小浪底电站闸门抗磨防腐蚀技术的研究与应用.doc

小浪底电站闸门抗磨防腐蚀技术的研究与应用唐红海1 魏皓2 邓玉海3 陈 飞4 （1,2 小浪底水利枢纽建设管理局水力发电厂，济源 459017 3,4 水利水电三门峡防腐工程有限公司，三门峡 472000）摘要：小浪底水电站排沙洞偏心铰弧门因运行工况特殊,运用频繁,弧门面板磨损破坏较为严重。由于目前国内水工闸门耐磨防腐蚀技术的应用少、发展缓慢。通过研究、分析和借鉴其它行业类似技术，研发涂层抗磨性能模拟试验设备，进行多方案的对比试验和方案优化，将优化的“喷锌+喷316不锈钢+环氧封闭油漆”方案成功应用在小浪底电站的闸门上。关键词：小浪底电站 不锈钢 抗磨防腐蚀 闸门我国水利资源丰富，水电站众多，金属结构设备的磨损、腐蚀问题较为普遍。小浪底电站是黄河开发和治理的关键性控制工程，电站水轮机的工作具有过机含沙量高，水头变幅大的特点，通过三门峡电站的喷涂实践，吸收国际研究成果并在充分论证的基础上，对小浪底电站的转轮和导叶采取喷涂碳化钨方案，在固定导叶和尾水锥管进口段喷涂聚氨酯的方案，涂层经过十多年的运行考验, 小浪底电站转轮、导叶等部位的抗磨蚀效果良好1。但是，由于受喷涂材料、喷涂设备、工艺条件和高昂费用的制约2，该项技术在水电站闸门上推广应用受到了很大限制，而寻找一种经济、实用、寿命长，便于在水工闸门上广泛推广抗磨防腐蚀喷涂技术显得十分必要。1 国内抗磨防腐蚀概况目前，我国正处在基础设施建设蓬勃发展的大好时机，尤其是在交通船舶、能源、化工、水利项目和重型机械设备设施的建设过程中,大力发展和推广表面工程技术,对节能减排和建设资源节约、环境友好型社会具有十分重要的意义。抗磨防腐蚀作为表面工程技术的一个分支，具有交叉性、边缘性、多学科性等特点，其核心内容是新材料、新技术的应用，主要包括：热喷涂、堆焊及耐磨板、激光熔覆、耐磨陶瓷技术、抗蚀耐磨涂料技术、不定形抗蚀耐磨材料技术等3。2 小浪底水电站闸门的抗磨和防腐蚀情况图1 排沙洞工作门面板磨损情况小浪底电站闸门主要采用“环氧富锌或喷锌+环氧云铁+氯化橡胶面漆”组合方案作为防腐蚀方案，采用“h064环氧富锌防锈底漆+8840环氧不锈钢鳞片漆”作为抗磨防腐蚀方案，经过十多年的运行考验,二种方案的防腐蚀效果均较好，但是抗磨蚀性能尚不能满足特殊工况条件下闸门的运行要求。目前小浪底明流洞工作闸门和排沙洞偏心铰弧形工作闸门的面板均存在油漆刮伤损坏问题，如图1。因为磨损加剧，造成防腐周期缩短，一方面加大了防腐检修管理和维护费用，最关键的是磨损、锈蚀及频繁的防腐喷沙对闸门基体产生了较强的破坏,使闸门变薄，缩短闸门的使用寿命，危及闸门的安全运行。3 抗磨防腐蚀技术的调研和方案的选择作者简介：唐红海（1975-），男，工程师，从事水电厂运行管理工作，e-mail:。通过比选、调研，考虑到金属热喷涂是一种材料表面强化和表面改性的新技术，可以使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、减磨和密封等性能，具有应用广泛，施工工艺相对成熟，易于推广等优点4,5。为此，对国内常用金属喷涂技术的优、缺点进行简要分析：（1）常用水工钢结构金属涂层有锌、铝、锌铝合金、锌镁合金、喷稀土铝、先喷锌后喷铝和先喷铝后喷锌，涂层厚度控制在120um左右，常用的封孔涂料为磷化底漆、环氧封闭漆和氯化橡胶，厚度控制在80um左右。使用寿命一般为15年左右，铝基涂层易钝化而失去阴极保护作用，在后期易出现鼓泡和白色物析出现象6。