CN100443716C - 一种可常温下施工的水轮机抗磨蚀方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水轮机抗磨蚀方法,更具体地是指一种可常温下施工的水轮机抗磨蚀方法,按照水轮机叶片的尺寸和形状,在常温下将环氧胶与聚氨酯胶分别涂刷固化在一不锈钢板上,其中环氧胶为底基材料,聚氨酯胶为面层材料,在70-120℃下固化3~5天,制得环氧胶与聚氨酯胶复合材料“预制件”,这种“预制件”具有高的综合力学性能。在现场施工时,在常温下将环氧胶粘剂预涂于叶片上,然后将“预制件”粘接其上,并在边缘将“预制件”点焊在水轮机叶片上,再在常温下固化10天左右。本发明可应用于大中型水轮机叶片、高扬程水泵过流件、舰船螺旋桨、大型化工混合器搅拌桨和大型水利站巨型水闸闸门等领域,起到防空蚀、防磨蚀、防腐蚀等防护作用,具有常温下施工,可满足各种抗磨蚀性能要求。

Description

一种可常温下施工的水轮机抗磨蚀方法
技术领域:
本发明涉及水轮机抗磨蚀方法,更具体地是指一种可常温下施工的水轮机抗磨蚀方法,可应用于大中型水轮机叶片、高扬程水泵过流件、舰船螺旋桨、大型化工混合器搅拌桨和大型水利站巨型水闸闸门等领域,具有防空蚀、防磨蚀、防腐蚀等防护作用。
背景技术:
水轮机的抗磨蚀是国内外水利界长期以来一直关注的一个重大课题。为此,国内外水利界和材料界有关科研单位和大型企业已探索了将近40多年历史,试图解决此难题。
国内外有关科研单位、大学和大型企业曾试验过多种金属和非金属材料作为水轮机抗磨蚀材料。其中金属材料如:合金粉末喷涂、金属陶瓷喷涂、碳化钨超高音速喷涂等。金属涂层的主要缺点是:喷涂设备庞大、现场施工不便。尤其是金属喷涂需高温条件,对水轮机叶片产生变形。此外,金属喷涂成本太高,碳化钨喷涂技术国内施工价1万元/m2(国外施工价5万元/m2),故难以在国内推广应用。试验过的非金属抗磨蚀材料有:环氧胶、丁腈胶、丁羟胶、丁腈羟胶、聚氨酯胶、环氧——聚氨酯复合涂层等。这些材料作为抗磨蚀涂层,在常温下施工,均因在水轮机叶片空蚀区和磨蚀区抗磨蚀性能达不到要求而无法应用。国内有关科研单位曾研究过环氧——聚氨酯复合涂层在小型水电站水轮机上作为抗磨蚀涂层,但其施工温度需120℃高温,这对大中型水电站水轮机巨型叶片,这种高温施工条件难以实施。近十几年来,不少国内外科研单位和企业,也试验了常温固化聚氨酯和环氧——聚氨酯复合涂层材料作为大中型水轮机叶片抗磨蚀材料,如:美国S-80聚氨酯涂料、瑞士麦卡太克涂料、英国E、W00D公司的EG和FG涂料、德国优依特公司的聚氨酯涂层、法国“耐而久”聚氨酯涂层。但这些抗磨蚀非金属材料,在常温下施工最终均告失败。
国内外已有不少科研单位和大型企业,曾试验过采用环氧胶与聚氨酯胶复合材料作为大中型水轮机叶片空蚀区或磨蚀区抗磨蚀保护涂层。但是这些复合涂层,在常温下,界面之间粘结强度长期以来一直停留在≤20Mpa水平,因性能达不到要求而均告失败。而高温施工条件,对大中型水轮机又无法接受。
发明内容:
本发明需要解决的技术关键,是针对大中型水轮机叶片空蚀区或磨蚀区,提供一种既能满足抗磨蚀性能要求,又能在常温下施工并能保证施工质量的技术方案。
为了达到上述目的,本发明首先采用环氧胶和聚氨酯胶构成的有互穿网络结构的复合材料技术;其次是由环氧胶和聚氨酯胶先在高温(70~120℃)下固化成一种高性能复合材料“预制件”,然后在常温条件下,通过胶粘剂和点焊加固工艺,连接于水轮机叶片空蚀区或磨蚀区。
