馬天兵   侯應(yīng)黎

（洛陽(yáng)朗力表面技術(shù)有限公司，河南洛陽(yáng)； 471003）  

　　摘要：黃河流域提灌站水泵及水工設(shè)備長(zhǎng)期遭受黃河泥沙磨蝕，造成泵殼、葉輪和口環(huán)三大過(guò)流部件損壞嚴(yán)重，直接影響水泵使用性能，導(dǎo)致泵站可靠性差、運(yùn)行效率低下、耗能高，無(wú)法滿足水利灌溉的使用要求。通過(guò)現(xiàn)代熱噴涂技術(shù)（HVOF）在部件表面制備CoCrWC耐磨蝕涂層，可以有效的增加使用壽命，節(jié)約使用成本，提高運(yùn)行效率及可靠性。

　　關(guān)鍵詞：提灌站水泵  泵殼 葉輪 口環(huán)  磨蝕  熱噴涂技術(shù)  耐磨蝕涂層  使用壽命

　　1 引言

　　黃河流域目前已經(jīng)建成大型灌溉泵站46處877座，裝機(jī)總臺(tái)數(shù)4076臺(tái)，總功率181.895wkw，設(shè)計(jì)流量1211.84m3/s[1]。由于黃河水的泥沙含量大、運(yùn)行工況惡劣[2-4]，泵站葉輪、泵殼、口環(huán)三大過(guò)流部件磨蝕非常嚴(yán)重，直接影響水泵運(yùn)行，導(dǎo)致泵站老化嚴(yán)重、可靠性差、運(yùn)行效率低、能耗高等問(wèn)題，無(wú)法滿足黃河流域灌溉等使用要求。現(xiàn)代熱噴涂技術(shù)已成功應(yīng)用于航空航天、冶金、能源、國(guó)防、石油化工、機(jī)械制造、交通運(yùn)輸輕工機(jī)械等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域[5-7]。利用熱噴涂技術(shù)在泵葉輪及其組件的表面制備涂層，可以有效的降低運(yùn)行成本、增加使用壽命[8-9]。因此，熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于節(jié)約泵站運(yùn)行成本、降低能耗、提高運(yùn)行效率及可靠性具有非常重要的意義。

　　2提灌站水泵葉輪及其組件的失效分析

　　水力機(jī)械大多具有類似的使用工況環(huán)境，泥沙磨蝕破壞是造成水力機(jī)械損壞的主要原因，提灌站水泵及其組件也不例外，而影響磨蝕的因素很多，主要包括：

　　1、磨粒的特性：（1）粒徑  磨蝕與磨粒粒徑成正比，但當(dāng)磨粒大到一定程度時(shí)，磨蝕減緩，甚至不再增大。（2）礦物成分  泥沙顆粒的硬度大于基體材料的硬度時(shí)，磨蝕***增大。故泥沙組成中的石英和長(zhǎng)石（摩氏硬度＞5）等硬質(zhì)顆粒的數(shù)量愈多，破壞愈嚴(yán)重。（3）顆粒的形狀  通常尖顆粒的磨蝕作用比圓顆粒大。

　　2、磨粒打擊到材料表面時(shí)的條件：（1）速度  磨蝕與速度近似成三次方的關(guān)系。（2）沖擊角度  韌性材料磨蝕隨沖擊角的增大而增大，約在30-40°時(shí)達(dá)到***大值，之后有所減小；高硬度脆性材料則大角度沖擊破壞大于小角度的；柔性材料則小角度的磨蝕往往***大。

　　3、被沖擊材料的特性：（1）基體材料硬度 大量數(shù)據(jù)表明，材料的硬度越高，耐磨蝕性能越好。（2）表面光潔度  實(shí)驗(yàn)表明，表面光潔度越高，磨蝕發(fā)生的時(shí)間越晚、破壞越輕[10]。

黃河流域的泥沙磨蝕問(wèn)題比較突出，影響磨蝕的因素也很多，各因素之間的關(guān)系可以簡(jiǎn)化成如下公式：

　　其中：為磨蝕率，單位可取mm/h或mm/kh。為流速，計(jì)算部位的繞流速度或沖擊速度。為含沙濃度，一般取kg/m3。為綜合系數(shù)，它與材質(zhì)的抗磨性能、磨粒級(jí)配、硬度、含沙水流對(duì)材質(zhì)表面沖擊角度等有關(guān)。為速度指數(shù)，它與材質(zhì)的抗磨性能、磨粒級(jí)配、硬度、含沙水流對(duì)材質(zhì)表面沖擊角度等有關(guān)。為含沙濃度指數(shù)，實(shí)驗(yàn)表明其變化范圍約在0.97-1.04之間[11]。

　　3耐磨蝕涂層應(yīng)用實(shí)例

　　3.1涂層材料及工藝

　　王者昌等人[12]通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)收集已經(jīng)驗(yàn)證：超音速火焰噴涂（HVOF）CoCrWC在水力機(jī)械抗磨蝕損壞上已經(jīng)成功應(yīng)用，當(dāng)水流速度達(dá)到40m/s以上時(shí)，其抗磨能力達(dá)到Cr13Ni4不銹鋼的60倍以上。超音速火焰噴涂（HVOF）CoCrWC的涂層結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到60~70MPa，涂層的孔隙率＜0.5%，表面光潔度可達(dá)到Ra3.2~6.4，硬度達(dá)到HRC70~75，可以達(dá)到優(yōu)良的耐磨蝕性能，因此該涂層技術(shù)是解決水力機(jī)械磨蝕的重要途徑[13-15]。

