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                  經(jīng)濟的耐腐蝕泵的設計研究

                  2020-10-21 08:52:00  來(lái)源:水泵網(wǎng)

                    我國用于礦業(yè)、化工等部門(mén),以及黃河水利工程中,以鑄鐵、青銅、襯膠、不銹鋼和鈦合金等各種材質(zhì)制造的泵,都存在著(zhù)易磨損、壽命短、故障多等問(wèn)題。因此,水泵除了具有好的工況特性外,還應具有良好的耐腐蝕性、可靠性和較長(cháng)的使用壽命,泵的設計除了利用水動(dòng)力學(xué)以常規方法設計外,還應根據腐蝕介質(zhì)性質(zhì)、抗汽蝕理論、水泵的腐蝕機理和受力特性等方面采用綜合的優(yōu)化設計方法。本文根據現場(chǎng)的了解、分析和直接設計過(guò)程,提出一種經(jīng)濟的耐腐蝕泵綜合的設計方法,以供。

                    1水泵的腐蝕機理水泵是抽取、增壓或輸送液體介質(zhì)的機器,水泵在濕的大氣和腐蝕介質(zhì)溶液中,熱力學(xué)上始終是不穩定的,有從金屬原子狀態(tài)轉變?yōu)殡x心狀態(tài)的傾向,即有自發(fā)腐蝕的傾向,一般來(lái)講水泵金屬的電極電位與氫的零極電位比較愈負或兩種以上金屬的電偶序相距愈遠,在介質(zhì)溶液中的腐蝕電位差愈大,水泵腐蝕傾向就愈加嚴重。水泵腐蝕過(guò)程的結果是水泵金屬從金屬點(diǎn)陣中轉變?yōu)殡x子狀態(tài),形成可溶的金屬氧化物、氫氧化物或較為復雜的絡(luò )合物,使水泵失效而不能工作。

                    1.1水泵濕的大氣腐蝕水泵過(guò)流零部件表面完全被浸在連通大氣的液體中,稱(chēng)為濕的大氣腐蝕,金屬表面存在許多不均衡狀態(tài),如雜質(zhì)的存在、機械或熱加工不均勻,以及溫差、氧濃度的不一致等。

                    金屬表面出現兩個(gè)不同的反應區,形成的局部腐蝕電池如圖一個(gè)反應是金屬變成金屬離子而溶解并釋放出電子的反應式Fe?Ft+Se'稱(chēng)為陽(yáng)極反應或叫氧化反應,另一個(gè)是氫氧根離子的生成消耗電子的反應式2+2H2O極和陰極單元反應所產(chǎn)生的F2+.OH?和H2O 2等結合在一起,就成了Fe23°nH2紅銹反應。腐蝕反應的驅動(dòng)力是陽(yáng)極和陰極的電位差,如果抑制一種單元反應,另一方的反應就能自動(dòng)地被抑制。

                    腐午電*麻釹電鬼1.2水泵的介質(zhì)溶液腐蝕水泵工作的過(guò)流介質(zhì)是酸、堿或鹽溶液等,介質(zhì)溶液離子濃度高、電阻小,水泵的葉輪、軸、泵殼材料不同,它們的電極電位不同,形成電位差,在腐蝕介質(zhì)溶液中電極電位小的成為陽(yáng)極、電極電位大的成為陰極,構成電子流動(dòng)和離子移動(dòng)所產(chǎn)生的腐蝕電流,造成水泵金屬過(guò)流表面的滲透和溶解,產(chǎn)生腐蝕。其反應式仍然是陽(yáng)極和陰極反應。陽(yáng)極反應:M?M+11+ne-金屬氧化成為離子腐蝕成化合物。陰極反應、析氫2H++2e?比t,這是一種酸或酸性介質(zhì)中常遇到的較為強烈的陰極反應。氧還原(在酸溶液中)O2+ 1.3水泵的汽蝕汽蝕(Cavitation|空泡丨)是水泵一種腐蝕現象,由于流道中局部地方液流壓力的改變形成一種空泡,空泡的不斷發(fā)生和潰滅產(chǎn)生高壓連續打擊金屬表面,并產(chǎn)生較高的局部溫升,形成熱電偶產(chǎn)生電解作用,析出初生氧形成強烈的化學(xué)腐蝕。汽蝕的腐蝕機理是一種機械剝蝕和化學(xué)腐蝕的聯(lián)合作用。水泵過(guò)流表面加工粗糙等缺陷是液流容易產(chǎn)生旋渦的因素,易誘發(fā)更多的空泡,加快材料的汽蝕破壞。

