一種可常溫下施工的水輪機抗磨蝕方法

2023-09-21 13:33:25 1

專利名稱：一種可常溫下施工的水輪機抗磨蝕方法
技術領域：
本發明涉及水輪機抗磨蝕方法，更具體地是指一種可常溫下施工的水輪機抗磨蝕方法，可應用於大中型水輪機葉片、高揚程水泵過流件、艦船螺旋槳、大型化工混合器攪拌槳和大型水利站巨型水閘閘門等領域，具有防空蝕、防磨蝕、防腐蝕等防護作用。
背景技術：
水輪機的抗磨蝕是國內外水利界長期以來一直關注的一個重大課題。為此，國內外水利界和材料界有關科研單位和大型企業已探索了將近40多年歷史，試圖解決此難題。
國內外有關科研單位、大學和大型企業曾試驗過多種金屬和非金屬材料作為水輪機抗磨蝕材料。其中金屬材料如合金粉末噴塗、金屬陶瓷噴塗、碳化鎢超高音速噴塗等。金屬塗層的主要缺點是噴塗設備龐大、現場施工不便。尤其是金屬噴塗需高溫條件，對水輪機葉片產生變形。此外，金屬噴塗成本太高，碳化鎢噴塗技術國內施工價1萬元/m2(國外施工價5萬元/m2)，故難以在國內推廣應用。試驗過的非金屬抗磨蝕材料有環氧膠、丁腈膠、丁羥膠、丁腈羥膠、聚氨酯膠、環氧——聚氨酯複合塗層等。這些材料作為抗磨蝕塗層，在常溫下施工，均因在水輪機葉片空蝕區和磨蝕區抗磨蝕性能達不到要求而無法應用。國內有關科研單位曾研究過環氧——聚氨酯複合塗層在小型水電站水輪機上作為抗磨蝕塗層，但其施工溫度需120℃高溫，這對大中型水電站水輪機巨型葉片，這種高溫施工條件難以實施。近十幾年來，不少國內外科研單位和企業，也試驗了常溫固化聚氨酯和環氧——聚氨酯複合塗層材料作為大中型水輪機葉片抗磨蝕材料，如美國S-80聚氨酯塗料、瑞士麥卡太克塗料、英國E、WOOD公司的EG和FG塗料、德國優依特公司的聚氨酯塗層、法國「耐而久」聚氨酯塗層。但這些抗磨蝕非金屬材料，在常溫下施工最終均告失敗。
國內外已有不少科研單位和大型企業，曾試驗過採用環氧膠與聚氨酯膠複合材料作為大中型水輪機葉片空蝕區或磨蝕區抗磨蝕保護塗層。但是這些複合塗層，在常溫下，界面之間粘結強度長期以來一直停留在≤20Mpa水平，因性能達不到要求而均告失敗。而高溫施工條件，對大中型水輪機又無法接受。

發明內容
本發明需要解決的技術關鍵，是針對大中型水輪機葉片空蝕區或磨蝕區，提供一種既能滿足抗磨蝕性能要求，又能在常溫下施工並能保證施工質量的技術方案。
為了達到上述目的，本發明首先採用環氧膠和聚氨酯膠構成的有互穿網絡結構的複合材料技術；其次是由環氧膠和聚氨酯膠先在高溫(70～120℃)下固化成一種高性能複合材料「預製件」，然後在常溫條件下，通過膠粘劑和點焊加固工藝，連接於水輪機葉片空蝕區或磨蝕區。
所述的環氧膠和聚氨酯膠構成的互穿網絡結構複合材料技術，包括環氧膠為底層膠牢固粘接不鏽鋼基材、聚氨酯膠為面層膠提供抗磨蝕性能。其中環氧膠底層，它是通過在KD-EP-1環氧膠A組份中加入複合催化劑，它對環氧樹酯中打開環氧鍵生成羥基起催化作用，從而促使羥基(-OH)與聚氨酯中(-NCO)之間形成強的化學鍵，同時環氧膠中(-NH2)與聚氨酯中(-NCO)反應，這樣環氧底膠與聚氨酯面膠界面之間形成牢固的互穿網絡結構，明顯地提高了環氧膠與聚氨酯膠界面之間的粘接強度。
所述的聚氨酯膠面層材料，它由甲、乙兩個組分組成，採用KD-PU-1聚氨酯膠。「KD-PU-1」在常溫15～25℃下，固化8～10天具有高的綜合力學性能，其中拉伸強度達到32～36Mpa，扯斷伸長率達到450～500％，抗撕裂強度達到100～135KN/M，硬度(邵氏)達到85～95。這些優良的綜合力學性能，已達到了以前的環氧——聚氨酯複合塗層聚氨酯面層材料，在高溫固化條件下才能得到的力學性能，從而提供優良的抗磨蝕性能。
上述的環氧膠——聚氨酯膠互穿網絡結構複合材料，取名謂「KD-2003-1」，在固化溫度(施工溫度)15～60℃範圍，其拉伸強度已達到並超過30Mpa，而以前的環氧膠與聚氨酯複合塗層，在此固化條件下，其拉伸強度一般在20Mpa以下。