所述的环氧胶和聚氨酯胶构成的互穿网络结构复合材料技术,包括环氧胶为底层胶牢固粘接不锈钢基材、聚氨酯胶为面层胶提供抗磨蚀性能。其中环氧胶底层,它是通过在环氧胶A组份中加入复合催化剂,它对环氧树酯中打开环氧键生成羟基起催化作用,从而促使羟基(-OH)与聚氨酯中(-NCO)之间形成强的化学键,同时环氧胶中(-NH2)与聚氨酯中(-NCO)反应,这样环氧底胶与聚氨酯面胶界面之间形成牢固的互穿网络结构,明显地提高了环氧胶与聚氨酯胶界面之间的粘接强度。
所述的聚氨酯胶面层材料,采用甲、乙两个组分组成的聚氨酯胶。该聚氨酯胶在常温15~25℃下,固化8~10天具有高的综合力学性能,其中拉伸强度达到32-36Mpa,扯断伸长率达到450-500%,抗撕裂强度达到100-135KN/M,硬度(邵氏)达到85-95。这些优良的综合力学性能,已达到了以前的环氧——聚氨酯复合涂层聚氨酯面层材料,在高温固化条件下才能得到的力学性能,从而提供优良的抗磨蚀性能。
上述的环氧胶——聚氨酯胶互穿网络结构复合材料,在固化温度(施工温度)15-60℃范围,其拉伸强度已达到并超过30Mpa,而以前的环氧胶与聚氨酯复合涂层,在此固化条件下,其拉伸强度一般在20Mpa以下。
水轮机运行过程中水流流经叶片,由于叶型等多方面因素而产生“空化现象”,空泡由低压区运行到高压区即行溃灭,在溃灭瞬间产生高达数百甚至上千大气压的微射流作用于叶片表面;一个合格的抗磨蚀材料要求复合涂层面层材料具有高的抗磨蚀破坏能力,即要求面层材料具有高的综合力学性能,其中包括面层材料必须具有高的吸振性能,以确保面层材料在空蚀区或磨蚀区受到高频与高压微射流冲击而不被破坏,由此要求面层材料具有高的伸长率。其次,由于水轮机运行的工况条件一般都十分恶劣,除泥沙外,还有带有不少尖硬物件冲击材料表面,因此要求面层材料必须具有高的撕裂强度。此外,面层材料还必须具有较高的拉伸强度和硬度,使之确保材料具有较高的抗磨损性能。以前的环氧胶——聚氨酯胶复合涂层中面层材料要达到这些较高的力学性能,必须在高温下固化(即对水轮机高温施工),才能满足此要求。而常温下固化,综合力学性能难以达到此要求。这是以前环氧——聚氨酯复合涂层常温施工失败的重要原因之一。
所述的高性能复合材料“预制件”,是一种全新的抗磨蚀方法,它是由环氧胶与聚氨酯胶涂刷在一定形状的不锈钢薄板上,并在高温(70~120℃)条件下固化形成一个复合材料预制件。其施工工艺方法如下:
按照水轮机叶片的尺寸和形状,在常温下将环氧胶与聚氨酯胶分别涂刷固化在一不锈钢板(<0.5mm)上,其中环氧胶为底基材料,聚氨酯胶为面层材料,环氧胶为底胶(<0.5mm)、聚氨酯胶为面胶(<3mm),在70-120℃下固化3~5天,制得环氧胶与聚氨酯胶复合材料“预制件”,这种“预制件”具有高的综合力学性能。在现场施工时,在常温下将环氧胶粘剂预涂于叶片上,然后将“预制件”粘接其上,并在边缘将“预制件”点焊在水轮机叶片上,再在常温下固化10天左右。
这种“预制件”用胶粘剂粘接并加点焊加固的新工艺优点是:此种复合涂层,高温固化很具有高的力学性能,同时,复合涂层材料与叶片之间结合力大大得到了强化,因此,这种复合涂层材料的可靠性也大大得到了改善,这也非常有利于提高涂层的抗磨蚀性能。本发明方法,可以完全在常温条件下进行,这对大中型叶片、高扬程水泵等现场施工十分有利。此外,本发明方法还有一个突出优点,不受环境湿度影响,可在高湿度环境下施工。这就克服了以前环氧——聚氨酯复合涂层性能易受环境湿度影响,在高湿度下性能下降的一个重要技术措施。在本发明的“预制件”复合材料,其拉伸强度经初步试验已达到≥35Mpa,聚氨酯面层材料也具有优良的综合力学性能,同时复合涂层材料具有优良的耐水性能。
