不正常的隆起，必須先進性打磨處理，把高點和隆起部位打磨至原來基體輪廓的位置。同時也可以使后期修補有了基準(zhǔn)點。
3，清洗：噴砂打磨之后，必須使用專用清洗劑。對表面進行徹底清洗，以去除表面浮灰、雜物、油脂等，否則會影響材料與基體的結(jié)合。
4，預(yù)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，進行預(yù)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(nèi)，這樣才能保證修復(fù)不留空。
5，修復(fù)：汽蝕部位涂覆完成，待材料表固，就可以調(diào)制英國DEP201陶瓷金屬修復(fù)材料，進行汽蝕缺陷修復(fù)和塑性等操作，如下圖：
汽蝕缺陷修復(fù)（光亮地方是燈光，非電焊） 邊緣修復(fù)塑性
6，打磨毛刺：修復(fù)完成后，常溫下，至少固化6小時，待修復(fù)材料固化，要進行簡單打磨，去除表面修復(fù)時留下的小的毛刺，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(qū)別顏色，可以有效防止漏涂現(xiàn)象，而且還可以使表面更加光滑美觀，使水流在表面的阻滯力降低，使流體在設(shè)備中運行更加順暢，降低汽蝕損害程度。涂覆完成之后，現(xiàn)場照片如下：
8，固化：常溫下（25℃）自然固化24小時，就可以完全固化，設(shè)備既可以投入使用。由于季節(jié)原因，本次修復(fù)是在冬季，環(huán)境溫度較低（5-10℃），材料固化慢，要延長完全固化時間，方可投入使用，否則將影響修復(fù)效果。
四、高分子技術(shù)在本次葉輪應(yīng)用的相關(guān)探討
本次應(yīng)用，電站出于各方面考慮，只是修復(fù)和防護了葉輪背水側(cè)汽蝕嚴(yán)重的一面，解決了汽蝕問題，從專業(yè)角度和長遠(yuǎn)角度來看，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，從而避免渦流的行成，可以延長了有效防護時間。
2，由于葉片背水面運行時產(chǎn)生負(fù)壓，當(dāng)壓力Pk≤Pva時，汽蝕會發(fā)生。其中Pk為葉片入口壓力，Pva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葉輪做功，不會因為銹蝕而導(dǎo)致粘阻力過大，流體的順暢運行。
根據(jù)：PK=△F /S----------公式①
△F=mg= ρvg= ρv0△tSg----公式②
把公式②代入公式①中，得：
Pk=ρv0tgS/S=ρv0△tg-----公式③
又根據(jù)流體雷諾系數(shù)：
Re =ρv0d/μ〓〉v0=ρd/μRe-------公式④
再把公式④代入公式公式③中，得：
Pk =ρ2d△tg / μRe -------公式⑤
其中Pk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(shù)）； μ為運動阻力；
v0為流體速度； d水流直徑（同樣工況下數(shù)值固定）；
△t為時間（單位時間，可取1秒）； Re為雷諾系數(shù)（常數(shù)）；
g為重力系數(shù)（常數(shù)）； S為受力面積（單位面積）；
通過公式⑤可以看出，除了葉片入口壓力Pk和運動阻力μ為變量外，其他數(shù)據(jù)都認(rèn)為是常數(shù)，而且Pk和μ之間呈反比關(guān)系。那就意味著，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(jù)汽蝕發(fā)生條件：Pk≤Pva，Pk因為阻力μ減小而增大，勢必會降低汽蝕發(fā)生的程度。同時，背面涂層減少氣泡在背水側(cè)聚集，以此設(shè)備的汽蝕化程度將大大減低，汽蝕損害將會降到更小，設(shè)備使用壽命也會延長。
對葉輪進行整體防汽蝕防護，不管是出于設(shè)備完整保全考慮，還是出于設(shè)備安全穩(wěn)定運行考慮，都會使涂層的有效防護時間和設(shè)備使用壽命延長，所以對葉輪進行整體保護，是非常有必要的。
五、高分子技術(shù)在汽輪機組的延伸應(yīng)用
高分子修復(fù)技術(shù)在，在水電站應(yīng)用，絕不僅僅止于葉輪，對于整個機組的導(dǎo)葉體、腔體、軸等所有過流面，具有良好的保護外，還能降低水流在設(shè)備中阻滯力，提高設(shè)備運行效率。關(guān)于通過涂層進行節(jié)能增效這方面的應(yīng)用和效果，已經(jīng)得到國內(nèi)外眾多著名廠家和研究機構(gòu)的認(rèn)可。就以DEP203超滑涂層為例，此涂層屬于自流平涂層，經(jīng)過涂覆之后，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(nèi)流動時，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(xiàn)象加劇而消耗能量。其阻力的大小，可采用阻力系數(shù)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(shù)。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，提高過流面與流體接觸面的光潔度，降低阻力系數(shù)，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(jié)語
通過比較各種汽蝕修復(fù)手段的優(yōu)劣性，針對劉村壩水電站1#機組葉輪汽蝕修復(fù)和防護的實際案例，我們可以了解到，高分子修復(fù)技術(shù)，是一項先進的保護性修復(fù)手段，也是目前最為安全、快捷、穩(wěn)定的解決方案。再通過探討汽蝕原理及其相關(guān)延伸應(yīng)用，我們也了解到了高分子修復(fù)防護技術(shù)，不但在汽蝕修復(fù)方面具有獨到之處，而且在于汽蝕防護、節(jié)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(fù)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(fù)因為腐蝕、汽蝕、磨損等各種原因引起的設(shè)備損害，同時進行有效的防護和增效節(jié)能應(yīng)用。
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