CN111229566A - 水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层,包括依次涂覆在过流部件缺陷部位的陶瓷修补层、环氧粘接底涂层、高韧性聚氨酯过渡中间层和聚氨酯弹性体面涂层，所述高韧性聚氨酯过渡中间层为无溶剂双组份聚氨酯涂料层，该无溶剂双组份聚氨酯涂料层由三官能团的异氰酸酯交联剂组份和二官能团的氨基化合物组份构成。本发明能够同时具有易于操作，防护性好和不易脱落的特点。

Description

水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种水轮机修复涂层，特别是一种水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层及其制备方法。

背景技术

水轮机是水电行业的最核心部件，其过流部件由于在运行过程中长期受到气蚀、高速水流冲刷腐蚀、泥沙磨损和介质腐蚀等破坏作用，会导致水轮机转轮和导叶的腐蚀破损，引起表面粗糙度变大、线型被破坏、摩擦阻力系数增加等问题，严重影响水轮机的出力和运行效率。此外，腐蚀造成的材料破坏还会导致过流部件的破坏失效，严重时使机组产生强烈振动、噪音和负荷波动，直接影响水轮机的安全稳定性和服役寿命。

目前解决上述问题的方式是在过流部件的表面进行涂层防护，当水轮机导叶出现腐蚀缺陷时，通过更换部件或补焊打磨，然后在其表面涂覆抗气蚀耐磨损涂料。但补焊的方式现场操作难度较大不易实施，而常规的抗气蚀耐磨损涂层主要为金属涂层、有机环氧类涂层和有机弹性体涂层，这三类涂层均无法很好的适用于水电站过流部件的防护涂料。其中金属涂层的施工工艺难度大、工艺温度较高，容易导致工件产生热变形，需要在施工后进行后续机械加工，存在现场修复操作难度大，成本高和周期长的问题，无法再水电行业的日常检修中应用。

有机环氧类涂层则是以环氧树脂为基体，Al₂O₃、SiO₂、SiC等硬质陶瓷粉末增强的一类涂层，该涂层对水轮机转轮体、叶片正面等非气蚀区具有良好的抗沙粒磨损效果，但这类材料的韧性较差，涂层内应力大，抗气蚀性能不足；当涂覆于水轮机叶片背面及根部、转轮室中环等强气蚀区时，会在气蚀的疲劳破坏作用下出现严重的脆裂脱落问题，无法满足过流部件全面防护的需求。

而有机弹性体涂层作为一种优良的的抗气蚀、耐磨损和防腐蚀涂层材料，由于其存在粘结性能不足的问题，当涂覆至水轮机的基材表面时，会在高速水流冲刷和气蚀作用下造成成片脱落失效的现象，同样无法很好的作为过流部件的防护涂层。因此，现有对水轮机过流部件气蚀缺陷的修复方式无法同时具有易于操作，防护性好和不易脱落的特点。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层及其制备方法。它能够同时具有易于操作，防护性好和不易脱落的特点。

本发明的技术方案：水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层，包括依次涂覆在过流部件缺陷部位的陶瓷修补层、环氧粘接底涂层、高韧性聚氨酯过渡中间层和聚氨酯弹性体面涂层，所述高韧性聚氨酯过渡中间层为无溶剂双组份聚氨酯涂料层，该无溶剂双组份聚氨酯涂料层由三官能团的异氰酸酯交联剂组份和二官能团的氨基化合物组份构成。

前述的水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层中，所述氧粘接底涂层的厚度为150～400μm，所述高韧性聚氨酯过渡中间层的厚度为100～200μm，聚氨酯弹性体面涂层的厚度为500～700μm。

前述的水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层中，所述陶瓷修补层的抗压强度为100～120MPa，固化收缩率0～0.3％，弯曲强度70～80Mpa，陶瓷修补层与金属的粘接强度为10～20Mpa。

前述的水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层中，所述陶瓷修补层为碳化硅填充增强的环氧树脂胶层，环氧树脂胶层中两组分的混合适用期为30～40分钟，干燥固化时间为3～5小时，环氧树脂胶层中碳化硅占总质量比的40～60％。