水輪機運行過程中水流流經葉片，由於葉型等多方面因素而產生「空化現象」，空泡由低壓區運行到高壓區即行潰滅，在潰滅瞬間產生高達數百甚至上千大氣壓的微射流作用於葉片表面；一個合格的抗磨蝕材料要求複合塗層面層材料具有高的抗磨蝕破壞能力，即要求面層材料具有高的綜合力學性能，其中包括面層材料必須具有高的吸振性能，以確保面層材料在空蝕區或磨蝕區受到高頻與高壓微射流衝擊而不被破壞，由此要求面層材料具有高的伸長率。其次，由於水輪機運行的工況條件一般都十分惡劣，除泥沙外，還有帶有不少尖硬物件衝擊材料表面，因此要求面層材料必須具有高的撕裂強度。此外，面層材料還必須具有較高的拉伸強度和硬度，使之確保材料具有較高的抗磨損性能。以前的環氧膠——聚氨酯膠複合塗層中面層材料要達到這些較高的力學性能，必須在高溫下固化(即對水輪機高溫施工)，才能滿足此要求。而常溫下固化，綜合力學性能難以達到此要求。這是以前環氧——聚氨酯複合塗層常溫施工失敗的重要原因之一。
所述的高性能複合材料「預製件」，是一種全新的抗磨蝕方法，它是由環氧膠與聚氨酯膠塗刷在一定形狀的不鏽鋼薄板上，並在高溫(70～120℃)條件下固化形成一個複合材料預製件。其施工工藝方法如下按照水輪機葉片的尺寸和形狀，在常溫下將環氧膠與聚氨酯膠分別塗刷固化在一不鏽鋼板(＜0.5mm)上，其中環氧膠為底基材料，聚氨酯膠為面層材料，在70～120℃下固化3～5天，製得環氧膠與聚氨酯膠複合材料「預製件」，這種「預製件」具有高的綜合力學性能。在現場施工時，在常溫下將環氧膠粘劑預塗於葉片上，然後將「預製件」粘接其上，並在邊緣將「預製件」點焊在水輪機葉片上，再在常溫下固化10天左右。
這種「預製件」用膠粘劑粘接並加點焊加固的新工藝優點是此種複合塗層，高溫固化很具有高的力學性能，同時，複合塗層材料與葉片之間結合力大大得到了強化，因此，這種複合塗層材料的可靠性也大大得到了改善，這也非常有利於提高塗層的抗磨蝕性能。本發明方法，可以完全在常溫條件下進行，這對大中型葉片、高揚程水泵等現場施工十分有利。此外，本發明方法還有一個突出優點，不受環境溼度影響，可在高溼度環境下施工。這就克服了以前環氧——聚氨酯複合塗層性能易受環境溼度影響，在高溼度下性能下降的一個重要技術措施。在本發明中稱為「KD-2003-2」「預製件」複合材料，其拉伸強度經初步試驗已達到≥35Mpa，聚氨酯面層材料也具有優良的綜合力學性能，同時複合塗層材料具有優良的耐水性能。
具體實施例方式實施例1環氧膠與聚氨酯膠互穿網絡結構材料「KD-2003-1」進行模擬水力磨蝕試驗。
試件製備方法在常溫下將KD-EP-1環氧膠澆注於測試件(不鏽鋼)表面(試件表面經噴砂處理)，待環氧膠表幹後，在其上面澆注KD-PU-1聚氨酯膠，將此複合材料在50℃下固化12小時，再室溫下放置3天，試驗結果如下在模擬水流流速35.87m/Sh 48.34m/s兩種流速和含沙量15～16Kg/m3工況條件下，「KD-2003-1」抗磨蝕累計試驗時間達到並超過了30小時。試驗結束時，塗層材料仍完整地粘接於試件表面，無脫落現象。經該抗磨蝕模擬試驗證明「KD-2003-1」具有優良的抗磨蝕性能，在相同工況下，它的抗磨損係數是Cr18Ni9Ti不鏽鋼的3～6倍。而傳統的環氧膠與聚氨酯膠複合塗層材料，按以上方法製備試件，在相同工況條件下作水機抗磨蝕模擬試驗，一般運行累計時間不到20小時，複合塗層即被破壞或脫落。
實施例2「KD-2003-1」在小型水輪機葉片上進行抗空蝕試驗。
施工工藝如下常溫下將KD-EP-1環氧底膠塗於經噴砂的葉片表面→待環氧膠表幹後在常溫下塗KD-PU-1聚氨酯面膠(共塗6～8遍，中間間隔30』)至塗層厚度約為2mm→將塗好的葉片在50℃下固化12小時→室溫下放置10天。經初步試驗，水輪機運行時間已達到1000小時以上，取得了較為理想結果。而傳統的環氧膠與聚氨酯膠複合塗層，在此相同條件運行時間幾百小時後，塗層即被破壞或脫落。
