摘要：高分子修复防护技术，有别于传统的修复技术，它以其独特的设备修复保全手段、卓越的涂层防护措施、明显的增效降耗效果，在水利、电力等众多工业企业中，都受到了广泛的好评，也为企业的设备安全稳定运行，做了突出的保驾护航工作。

关键字：叶轮  汽蚀  修复  高分子修复  增效降耗

水电站水轮机组运行过程中，受到上游的水位、水流、水中杂物以及本身设计缺陷等因素的影响，造成叶轮汽蚀，这也是国内水电站运行中非常普遍的现象。本文通过在国电宁国刘村坝水电站的应用实例，介绍了传统解决方案与高分子解决方案的优劣对比，并做了详细探讨、分析、意见建议等，希望能对国内水电站设备维护工作有所借鉴。

一、 国内水电站处理汽蚀的传统方法。

1， 叶轮汽蚀补焊：

补焊工艺做为一种传统修补方法，由于其具有普遍性和公认的风险可控性，采用这种方式较为普遍，但是在实际应用过程中，补焊工艺在后期维护中，出现的一系列相关问题，也是非常明显。

1.1，补焊工艺是一种热加工工艺，在焊补过程中叶轮体局部受热，温度急剧升高（预热600-700℃，局部温度在1500℃以上），很容易产生不可逆转的热变形、微裂纹等现象，给设备带来了永久损坏^①。

1.2，剧烈温度升降，产生了大量热应力集中，不能消退，造成了设备运行潜在风险，所以很多企业在叶轮焊补后，发现叶轮表面，短时间内，又发生了汽蚀现象，其实很大一部分原因，就在于热应力集中，造成表面和焊补边缘具有潜在微缺陷点，在负压下，应力释放更快，汽蚀很快就发生了^②。

1.3，焊补变形的发生，决定了不能连续施焊，只能间隔施焊，并缓慢冷却，所以补焊是非常费时间的工艺。为了使焊补工艺做好，焊补之后，要进行叶片塑性、校板等，打磨工艺繁杂费时。最后还要对焊缝使用气刨、打磨机等工具，进行刨、磨，再施焊、直至打磨平整，是及其不易操作和费时的。各步操作中，稍有不慎，就会产生很大的潜在风险。

2，更换叶轮：

  更换叶轮做为最直接处理汽蚀缺陷的手段，也有一部分企业在检修阶段进行了改造，更换叶轮对于具有改造条件的企业来说，也许是一个临时处理手段。但是有以下几点说明：

2.1，更换叶轮，是不能消除机组运行过程中汽蚀作用对设备本体的损坏，运行一段时间，还是会使设备本体发生汽蚀缺陷和凹坑，这种损坏也是永久性的。

2.2，资源浪费，使本可以再修复完好的旧叶轮做了报废处理，浪费了资源。

2.3，更换新叶轮的成本较大，供货周期长，安装调试复杂。

2.4，对于不具备更换叶轮条件的企业来说，这是一个根本行不通的方法。

当然还有其他处理方式，比如环氧金刚砂，粉末焊等，都存在不少缺陷。

二、高分子修复技术简介。

  高分子修复技术，作为一种先进的修复技术，在国外具有几十年的应用历史，受到了广泛好评。其核心在于采用了先进的进口修复材料和涂层防护材料，对设备进行不动火在线修复，常温固化，此修复技术，具有无应力、无收缩、无变形等特点，修复和塑性方便快捷，可以实现快速处理汽蚀问题，大大缩短了设备停机时间。防汽蚀超滑陶瓷涂层，是一种具有金属性能的非金属防护层，无视空蚀时剧烈的能量变化对基体的影响，阻止氧腐蚀的发生，进而可以延缓汽蚀的发生，保护本体不受汽蚀损坏，降低因为阻力而产生的不必要能耗，提高设备运行效率，大大延长了设备使用寿命。