前述的水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层中，所述环氧粘接底涂层的抗压强度为80～100MPa，拉伸强度为30～40MPa，断裂伸长率为5～15％，环氧粘接底涂层与金属的粘接强度为10～20MPa。

前述的水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层中，所述环氧粘接底涂层为无溶剂双组份环氧涂料层，无溶剂双组份环氧涂料层中两组分的混合适用期为30～40分钟，干燥固化时间为3～5小时，两组份混合后在25℃时的粘度为2000～3000mPa·s。

前述的水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层中，所述高韧性聚氨酯过渡中间层的拉伸强度为25～35MPa，断裂伸长率为60～70％，高韧性聚氨酯过渡中间层与环氧粘接底涂层的粘接强度为10～20MPa。

前述的水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层中，所述无溶剂双组份聚氨酯涂料层中异氰酸酯基与氨基的物质的量之比为1.2～1.3﹕1，两组份在60℃时的粘度为300～500mPa·s，两组份体积比用量为1﹕1，混合适用期10～30min。

前述的水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层中，所述聚氨酯弹性体面涂层的拉伸强度为25～40MPa，断裂伸长率为400～550％，邵尔硬度为78～88，聚氨酯弹性体面涂层与高韧性聚氨酯过渡中间层的粘接强度为10～20MPa。

前述的水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层中，所述聚氨酯弹性体面涂层为无溶剂双组份聚氨酯弹性体涂料层，该无溶剂双组份聚氨酯弹性体涂料层由异氰酸酯预聚体和二元胺扩链剂构成，其中异氰酸酯预聚体由二异氰酸酯和二元醇反应制得，异氰酸酯预聚体组分和二元胺扩链剂组分中异氰酸酯基与氨基的物质的量之比为1.02～1.08﹕1，两组份体积比用量为1﹕1，两组份在60℃时的粘度为650～800mPa·s，两组份的混合适用期10～20min。

前述的水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层的制备方法，包括以下步骤：

①对过流部件的待修复和涂装区域进行喷砂或手工除锈后清洗表面，得A品；

②将陶瓷修补材料中的各组份按比例混合搅拌均匀后涂抹在气蚀缺陷处并沿基材表面刮平，使陶瓷修补材料能够将缺陷完全填充，得a1品，然后将a1品干燥固化12～24小时后打磨光滑，得B品；

③将环氧粘接底涂层中的各组分按比例混合搅拌均匀后在B品表面涂装第一道底涂层，间隔12～24小时后涂装第二道底涂层，第一道底涂层和第二道底涂层的厚度均为75～200μm，涂装完后干燥12～24小时，得C品；

④将高韧性聚氨酯过渡中间层中的各组份预热至50～60℃后喷涂至C品表面，然后干燥3～6小时，得D品；

⑤将聚氨酯弹性体面涂层中的各组份预热至50～60℃后，在D品表面喷涂第一道面涂层，间隔4～25小时后喷涂第二道面涂层，第一道面涂层和第二道面涂层的厚度均为250～350μm，喷涂后干燥固定7天，得成品抗气蚀复合涂层。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

(1)本发明采用高强度的碳化硅增强环氧树脂材料对气蚀产生的缺陷进行局部修补，相比传统的补焊和金属涂层喷涂修复的方式，具有工艺简单、易于操作、施工周期短和无特殊设备需求的特点，能够满足水电厂短周期维修保养的现场作业需求；同时，碳化硅增强环氧树脂材料具有较高的强度，对已产生气蚀腐蚀坑的基材能有效填充起到补强的作用，抵抗过流部件在运行工况中水流的冲刷和气蚀破坏效果；