而锌基涂层颗粒较细且均匀，阴极保护效果稳定可靠，效果良好，特别是锌的防渗透能力强，缺点是锌层的表面硬度较差、耐磨性和抗破坏性较差。（2）不锈钢涂层的保护周期为40年左右，其优点是硬度高、耐磨性好、强度大，抗破坏性能好，其缺点是易锈蚀、无阴极保护功能，表面粗糙，孔隙率大，防渗透能力弱，很少在水工钢结构中应用。（3）碳化钨金属陶瓷，主要成分为wc-cocr(ni)是目前国际上公认的水轮机过流部件上采用的抗磨蚀涂层，具有优良的抗磨和防气蚀、防腐蚀效果的涂层，涂层致密且结合强度高，耐磨性能好。其原理是让碳化钨金属陶瓷粉末，以超音速的速度喷射到工件表面，形成高强度的涂层。其缺点是喷涂设备需要进口，设备价格昂贵，喷涂成本很高，现阶段在水工闸门上大面积的推广应用的可能性不大7-12。通过对分析、总结，提出了利用锌层具有良好的附着力和阴极保护效果，和不锈钢具有高强度、高耐磨和长寿命的特点，决定采用喷锌+喷不锈钢的组合方案，同时用封闭漆来弥补不锈钢表面粗糙，孔隙率大，防渗透能力弱的缺点。具体方案见表1。表1 不锈钢抗磨防腐蚀技术方案件号试验方案内容设计涂层厚度遍数喷涂工艺备注1喷锌+喷201不锈钢60m+60m2粗糙度ry60-80m，清洁度sa2.5，电弧喷涂不涂封闭漆的抗磨性2喷锌+喷316不锈钢60m+60m2同上3喷锌+喷201不锈钢+环氧金刚砂油漆60m+60m+30m2同上考察完整喷涂系统的抗磨性能和耐腐蚀性能4喷锌+喷316不锈钢+环氧金刚砂油漆60m+60m+30m3同上5喷316不锈钢+环氧金刚砂油漆60m+30m2同上6喷stainless steel l3163060m2清洁度sa2.5，喷涂2次7环氧富锌底漆+8840环氧富锌不锈钢鳞片漆80m+420m2清洁度sa2.5，粗糙度ry60-80m，涂刷工艺原闸门喷涂方案4 抗磨涂层耐磨性能试验设备的研发由于常规的厚度检测、附着力和硬度检测、孔隙率检测均不能直接证明哪个方案是最优方案，而现场试验的时间太长，条件也不允许。经咨询和调查，目前能够进行耐磨性能试验的设备很少，而且不同的原理的耐磨试验设备检验的局限性大，不利于研究方案的持续改进。模拟试验设备主要由气动竖向压紧装置和气动水平往返运动装置组成，气动竖向压紧装置包括竖向气缸、支架、承压联接件和摩擦试块；气动水平往返运动装置包括底座、滑块、连杆和水平气缸，如图2。设计研发时主要掌握的几个原则：图2 抗磨涂层耐磨试验设备（1）选用典型断面、1：1模型尺寸、摩擦面之间的正压力和磨擦力与现场相符并可以调整，能够自由往复动作，压紧摩擦试块可更换等技术要求。（2）可进行无水、有水和有沙等多种运行工况的模拟试验，槽内水沙比可调，使试验数据真实可靠、直观高效。（3）试验设备要求简单实用和易于操作，为此选择了高压气作为动力源，利用气缸的机械行程作为行程限位，利用手动的换向阀来实现水平方向的往复运行等。5 试验原则和简要过程为了验证各方案的优缺点和实际应用效果，重点对选定的七个试验方案进行了耐磨性能试验。5.1 试验原则：采用相同的试验环境，相同规格和标准要求的试验钢板，相同的涂层厚度、相同的喷涂工人和相同的检验、对比方法；每种喷涂工艺同时喷涂两块。5.2 试验方法：划格法拉拨试验；盐水浸泡试验；不锈钢喷涂表面粗糙度和孔隙率检测；采用模拟试验装置进行耐磨试验。5.3 试验钢板：尺寸为400mm100mm10mm，并将钢板正反喷砂至ry60100m，表面清洁度处理至sa2.5级，试验钢板共17块，分为二小组，每小组7块，留3块随时备用。