                    盡管在水動(dòng)力學(xué)設計中考慮了汽蝕余量,采用了降低汽蝕系數的措施,改進(jìn)了引發(fā)空泡的部件結構,但是汽蝕仍然會(huì )產(chǎn)生,因為它是較為復雜的諸多因素引發(fā)的腐蝕現象。

                    1.4泄漏和其他腐蝕水泵的軸封箱(見(jiàn))或填料腔存在較大腐蝕介質(zhì)溶液沖擊力的作用,很容易產(chǎn)生泄漏現象,介質(zhì)溶液在工藝流岳隆明等:經(jīng)濟的耐腐蝕泵的設計研究▲泵主要部件位置示意。葉輪2.副葉輪3.軸封箱4.擋(甩)液杯5軸承座6.軸它能夠在翼型背面誘發(fā)固定性空泡,空泡又在翼型后的液流中潰滅。根據以上要求,葉輪應設計成各片可裝可換的裝配式結構,壓力成型后,用靠模銑、磨或先銑后磨加工成型。用這種裝配式結構利于更換,更利于表面光潔度提高和超汽蝕翼型的加工。

                    2.2泵軸泵軸是泵的轉子,由于填料函輔助支承減小了軸的懸伸端(見(jiàn))抗彎剛度變大。為了防止振動(dòng),使撓度增加引起轉子與定子間的金屬磨損,必須在裝配前進(jìn)行動(dòng)平衡。泵軸應具有足夠的抗扭強度。泵軸材料從經(jīng)濟性考慮可采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼45鋼制造,表面涂裝。

                    碳鋼也應有意識的加入少量鉻、鎳、銅等合金元素的成分(訂購時(shí)提出要求)增強其耐腐蝕作用。采用一般機械密封,因工作間隔停泵,滯留的殘余溶液,溫度降低后會(huì )結晶成各種形狀的結晶體,散布在密封件和軸承構件的空隙之中,若水泵再開(kāi)機運轉,軸承就在結晶的顆粒磨料中干潤滑運轉,使軸承很快失效?p隙腐蝕是由于結構原因造成的縫隙或凹槽、縫隙或凹槽內積存的少量靜止溶液所產(chǎn)生的強烈局部腐蝕。晶間腐蝕是多晶金屬(如合金或不銹鋼)的晶界,由于晶粒間具有高的化學(xué)活性,沿晶粒邊界所產(chǎn)生的腐蝕,晶間腐蝕會(huì )引起合金破裂,機械強度劇烈下降而導致斷裂。

                    2水泵的綜合設計2.1水泵葉輪的設計葉輪是重要的水泵部件,由軸帶動(dòng)高速旋轉時(shí),受水性,也提高了鋼的強度。

                    2.3葉輪和泵軸表面涂裝中的軸(見(jiàn))除受到化學(xué)介質(zhì)腐蝕外,還有汽蝕作用,涂層應耐機械沖擊磨蝕,具有較高的硬度,有抗氧化性和耐腐蝕性,比基體材料硬。