(2)本发明将环氧粘接底涂层、高韧性聚氨酯过渡中间层和聚氨酯弹性体面涂层依次涂装后形成梯度复合涂层体系，其中环氧粘接底涂层具有高粘接强度，能够保证外部涂层与基材界面的结合强度，聚氨酯弹性体面层具有良好的柔韧性，能够提供优异的抗气蚀、耐磨损和防腐蚀性能，而高韧性聚氨酯过渡中间层则能够实现复合涂层由刚性到柔性的良好过度，避免环氧粘接底涂层和聚氨酯弹性体面涂层之间因性能差异过大造成粘接强度低或成块脱落的问题，保证各涂层件的结合强度和配套效果；通过上述配合能够充分发挥各涂层的性能优势，并解决单一涂层所存在的防护性差、粘接强度低或易脆裂脱落的问题；同时，本发明还对聚氨酯弹性体面涂层的拉伸强度和断裂伸长率做了进一步限定，使其能够有效抵抗过流部件所受的冲刷腐蚀现象，满足过流部件的使用需求；

(3)利用多异氰酸酯和二元胺反应制得的高韧性聚氨酯过渡中间层，按照固化反应基团比例使异氰酸酯大幅过量，过量的异氰酸酯即能够与环氧粘接底涂层和聚氨酯弹性体面涂层中的活泼氢反应形成化学键合，也可以与空气中的水反应固化，从而对环氧粘接底涂层和聚氨酯弹性体面涂层实现有效粘接，降低聚氨酯弹性体面涂层的脱落可能性；同时本发明还对中间层和面层中的异氰酸酯基与氨基的物质的量之比做了具体限定，从而进一步提高了复合涂层的粘接强度和抗脱落效果；

(4)本发明选用无溶剂涂料作为涂层原料，在施工过程中对现场环境不会产生污染，且不会影响维修过程中的其他作业，进一步提高了水电厂对水轮机的维护效率；高韧性聚氨酯过渡中间层和聚氨酯弹性体面涂层在涂装时采用无溶剂喷涂涂装，能够使涂层表面相比刷涂和刮涂平整均匀，有助于减少气蚀现象的发生；

(5)通过上述效果，能够使本发明复合涂层与基材的结合强度大于10MPa，聚氨酯弹性体面涂层和环氧粘接底涂层之间的剥离强度大于20N/mm,且复合涂层在受冲蚀后的破坏形式为聚氨酯弹性体面涂层破坏，即聚氨酯弹性体面涂层、高韧性聚氨酯过渡中间层、环氧粘接底涂层和基材之间不会产生片状脱落情况；

所以，本发明能够同时具有易于操作，防护性好和不易脱落的特点。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例。水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层，包括依次涂覆在过流部件缺陷部位的陶瓷修补层、环氧粘接底涂层、高韧性聚氨酯过渡中间层和聚氨酯弹性体面涂层，所述高韧性聚氨酯过渡中间层为无溶剂双组份聚氨酯涂料层，该无溶剂双组份聚氨酯涂料层由三官能团的异氰酸酯交联剂组份和二官能团的氨基化合物组份构成。

所环氧粘接底涂层的厚度为150～400μm，所述高韧性聚氨酯过渡中间层的厚度为100～200μm，聚氨酯弹性体面涂层的厚度为500～700μm。

所述陶瓷修补层的抗压强度为100MPa，固化收缩率0.1％，弯曲强度70Mpa，陶瓷修补层与金属的粘接强度为10Mpa。

所述陶瓷修补层为碳化硅填充增强的环氧树脂胶层(该环氧树脂胶层即为双组份环氧树脂胶层)，环氧树脂胶层中两组分的混合适用期为30～40分钟，干燥固化时间为3～5小时，环氧树脂胶层中碳化硅占总质量比的40％；该陶瓷修补层可选用SOTO-2122金属陶瓷修补材料。

所述环氧粘接底涂层的抗压强度为80MPa，拉伸强度为30MPa，断裂伸长率为5％，环氧粘接底涂层与陶瓷修补层填充后的金属面的粘接强度为10MPa。

所述环氧粘接底涂层为无溶剂双组份环氧涂料层，无溶剂双组份环氧涂料层中两组分的混合适用期为30～40分钟，干燥固化时间为3～5小时，两组份混合后在25℃时的粘度为2000mPa·s；该环氧粘接底涂层可选用SOTO-3411改性无溶剂环氧涂料。