  此技术广泛应用与电力、水利、石化、钢铁、造纸、水泥等工业企业，提供设备保护性修复和防护，保证设备安全稳定运行，为工业企业的设备起到了保驾护航作用。

二、 高分子修复技术在国电宁国水电站应用

  宁国刘村坝水电站，为3*2MW贯流式发电机组，本次应用是1#水轮机，其叶轮材质为铸铁，叶片已经焊死，不可拆解，而且已经使用了十多年，期间发生了汽蚀，也做过焊补工艺，到目前为止，汽蚀也是非常严重的，设备运行不稳定，震动和噪音较大，效率降低，造成水能源的浪费。如下图：

由上图可见，其叶片汽蚀主要发生在叶片边缘和根部，最深处在1cm以上，叶片减薄严重，边缘部位出现锯齿状缺陷，几乎失去了原有形状。由于之前焊补的原因，留下了大小不一的高点和不均匀的蠕变缺陷。

南京贝佐纳工程技术有限公司，了解到这个情况后，与电站负责人共同制定了有效解决方案，采用保护性修复方法——高分子修复技术，对叶轮进行保护性修复和防护，避免了传统修复方法的缺点和对设备的再伤害。其主要步骤如下：

1，喷砂：由上图可知，叶轮锈蚀严重，而且汽蚀坑很深，所以必须进行喷砂处理，彻底除锈，也使较深的汽蚀坑得到很好的除锈效果和粗化处理。正常情况下，采用标准压缩空气压力5-7公斤，排气量必须大于3m³，表面处理之后，其表面满足瑞典标准Sa2.5，或者表面粗糙度不小于75μm。做好表面处理，是成功的先决条件，所以喷砂是至关重要的。喷砂之后表面如下图：

2，打磨高点：由于之前做过焊补，留下了一些尖尖的锋锐高点和不正常的隆起，必须先进性打磨处理，把高点和隆起部位打磨至原来基体轮廓的位置。同时也可以使后期修补有了基准点。

3，清洗：喷砂打磨之后，必须使用专用清洗剂。对表面进行彻底清洗，以去除表面浮灰、杂物、油脂等，否则会影响材料与基体的结合。

4，预涂覆：由于汽蚀凹坑非常深，部分达到1cm以上，必须先使用英国DEP202陶瓷金属涂层材料，进行预涂覆，用毛刷、刮板等工具，用力使涂层材料充分侵润并填充到凹坑内，这样才能保证修复不留空。

5，修复：汽蚀部位涂覆完成，待材料表固，就可以调制英国DEP201陶瓷金属修复材料，进行汽蚀缺陷修复和塑性等操作，如下图：

   汽蚀缺陷修复（光亮地方是灯光，非电焊）              边缘修复塑性

6，打磨毛刺：修复完成后，常温下，至少固化6小时，待修复材料固化，要进行简单打磨，去除表面修复时留下的小的毛刺，尽量使表面光滑平整。

7，涂层：涂覆防汽蚀防护涂层，分为两层，每一层湿膜厚度在200-300μm，第一层采用深灰色的DEP202陶瓷涂层，第二层采用灰白色DEP203超滑陶瓷涂层。区别颜色，可以有效防止漏涂现象，而且还可以使表面更加光滑美观，使水流在表面的阻滞力降低，使流体在设备中运行更加顺畅，降低汽蚀损害程度。涂覆完成之后，现场照片如下：

8，固化：常温下（25℃）自然固化24小时，就可以完全固化，设备既可以投入使用。由于季节原因，本次修复是在冬季，环境温度较低（5-10℃），材料固化慢，要延长完全固化时间，方可投入使用，否则将影响修复效果。

四、高分子技术在本次叶轮应用的相关探讨

  本次应用，电站出于各方面考虑，只是修复和防护了叶轮背水侧汽蚀严重的一面，解决了汽蚀问题，从专业角度和长远角度来看，要想获得更好的防护效果，建议正面也要做涂层防护，其好处有以下两个方面：