具体实施方式:
一种可常温下施工的水轮机抗磨蚀方法,是在常温下将环氧胶与聚氨酯胶分别涂刷固化在一不锈钢板(<0.5mm)上,其中环氧胶为底基材料,聚氨酯胶为面层材料,环氧胶为底胶(<0.5mm)、聚氨酯胶为面胶(<3mm),在70-120℃下固化3~5天,制得环氧胶与聚氨酯胶复合材料“预制件”,这种“预制件”具有高的综合力学性能。在现场施工时,在常温下将环氧胶粘剂预涂于叶片上,然后将“预制件”粘接其上,并在边缘将“预制件”点焊在水轮机叶片上,再在常温下固化10天左右。
实施例1:
环氧胶与聚氨酯胶互穿网络结构材料进行模拟水力磨蚀试验。
试件制备方法:在常温下将环氧胶浇注于测试件(不锈钢)表面(试件表面经喷砂处理),待环氧胶表干后,在其上面浇注聚氨酯胶;将此复合材料在50℃下固化12小时,再室温下放置3天,试验结果如下:在模拟水流流速35.87m/Sh 48.34m/s两种流速和含沙量15-16Kg/m3工况条件下,“KD-2003-1”抗磨蚀累计试验时间达到并超过了30小时。试验结束时,涂层材料仍完整地粘接于试件表面,无脱落现象。经该抗磨蚀模拟试验证明:环氧胶与聚氨酯胶互穿网络结构材料具有优良的抗磨蚀性能,在相同工况下,它的抗磨损系数是Cr18Ni9Ti不锈钢的3~6倍。而传统的环氧胶与聚氨酯胶复合涂层材料,按以上方法制备试件,在相同工况条件下作水机抗磨蚀模拟试验,一般运行累计时间不到20小时,复合涂层即被破坏或脱落。
实施例2:
环氧胶与聚氨酯胶互穿网络结构材料在小型水轮机叶片上进行抗空蚀试验。
施工工艺如下:常温下将环氧胶涂于经喷砂的叶片表面→待环氧胶表干后在常温下涂聚氨酯胶(共涂6-8遍,中间间隔30′)至涂层厚度约为2mm→将涂好的叶片在50℃下固化12小时→室温下放置10天。经初步试验,水轮机运行时间已达到1000小时以上,取得了较为理想结果。而传统的环氧胶与聚氨酯胶复合涂层,在此相同条件运行时间几百小时后,涂层即被破坏或脱落。
实施例3:
环氧胶与聚氨酯胶互穿网络结构材料复合涂层配比及施工工艺:环氧胶为底胶。由A、B两个组份组成,其配比为A∶B=4∶1.5。施工前将A、B两组份按比例混合均匀刷涂(或刮涂)到经喷砂处理的钢质底基上,待环氧胶表干(即表层不粘手)即涂面胶,该面胶为聚氨酯胶,也由甲、乙两个组份组成,其配比为甲∶乙=100∶14。在使用前把甲、乙两个组份按比例混合均匀,(适用期约20′)混合均匀后即可涂到已表干的环氧底胶上,涂完第一层胶待表面表干后,再涂第二层,中间相隔30′,一般涂6~8遍,涂层厚度即可达到2mm。

Claims (1)

1、一种可常温下施工的水轮机抗磨蚀方法,其特征在于,包括下列步骤:
1)按水轮机叶片的尺寸和形状要求,将环氧胶与聚氨酯胶分别涂刷固化在一不锈钢板上,其中环氧胶为底胶材料、聚氨酯胶为面层材料,在70~120℃下固化3-5天,制得复合材料“预制件”;
2)在常温下,通过胶粘剂粘接和点焊加固,将所述“预制件”连接在水轮机叶片上;然后在常温下固化10天;
所述不锈钢板的厚度<0.5mm;所述底胶材料厚度<0.5mm;所述面层材料厚度<0.5mm。
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