經(jīng)濟(jì)的耐腐蝕泵的設(shè)計(jì)研究

　　我國(guó)用于礦業(yè)、化工等部門，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(yīng)具有良好的耐腐蝕性、可靠性和較長(zhǎng)的使用壽命，泵的設(shè)計(jì)除了利用水動(dòng)力學(xué)以常規(guī)方法設(shè)計(jì)外，還應(yīng)根據(jù)腐蝕介質(zhì)性質(zhì)、抗汽蝕理論、水泵的腐蝕機(jī)理和受力特性等方面采用綜合的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的了解、分析和直接設(shè)計(jì)過(guò)程，提出一種經(jīng)濟(jì)的耐腐蝕泵綜合的設(shè)計(jì)方法，以供。

　　1水泵的腐蝕機(jī)理水泵是抽取、增壓或輸送液體介質(zhì)的機(jī)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(wěn)定的，有從金屬原子狀態(tài)轉(zhuǎn)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(fù)或兩種以上金屬的電偶序相距愈遠(yuǎn)，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(yán)重。水泵腐蝕過(guò)程的結(jié)果是水泵金屬?gòu)慕饘冱c(diǎn)陣中轉(zhuǎn)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(fù)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(jī)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(xiàn)兩個(gè)不同的反應(yīng)區(qū)，形成的局部腐蝕電池如圖一個(gè)反應(yīng)是金屬變成金屬離子而溶解并釋放出電子的反應(yīng)式Fe?Ft+Se'稱為陽(yáng)極反應(yīng)或叫氧化反應(yīng)，另一個(gè)是氫氧根離子的生成消耗電子的反應(yīng)式2+2H2O極和陰極單元反應(yīng)所產(chǎn)生的F2+.OH?和H2O 2等結(jié)合在一起，就成了Fe23°nH2紅銹反應(yīng)。腐蝕反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力是陽(yáng)極和陰極的電位差，如果抑制一種單元反應(yīng)，另一方的反應(yīng)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(gòu)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(yīng)式仍然是陽(yáng)極和陰極反應(yīng)。陽(yáng)極反應(yīng)：M?M+11+ne-金屬氧化成為離子腐蝕成化合物。陰極反應(yīng)、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(qiáng)烈的陰極反應(yīng)。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(xiàn)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(xù)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(qiáng)烈的化學(xué)腐蝕。汽蝕的腐蝕機(jī)理是一種機(jī)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(shè)計(jì)中考慮了汽蝕余量，采用了降低汽蝕系數(shù)的措施，改進(jìn)了引發(fā)空泡的部件結(jié)構(gòu)，但是汽蝕仍然會(huì)產(chǎn)生，因?yàn)樗�是較為復(fù)雜的諸多因素引發(fā)的腐蝕現(xiàn)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(xiàn)象，介質(zhì)溶液在工藝流岳隆明等：經(jīng)濟(jì)的耐腐蝕泵的設(shè)計(jì)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(jù)以上要求，葉輪應(yīng)設(shè)計(jì)成各片可裝可換的裝配式結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)具有足夠的抗扭強(qiáng)度。泵軸材料從經(jīng)濟(jì)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(yīng)有意識(shí)的加入少量鉻、鎳、銅等合金元素的成分（訂購(gòu)時(shí)提出要求）增強(qiáng)其耐腐蝕作用。采用一般機(jī)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(jié)晶成各種形狀的結(jié)晶體，散布在密封件和軸承構(gòu)件的空隙之中，若水泵再開(kāi)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承就在結(jié)晶的顆粒磨料中干潤(rùn)滑運(yùn)轉(zhuǎn)，使軸承很快失效。縫隙腐蝕是由于結(jié)構(gòu)原因造成的縫隙或凹槽、縫隙或凹槽內(nèi)積存的少量靜止溶液所產(chǎn)生的強(qiáng)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(jī)械強(qiáng)度劇烈下降而導(dǎo)致斷裂。