實施例3「KD-2003-1」複合塗層配比及施工工藝KD-EP-1為底膠。由A、B兩個組份組成，其配比為A∶B＝4∶1.5。施工前將A、B兩組份按比例混合均勻刷塗(或刮塗)到經噴砂處理的鋼質底基上，待環氧底膠表幹(即表層不粘手)即塗KD-PU-1面膠，該膠也由甲、乙兩個組份組成，其配比為甲∶乙＝100∶14。在使用前把甲、乙兩個組份按比例混合均勻，(適用期約20』)混合均勻後即可塗到已表幹的環氧底膠上，塗完第一層膠待表面表幹後，再塗第二層，中間相隔30』，一般塗6～8遍，塗層厚度即可達到2mm。
本發明同樣適用於下列材質碳鋼、不鏽鋼、銅、鋁、水泥砂漿、混凝土、塑料和玻璃鋼等，具有常溫下施工，可滿足各種抗磨蝕性能要求。
權利要求
1.一種可常溫下施工的水輪機抗磨蝕方法，採用環氧膠與聚氨酯膠，其特徵在於首先由環氧膠和聚氨酯膠構成的有互穿網絡結構的抗磨蝕複合材料；其次是由環氧膠和聚氨酯膠先在高溫(70～120℃)下固化成一種高性能抗磨蝕複合材料「預製件」，然後在常溫下，通過膠粘劑粘接和點焊加固工藝，連接於水輪機葉片空蝕區或磨蝕區。
2.根據權利要求1所述的一種可常溫下施工的水輪機抗磨蝕方法，其特徵在於所述的環氧膠和聚氨酯膠構成互穿網絡結構複合材料，其中環氧膠為底層(＜0.5mm)、聚氨酯膠為面層(＜3mm)，通過在環氧膠中加入複合催化劑，使環氧膠與聚氨酯膠的界面之間，在常溫下形成互穿網結構，提高粘接力。
3.根據權利要求1或2所述的一種可常溫下施工的水輪機抗磨蝕方法，其特徵在於所述的環氧膠和聚氨酯膠構成有互穿網絡結構的複合材料，其施工溫度為15～60℃、溼度≤70％。
4.根據權利要求1所述的一種可常溫下施工的水輪機抗磨蝕方法，其特徵在於所述的複合材料預製件，施工工藝是按水輪機葉片空蝕區的尺寸和形狀要求，在常溫下將環氧膠與聚氨酯膠分別塗刷固化在一不鏽鋼板(＜0.5mm)上，其中環氧膠為底基材料(＜0.5mm)，聚氨酯膠為面層材料(＜3mm)，在70～120℃下固化3～5天，製得複合材料「預製件」。
5.根據權利要求1所述的一種可常溫下施工的水輪機抗磨蝕方法，其特徵在於所述的膠粘劑粘接和點焊加固工藝，是將預製件連接於葉片的磨蝕區或空蝕區部位，葉片其他部位，採用現場噴塗工藝將聚氨酯膠噴塗於經環氧膠預塗的葉片表面。
6.根據權利要求1所述的一種可常溫下施工的水輪機抗磨蝕方法，其特徵在於所述的環氧膠採用KD-EP-1環氧膠底層材料，它由A、B兩個組份組成，其中A組份加入複合催化劑。
7.根據權利要求1所述的一種可常溫下施工的水輪機抗磨蝕方法，其特徵在於所述的聚氨酯膠採用KD-PU-1聚氨酯膠為面層材料，它由甲、乙兩個組份組成。
8.根據權利要求1所述的一種可常溫下施工的水輪機抗磨蝕方法，其特徵在於同樣適用於下列材質碳鋼、不鏽鋼、銅、鋁、水泥砂漿、混凝土、塑料和玻璃鋼。
全文摘要
本發明涉及一種水輪機抗磨蝕方法，更具體地是指一種可常溫下施工的水輪機抗磨蝕方法，採用環氧膠與聚氨酯膠，其特徵在於首先由環氧膠和聚氨酯膠構成的有互穿網絡結構的抗磨蝕複合材料；其次是由環氧膠和聚氨酯先在高溫(70℃～120℃)下固化成一種高性能抗磨蝕複合材料「預製件」，然後在常溫下，通過膠粘劑和點焊加固工藝，連接於水輪機葉片空蝕區或磨蝕區。本發明可應用於大中型水輪機葉片、高揚程水泵過流件、艦船螺旋槳、大型化工混合器攪拌槳和大型水利站巨型水閘閘門等領域，起到防空蝕、防磨蝕、防腐蝕等防護作用，同樣適用於下列材質碳鋼、不鏽鋼、銅、鋁、水泥砂漿、混凝土、塑料和玻璃鋼等，具有常溫下施工，可滿足各種抗磨蝕性能要求。
文檔編號F03B3/12GK1576574SQ0314185
公開日2005年2月9日 申請日期2003年7月28日 優先權日2003年7月28日
發明者陸企亭, 黃茂松, 史以洪, 雷永銘, 郭曉鶯, 侯一斌 申請人:上海康達化工有限公司