                    綜合分析,選用Al23涂層,它具有好的抗氧化性、耐腐蝕性和壓作用,葉輪的尺寸大小、葉片的截面形狀、扭曲角度是根據水動(dòng)力學(xué)計算決定的,但材質(zhì)必須具有足夠的機械強度,考虛重量只占整個(gè)水泵重量的1左右,可以采用不銹鋼。根據鈍化理論,用于中性介質(zhì)溶液,含鉻量應在13以上,若用于氧化性的酸性或堿性溶液,含鉻量應高于17如1Cr18Ni9Ti,如果介質(zhì)溶液中是含有鹵素離子(如C廠(chǎng)等)腐蝕性較強的介質(zhì)溶液,除含鉻量應超過(guò)17外,不銹鋼還應加有鎳和鉬的成份如1Cr18Ni12Mo2Ti,否則難以使鋼鈍化或保持穩定的鈍態(tài)。江漢油田數千臺柱塞泵用2Cr13不銹鋼制造,短期內就被腐蝕破壞改用含鉻量18~ 24,并含有鎳和鉬的WSD鋼,腐蝕便得到了控制。如果采用鑄鐵、鑄鋼或碳鋼制造葉輪,必須進(jìn)行表面抗蝕涂裝,為了改善其機械性▲等離子噴涂原理好的電絕緣性,成本低。底層選用鎳包鋁粉,成份重量比為N180、A120,該涂層在熱噴涂工藝中發(fā)生放熱反應與基體材料形成合金化,是一種很好的結合性涂層。噴涂工藝,采用等離子熱噴涂(見(jiàn))基本原理是將Ab3粉末通過(guò)非轉移型等離子弧焰流中加熱,到熔融或半熔融狀態(tài),以高速?lài)娚涞焦ぜ砻嫔闲纬赏繉。與火焰噴涂、電弧噴涂比較,有溫度高、涂層孔隙率小、結合性好的特點(diǎn),適用于難溶材料的噴涂,采用還原性H2和Ar氣體,作為工作氣體能保護工件不受氧化。涂層硬度>700HV,法向結合強度9.8~49MPa(視噴涂質(zhì)量,選擇參數而定)如果采用爆炸噴涂,硬度、結合強度會(huì )更高,孔隙率更低。但由于目前噴涂成本較高,效率低,還不宜用于經(jīng)能和抗腐蝕性,鑄造時(shí)應有意識的加入一定量的合金元素如:鉻、鎳、銅、鋁等,其總含量在5以下。涂裝的涂層材料、厚度、底層材質(zhì)和噴涂方式,后面與泵軸一并討論。葉輪表面的粗糙度對空泡的初生形成影響很大,斯科內貝格(Sdionebeiger)實(shí)驗證明:表面光潔度高的葉輪汽蝕系數小。近年來(lái)超汽蝕(Supercavitation)理論在軸流泵葉輪上采用,使汽蝕大為降低,從而保護泵殼等部件材料免遭汽蝕破濟性噴涂層。工藝流程如下:按重量比配硅酸鈉10重鉻酸鉀30磷酸鈉30氫氧化鈉30的0.1濃度的水溶液,預熱80°C~100°C,熱溶液清洗去油?300~150(目)剛玉磨料水噴砂、清洗、烘干150~200°C2小時(shí)?等離子噴涂:底層鎳包鋁粉230 ~140(目),底層厚度0.15~0.25mm,工作涂層Al2O3粉320~220(目)涂層厚度0.25~0.35mm?冷卻?修磨光滑。

                    壞超汽蝕理論的葉輪葉片具有薄而尖銳前緣的翼型截面。

                    2.4泵殼機械設計與研究現場(chǎng)實(shí)踐證明在腐蝕性的介質(zhì)溶液中,泵殼不能用一般成份的灰鑄鐵制造、鑄鋼也易遭到短期腐蝕破壞。奧氏體不銹鋼如2Cr18Ni9、2Cr13Ni4Mn9存在應力腐蝕和大的晶間腐蝕傾向,常用的馬氏體不銹鋼,如Cr13型、Cr17型、1Cr13等,在酸性介質(zhì)溶液中耐蝕性也差,凡依靠氧化膜或鈍化層來(lái)抗腐蝕的金屬或不銹鋼,特別容易遭受縫隙腐蝕,多數不銹鋼都是靠鈍化產(chǎn)生鈍化層來(lái)抗腐蝕的。既要耐強介質(zhì)溶液腐蝕,又要承受強烈汽蝕的不銹鋼,還沒(méi)有理想的品種。陶瓷材料卻顯示了很好的耐腐蝕和耐磨損性能。但不是現在廣泛使用的硅酸鹽、鋁硅酸鹽陶瓷、因它們的脆性大,韌性和強度不足,原來(lái)使用于化學(xué)泵的陶瓷屬于此類(lèi),僅用施釉以增加強度和防滲透性,但仍有脆性大,機加工性較差的缺點(diǎn)。