所述高韧性聚氨酯过渡中间层的拉伸强度为25MPa，断裂伸长率为60％，高韧性聚氨酯过渡中间层与环氧粘接底涂层的粘接强度为10MPa。

所述溶剂双组份聚氨酯涂料层中异氰酸酯基与氨基的物质的量之比为1.2～1.3(异氰酸酯基)﹕1(氨基)，两组份在60℃时的粘度为300～500mPa·s，两组份体积比用量为1﹕1，混合适用期10～30min；该高韧性聚氨酯过渡中间层可选用SOTO-3721高韧性聚氨酯涂料。

所述聚氨酯弹性体面涂层的拉伸强度为25MPa，断裂伸长率为400％，邵尔硬度为78，聚氨酯弹性体面涂层与高韧性聚氨酯过渡中间层的粘接强度为10MPa。

所述聚氨酯弹性体面涂层为无溶剂双组份聚氨酯弹性体涂料层，该无溶剂双组份聚氨酯弹性体涂料层由异氰酸酯预聚体和二元胺扩链剂构成，其中异氰酸酯预聚体由二异氰酸酯和二元醇反应制得，异氰酸酯预聚体组分和二元胺扩链剂组分中异氰酸酯基与氨基的物质的量之比为1.02～1.08(异氰酸酯基)﹕1(氨基)，两组份体积比用量为1﹕1，两组份在60℃时的粘度为650～800mPa·s，两组份的混合适用期10～20min；该聚氨酯弹性体面涂层可选用SOTO-1731抗气蚀聚氨酯弹性体涂料。

所述水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层的制备方法，包括以下步骤：

①过流部件的待修复和涂装区域进行喷砂或手工除锈后，使用溶剂清洗表面，得A品；

②将陶瓷修补材料中的各组份按比例混合搅拌均匀后，使用刮刀涂抹在气蚀缺陷处并沿基材表面刮平，使陶瓷修补材料能够将缺陷完全填充，得a1品，然后将a1品干燥固化12～24小时后打磨光滑，得B品；

③将环氧粘接底涂层中的各组分按比例混合搅拌均匀后采用刷涂、刮涂或滚涂的方式在B品表面涂装第一道底涂层，间隔12～24小时后涂装第二道底涂层，第一道底涂层和第二道底涂层的厚度均为75～200μm，涂装完后干燥12～24小时，得C品；

④将高韧性聚氨酯过渡中间层中的各组份预热至50～60℃后使用双组份喷枪喷涂至C品表面，然后干燥3～6小时，得D品；

⑤将聚氨酯弹性体面涂层中的各组份预热至50～60℃后，使用双组份喷枪在D品表面喷涂第一道面涂层，间隔4～25小时后喷涂第二道面涂层，第一道面涂层和第二道面涂层的厚度均为250～350μm，喷涂后干燥固定7天，得成品抗气蚀复合涂层。

本发明的工作原理：本发明将碳化硅填充增强的环氧树脂胶层作为陶瓷修补等填充在过流部件的缺陷部位，相比补焊的方式能够降低对现场作业的操作难度并无需作业设备，有效提高了对缺陷部位的修补效率，适用于短时间的维护作业；同时陶瓷材料在填充时不会造成过流部件的过热变形，进一步提高了过流部件在修补后的工作稳定性。利用环氧粘接底涂层和聚氨酯弹性体面涂层作为复合涂层的底层和面层，能够分别提高复合涂层的粘接强度和抗气蚀冲刷性能，从而解决单一涂层所产生的适应性问题；通过高韧性聚氨酯过渡中间层则能够分别与环氧粘接底涂层和聚氨酯弹性体面涂层产生交联反应，从而使环氧粘接底涂层和聚氨酯弹性体面涂层之间连接稳固，避免柔性涂层和刚性涂层之间因直接涂装造成的片状掉落问题，使复合涂层整体具有良好的配套性和结合强度。

Claims (10)

1.水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层，其特征在于：包括依次涂覆在过流部件缺陷部位的陶瓷修补层、环氧粘接底涂层、高韧性聚氨酯过渡中间层和聚氨酯弹性体面涂层，所述高韧性聚氨酯过渡中间层为无溶剂双组份聚氨酯涂料层，该无溶剂双组份聚氨酯涂料层由三官能团的异氰酸酯交联剂组份和二官能团的氨基化合物组份构成。