5.4 涂层制备：（1）调节好电弧喷涂设备的电压，将锌丝送入喷枪后，开启压缩空气，打开喷涂开关进行锌层的喷涂，完成1#4#试板的喷涂工作，测量涂层的平均厚度为67m；1小时后进行201和316不锈钢涂层的喷涂工作，经测量总涂层的平均厚度为149.8m；1小时后对3#和4#试板涂刷环氧金刚砂油漆作为封闭油漆，厚度为30m。（2）使用韩国进口stainless stel l-316不锈钢喷剂，按要求完成对6#试板的喷涂，喷涂为两次进行，总厚度控制在60m80um。（3）采用闸门原涂层方案对7#试板进行喷涂，使用气喷枪喷涂h06-4环氧富锌防锈底漆和8840环氧不锈钢鳞片漆，平均厚度分别控制在80m和420m左右。5.5 耐磨试验：利用试验装置分别对1#7#试块进行干磨、加清水磨、加清水及沙粒磨三种工况的试验，每种工况各磨20次，直到出现明鲜的对比效果为止，每次做好详细的检测记录。试验的初步结论证实了“喷锌+喷316不锈钢+环氧金刚砂油漆”是最佳抗磨防腐蚀方案，为此，将该方案应用在小浪底水利枢纽2#排沙洞工作闸门面板上进行了现场原型试验。为了使试验结果更加直观，在弧门面板上对称选择了二个磨损较严重的区域，进行喷涂对比，2011年6月19日至7月9日，经历了调水调沙频繁运行的考验，进一步验证了“喷锌+喷316不锈钢+环氧金刚砂油漆”的喷涂效果。6 结 论对抗磨防腐蚀不锈钢喷涂试验资料进行汇总、分析，并组织专家鉴定和验收会议，意见如下：（1）选题紧密结合生产运行实际，研究工作采取的技术路线和工作大纲切实可行，选择的试验方案是在广泛调研、优化的基础上提出来的，具有一定的先进性。研究成果具有一定的创新内容，具有较强的实用性。（2）通过采取动态模拟多方案对比试验选出最优方案，试验结果真实可信，新型不锈钢复合涂层较好地解决了磨损与电化学腐蚀的双重问题，能够延长闸门面板防腐周期，降低闸门防腐检修费用，达到了预期目标。（3）研究成果已在小浪底水利枢纽2号排沙洞偏心铰弧门面板上试用，建议加强跟踪检查，积累资料，为后期的推广提供技术支持。参考文献：1 张瑞金, 马新红, 胡宝玉, 钟光华. 针对小浪底水电站水轮机抗磨防护问题的研究j. 水力发电, 2004, (01).49-51.2 李成家, 单福平. sxh70抗磨蚀材料在水轮机过流部件上的应用j. 水力发电, 2006, (07). 56-57+60.3我国防磨抗蚀市场前景分析ol.国家石油和化工网. .2010-5-27.4夏卿坤,吴宪平,胡冠昱,戴娟.水工钢结构的热喷涂防腐技术j.湖南工程学院学报(自然科学版),2004,(01).37-39.5王黎,徐焱慧.热喷涂技术的现状和发展j.砖瓦,2006,(02).45-48. 6陈斌,陈永臻,龚来存,包宝华.钢结构防腐新技术热喷涂金属阶梯涂层j.中国水利,2003,(11).60-61.7张阁,周香林,张济山,孙东柏.水轮机过流部件用高耐磨耐蚀涂层制备技术j表面技术,2004,(01).4-7+10.8高家诚,孙玉林.水轮机过流部件用材料的抗磨蚀技术措施j腐蚀与防护,2004,(08).355-358.9刘克昌.水轮机部件的抗磨蚀技术j水利水电快报,1995,(15).13-14.10王飙.水轮机抗磨蚀表面强化技术现状和应用评价j云南工业大学学报,1999,(02).4-6.11王华仁,徐庆志.沙坡头电厂水轮机叶片超音速喷涂耐泥沙磨蚀技术j东方电气评论,2006,(03).48-52.12朱兴旺.小浪底水电站水轮机不同转速方案抗磨