                    國外正大力進(jìn)行研究含鉻量高的金屬陶瓷與復合陶瓷,如Frekoriurid和Frikothermb陶瓷材料,用于制造小尺寸離心泵泵殼,國內外已成功研制出用于水泵軸承的a-Sic碳化硅陶瓷。而有些具有優(yōu)良性能:如線(xiàn)膨脹系數小、硬度高、抗化學(xué)腐蝕性強的普通陶瓷材料,可以作為泵殼襯里涂復,內層的陶瓷外層的金屬各發(fā)揮其優(yōu)勢。其他部位:如軸封箱(與介質(zhì)溶液接觸部分)承磨環(huán)等也可以襯里涂復,并可遮蓋縫隙、凹槽和螺接等部分,防止縫隙腐蝕。從工藝性和經(jīng)濟角度出發(fā),用灰鑄鐵樹(shù)脂砂鑄好泵殼外層,留出內層余量,后襯內層。為了提高水泵外表面抗濕的大氣腐蝕,鑄造成型前向鑄鐵鐵水中加入不超過(guò)5的Ni、Cr、Cu、Al等成份以增強外表的抗大氣腐蝕性,并增強鑄鐵的整體強度。

                    方案1配方由三元系統Mg-Al2-Si2按比例組成堇青石相,可得到1300°C下的低共熔點(diǎn),加入5~ 10的粘土可制成具有塑性的內襯坯件,烘干后在B00°C溫度下用氧化氣氛燒成,由結晶學(xué)研究證明,堇青石相的熱膨脹系數小,熱穩定性好,實(shí)驗已證實(shí)如此。為了增加結合強度,內層要用三氯乙烯或23上面所述配制的清洗溶液去油,并進(jìn)行噴砂處理,預留粗糙內層表面。

                    °C的固熔體莫來(lái)石相(Al6Si2()B=3Al2(V2SiO2莫來(lái)石化學(xué)式)反應相硬度高,抗腐蝕性能好。根據GB1012-88標準進(jìn)行耐腐蝕試驗,腐蝕介質(zhì)為10的NaOH溶液和30H2S4溶液,腐蝕7天統計,涂層的耐腐蝕性是一般不銹鋼的38倍和27倍。

                    莫來(lái)石相是穩定膨脹系數小的鋁硅酸鹽陶瓷相,但由于莫來(lái)石相還有生成不均勻顆粒的傾向,易導致生成裂紋,顯出其脆性。但成分中富含Zl2有相變增韌和粒子強化作用。MgAl24中的AI2O3的線(xiàn)膨脹系數8.1X106,彈性模量40X 105MPa大于莫來(lái)石的5.3X10?6和2.10卩辦莫來(lái)石產(chǎn)生壓應力區,氧化鋁產(chǎn)生拉應力裂紋擴展時(shí),受至IJ應力的阻礙作用,而增加斷裂能產(chǎn)生增韌的效果,整個(gè)組織均勻,形成致密的鑲嵌作用,保證涂層具有好的力學(xué)性能。

                    2.5采用特殊的密封方式2.5.1副葉輪動(dòng)密封離心式水泵在后盤(pán)采用副葉輪,軸流式水泵在泵體三通進(jìn)口和出口過(guò)渡部分(見(jiàn))在軸上置徑向式副葉輪,副葉輪轉動(dòng)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)對介質(zhì)溶液向外的推力,擋住腐蝕介質(zhì)溶液沖擊進(jìn)入軸封箱(見(jiàn))已在試驗中證實(shí)是成功的。

                    2.5.2填料函的循環(huán)水密封填料函中的水封環(huán)與循環(huán)水密封,冷卻水把通過(guò)副葉輪少量的泄漏入軸封箱的溶液稀釋并帶走,也冷卻填料,使填料在正常環(huán)境下工作。

                    2.5.3填料密封與擋(甩)液杯密封聯(lián)合作用填料函選用膨脹石墨環(huán)1和聚四氟乙烯環(huán)2(見(jiàn))間隔組成,在填料壓蓋的一端設置擋(甩)液杯,前者起密封和輔助支承,后者起甩液作用。

                    3結論()耐腐蝕泵的設計,并不只偏重于選高技術(shù)耐蝕材料,應是綜合的設計。

                   。2)經(jīng)濟的耐腐蝕泵的綜合設計,應以?xún)?yōu)選陶瓷材料為主,采取有效措施克服陶瓷固有的脆性,以及重現性。提高陶瓷與金屬界面的結合性能。

                   。4)研制和開(kāi)發(fā)新的具有高可靠性的水泵陶瓷材料,用于大尺寸的水泵制造。

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