2.根据权利要求1所述的水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层，其特征在于：所环氧粘接底涂层的厚度为150～400μm，所述高韧性聚氨酯过渡中间层的厚度为100～200μm，聚氨酯弹性体面涂层的厚度为500～700μm。

3.根据权利要求1所述的水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层，其特征在于：所述陶瓷修补层为碳化硅填充增强的环氧树脂胶层，环氧树脂胶层中两组分的混合适用期为30～40分钟，干燥固化时间为3～5小时，环氧树脂胶层中碳化硅占总质量比的40～60％。

4.根据权利要求1所述的水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层，其特征在于：所述环氧粘接底涂层的抗压强度为80～100MPa，拉伸强度为30～40MPa，断裂伸长率为5～15％，环氧粘接底涂层与金属的粘接强度为10～20MPa。

5.根据权利要求4所述的水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层，其特征在于：所述环氧粘接底涂层为无溶剂双组份环氧涂料层，无溶剂双组份环氧涂料层中两组分的混合适用期为30～40分钟，干燥固化时间为3～5小时，两组份混合后在25℃时的粘度为2000～3000mPa·s。

6.根据权利要求1所述的水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层，其特征在于：所述高韧性聚氨酯过渡中间层的拉伸强度为25～35MPa，断裂伸长率为60～70％，高韧性聚氨酯过渡中间层与环氧粘接底涂层的粘接强度为10～20MPa。

7.根据权利要求6所述的水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层，其特征在于：所述溶剂双组份聚氨酯涂料层中异氰酸酯基与氨基的物质的量之比为1.2～1.3﹕1，两组份在60℃时的粘度为300～500mPa·s，两组份体积比用量为1﹕1，混合适用期10～30min。

8.根据权利要求1所述的水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层，其特征在于：所述聚氨酯弹性体面涂层的拉伸强度为25～40MPa，断裂伸长率为400～550％，邵尔硬度为78～88，聚氨酯弹性体面涂层与高韧性聚氨酯过渡中间层的粘接强度为10～20MPa。

9.根据权利要求8所述的水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层，其特征在于：所述聚氨酯弹性体面涂层为无溶剂双组份聚氨酯弹性体涂料层，该无溶剂双组份聚氨酯弹性体涂料层由异氰酸酯预聚体和二元胺扩链剂构成，其中异氰酸酯预聚体由二异氰酸酯和二元醇反应制得，异氰酸酯预聚体组分和二元胺扩链剂组分中异氰酸酯基与氨基的物质的量之比为1.02～1.08﹕1，两组份体积比用量为1﹕1，两组份在60℃时的粘度为650～800mPa·s，两组份的混合适用期10～20min。

10.根据权利要求1-9中任一权利要求所述的水轮机过流部件气蚀缺陷修复涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

①对过流部件的待修复和涂装区域进行喷砂或手工除锈后清洗表面，得A品；

②将陶瓷修补材料中的各组份按比例混合搅拌均匀后涂抹在气蚀缺陷处并沿基材表面刮平，使陶瓷修补材料能够将缺陷完全填充，得a1品，然后将a1品干燥固化12～24小时后打磨光滑，得B品；

③将环氧粘接底涂层中的各组分按比例混合搅拌均匀后在B品表面涂装第一道底涂层，间隔12～24小时后涂装第二道底涂层，第一道底涂层和第二道底涂层的厚度均为75～200μm，涂装完后干燥12～24小时，得C品；

④将高韧性聚氨酯过渡中间层中的各组份预热至50～60℃后喷涂至C品表面，然后干燥3～6小时，得D品；

⑤将聚氨酯弹性体面涂层中的各组份预热至50～60℃后，在D品表面喷涂第一道面涂层，间隔4～25小时后喷涂第二道面涂层，第一道面涂层和第二道面涂层的厚度均为250～350μm，喷涂后干燥固定7天，得成品抗气蚀复合涂层。