　　3.2應(yīng)用實(shí)例

　　某黃河流域提灌站泵葉輪運(yùn)行1年后已經(jīng)磨蝕嚴(yán)重、效率下降8-10%，不僅能耗加劇，而且出力已嚴(yán)重不足，不能滿足使用要求，只能停機(jī)檢修、更換葉輪，這樣不但增加了檢修、運(yùn)行成本，而且影響了正常使用，給泵站安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)了很大的困難。圖1是離心水泵運(yùn)行1年后的形貌照片，基體材質(zhì)為鑄鐵。

圖1  離心水泵運(yùn)行1年后的磨蝕形貌        圖2  HVOF超音速火焰噴涂制備CoCrWC涂層

　　從圖1損壞形貌來(lái)看，泵葉輪的入水口邊緣損壞***為嚴(yán)重，整個(gè)葉片已經(jīng)磨透；葉片正面布滿了“犁溝狀”的長(zhǎng)條形坑，深度可達(dá)20-30mm，這是磨粒對(duì)基體產(chǎn)生的微切削作用造成的，而葉片背面具有“蜂窩狀”的麻坑，深度可達(dá)5-15mm，這是葉片背面遭受空蝕造成的。
　　由于舊葉輪已經(jīng)沒(méi)有修復(fù)價(jià)值，泵站決定在新葉輪的局部制備CoCrWC涂層，主要部位包括葉輪入水口葉片的正反面、出水口葉片的正反面、上下口環(huán)部位。為了保證涂層質(zhì)量，我們利用進(jìn)口超音速噴涂設(shè)備、機(jī)器人與工裝配合完成全噴涂作業(yè)過(guò)程，確保涂層的均勻覆蓋一致性、產(chǎn)品質(zhì)量可追溯、涂層性能一致無(wú)缺陷、表面光潔度高，如圖2所示為葉輪HVOF超音速火焰噴涂制備CoCrWC涂層的生產(chǎn)照片。經(jīng)檢測(cè)噴涂完成后的各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 涂層性能數(shù)據(jù)

　　3.3用戶反饋與分析
　　據(jù)泵站客戶反饋：帶涂層的新葉輪裝機(jī)運(yùn)行二年后，基本沒(méi)有出現(xiàn)磨蝕；運(yùn)行三年后，入水口葉片背面局部出現(xiàn)涂層減薄，泵的使用效率并沒(méi)有受太大影響；目前已經(jīng)運(yùn)行四年，泵的使用效率仍然正常，涂層損失率不足10%，預(yù)估涂層使用壽命可以至少達(dá)到5~7年。
　　通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：
　　1、未做涂層的葉輪運(yùn)行時(shí)間為1~2年，制備涂層的葉輪運(yùn)行時(shí)間至少5~7年，使用壽命提高約3~4倍；2、未做涂層的葉輪約1~2年需要更換一次新葉輪，制備涂層的葉輪5~7年后，如若基體保護(hù)較好，還能繼續(xù)制備涂層后投入使用；3、按單臺(tái)水泵運(yùn)行周期為5年計(jì)算：未做涂層的葉輪需要更換3次新葉輪，制備涂層的葉輪***多更換1次，而制備涂層的費(fèi)用相當(dāng)于新葉輪的1/3~1/2。單從葉輪更換計(jì)算，制備涂層后葉輪的運(yùn)行費(fèi)用至少節(jié)省1.5個(gè)葉輪的費(fèi)用和中間換葉輪的人工費(fèi)用及停機(jī)造成的經(jīng)濟(jì)損失；4、未做涂層的葉輪運(yùn)行后期效率已經(jīng)下降比較明顯，能耗至少增加10%以上，而制備涂層后的葉輪在運(yùn)行期間一直保持良好的運(yùn)行效率。
　　所以，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行角度還是從安全***運(yùn)行角度考慮，制備涂層后的葉輪都有很大的優(yōu)勢(shì)。
　　4結(jié)論
　　1、黃河流域提灌站水泵葉輪受泥沙磨蝕嚴(yán)重，HVOF超音速火焰噴涂CoCrWC涂層技術(shù)可以有效的解決水泵葉輪磨蝕嚴(yán)重、更換頻繁、運(yùn)行成本高、效率低下等突出問(wèn)題，該涂層技術(shù)的優(yōu)越性能也已經(jīng)在泵站實(shí)際運(yùn)行應(yīng)用中得到了很好的驗(yàn)證。
　　2、據(jù)實(shí)際應(yīng)用案例分析：制備CoCrWC涂層的水泵葉輪使用壽命提高了約3~4倍，運(yùn)行期間泵站可以節(jié)約數(shù)十萬(wàn)甚***百萬(wàn)元，給其安全經(jīng)濟(jì)***運(yùn)行帶來(lái)了很大的幫助。相信會(huì)有越來(lái)越多的用戶體會(huì)到涂層新技術(shù)給企業(yè)運(yùn)行帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和安全***。
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