   1，正面和背面整体做了防汽蚀防护陶瓷超滑涂层之后，防护涂层体系具有完了整性，尽量避免了边缘缺陷点，从而避免涡流的行成，可以延长了有效防护时间。

   2，由于叶片背水面运行时产生负压，当压力P_k≤P_va时，汽蚀会发生。其中P_k为叶片入口压力，P_va为液体输送温度下的饱和蒸汽压力^③。

正面若做好防护超滑涂层，就可以使上游的水顺畅的通过叶轮做功，不会因为锈蚀而导致粘阻力过大，流体的顺畅运行。

根据：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

  又根据流体雷诺系数：

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叶片背面入口压力；           △F为上游水对叶片的作用力；

ρ为流体密度（常数）；               μ为运动阻力；

v0为流体速度；                     d水流直径（同样工况下数值固定）；

△t为时间（单位时间，可取1秒）；   Re为雷诺系数（常数）；

g为重力系数（常数）；               S为受力面积（单位面积）；

通过公式⑤可以看出，除了叶片入口压力P_k和运动阻力μ为变量外，其他数据都认为是常数，而且P_k和μ之间呈反比关系。那就意味着，叶轮正面的阻力越小，流体到背面的入口压力越大。

上游同样工况下的水流，若做好正面超滑涂层，使流体阻力降低，入口压强将增大，而水在同样温度下的饱和蒸汽压力是不变，根据汽蚀发生条件：P_k≤P_va，P_k因为阻力μ减小而增大，势必会降低汽蚀发生的程度。同时，背面涂层减少气泡在背水侧聚集，以此设备的汽蚀化程度将大大减低，汽蚀损害将会降到更小，设备使用寿命也会延长。

对叶轮进行整体防汽蚀防护，不管是出于设备完整保全考虑，还是出于设备安全稳定运行考虑，都会使涂层的有效防护时间和设备使用寿命延长，所以对叶轮进行整体保护，是非常有必要的。

五、高分子技术在汽轮机组的延伸应用

  高分子修复技术在，在水电站应用，绝不仅仅止于叶轮，对于整个机组的导叶体、腔体、轴等所有过流面，具有良好的保护外，还能降低水流在设备中阻滞力，提高设备运行效率。关于通过涂层进行节能增效这方面的应用和效果，已经得到国内外众多著名厂家和研究机构的认可。就以DEP203超滑涂层为例，此涂层属于自流平涂层，经过涂覆之后，正常完全固化后，其表面光洁度可以达到Ra<0.068，其光洁度是不锈钢的20倍。

  增效降耗原理如下：

  流体在腔内流动时，其速度大小和方向都发生变化，且流体受到干扰和冲击，使涡流现象加剧而消耗能量。其阻力的大小，可采用阻力系数法计算。局部阻力引起的能量损失表达式如下：△P=ŋρu²/2

△P 为能量损失，ŋ为局部阻力系数。在湍流的情况下， 主要与绝对粗糙度及泵腔尺寸有关，粗糙度愈大，ŋ愈大，由上式可知，提高过流面与流体接触面的光洁度，降低阻力系数，从而降低能量损失，是一条提高旧泵、旧机组效率的重要途径之一^④。

六、结语

  通过比较各种汽蚀修复手段的优劣性，针对刘村坝水电站1#机组叶轮汽蚀修复和防护的实际案例，我们可以了解到，高分子修复技术，是一项先进的保护性修复手段，也是目前最为安全、快捷、稳定的解决方案。再通过探讨汽蚀原理及其相关延伸应用，我们也了解到了高分子修复防护技术，不但在汽蚀修复方面具有独到之处，而且在于汽蚀防护、节能降耗方面，都具有其他涂层所不比的优越性。高分子修复防护技术因其独到技术优势，所以在工业企业中正在迅速扩张，致力于修复因为腐蚀、汽蚀、磨损等各种原因引起的设备损害，同时进行有效的防护和增效节能应用。

参考文献：

①  郑海生、孙春莲，铸铁件补焊方法【J】  农机使用与维修 2012.4

②  江苏骆运工程管理处 大中型泵站汽蚀修补新材料研究及应用报告 【R】2014.10

③  流体输配管网【M】  河北工业大学 建筑环境与设备工程系 39/86

④  刘光浩、黄伟、刘晓辉 超滑金属涂层在水泵上节能应用的研讨【J】 设备制造技术 2009.12