　　2水泵的綜合設(shè)計(jì)2.1水泵葉輪的設(shè)計(jì)葉輪是重要的水泵部件，由軸帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，受水性，也提高了鋼的強(qiáng)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(yīng)耐機(jī)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(jù)水動(dòng)力學(xué)計(jì)算決定的，但材質(zhì)必須具有足夠的機(jī)械強(qiáng)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(jù)鈍化理論，用于中性介質(zhì)溶液，含鉻量應(yīng)在13以上，若用于氧化性的酸性或堿性溶液，含鉻量應(yīng)高于17如1Cr18Ni9Ti，如果介質(zhì)溶液中是含有鹵素離子（如C廠等）腐蝕性較強(qiáng)的介質(zhì)溶液，除含鉻量應(yīng)超過(guò)17外，不銹鋼還應(yīng)加有鎳和鉬的成份如1Cr18Ni12Mo2Ti，否則難以使鋼鈍化或保持穩(wěn)定的鈍態(tài)。江漢油田數(shù)千臺(tái)柱塞泵用2Cr13不銹鋼制造，短期內(nèi)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(jī)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(yīng)與基體材料形成合金化，是一種很好的結(jié)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(zhuǎn)移型等離子弧焰流中加熱，到熔融或半熔融狀態(tài)，以高速噴射到工件表面上形成涂層。與火焰噴涂、電弧噴涂比較，有溫度高、涂層孔隙率小、結(jié)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(hù)工件不受氧化。涂層硬度>700HV，法向結(jié)合強(qiáng)度9.8~49MPa（視噴涂質(zhì)量，選擇參數(shù)而定）如果采用爆炸噴涂，硬度、結(jié)合強(qiáng)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(yīng)有意識(shí)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(duì)空泡的初生形成影響很大，斯科內(nèi)貝格（Sdionebeiger）實(shí)驗(yàn)證明：表面光潔度高的葉輪汽蝕系數(shù)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(hù)泵殼等部件材料免遭汽蝕破濟(jì)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(yù)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(jī)械設(shè)計(jì)與研究現(xiàn)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(yīng)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(shù)不銹鋼都是靠鈍化產(chǎn)生鈍化層來(lái)抗腐蝕的。既要耐強(qiáng)介質(zhì)溶液腐蝕，又要承受強(qiáng)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(xiàn)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(qiáng)度不足，原來(lái)使用于化學(xué)泵的陶瓷屬于此類，僅用施釉以增加強(qiáng)度和防滲透性，但仍有脆性大，機(jī)加工性較差的缺點(diǎn)。

　　國(guó)外正大力進(jìn)行研究含鉻量高的金屬陶瓷與復(fù)合陶瓷，如Frekoriurid和Frikothermb陶瓷材料，用于制造小尺寸離心泵泵殼，國(guó)內(nèi)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：如線膨脹系數(shù)小、硬度高、抗化學(xué)腐蝕性強(qiáng)的普通陶瓷材料，可以作為泵殼襯里涂復(fù)，內(nèi)層的陶瓷外層的金屬各發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。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(fù)，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(jì)角度出發(fā)，用灰鑄鐵樹(shù)脂砂鑄好泵殼外層，留出內(nèi)層余量，后襯內(nèi)層。為了提高水泵外表面抗?jié)竦拇髿飧�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(qiáng)外表的抗大氣腐蝕性，并增強(qiáng)鑄鐵的整體強(qiáng)度。

　　方案1配方由三元系統(tǒng)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(nèi)襯坯件，烘干后在B00°C溫度下用氧化氣氛燒成，由結(jié)晶學(xué)研究證明，堇青石相的熱膨脹系數(shù)小，熱穩(wěn)定性好，實(shí)驗(yàn)已證實(shí)如此。為了增加結(jié)合強(qiáng)度，內(nèi)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(yù)留粗糙內(nèi)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(yīng)相硬度高，抗腐蝕性能好。根據(jù)GB1012-88標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行耐腐蝕試驗(yàn)，腐蝕介質(zhì)為10的NaOH溶液和30H2S4溶液，腐蝕7天統(tǒng)計(jì)，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(wěn)定膨脹系數(shù)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(dǎo)致生成裂紋，顯出其脆性。但成分中富含Zl2有相變?cè)鲰g和粒子強(qiáng)化作用。MgAl24中的AI2O3的線膨脹系數(shù)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(yīng)力區(qū)，氧化鋁產(chǎn)生拉應(yīng)力裂紋擴(kuò)展時(shí)，受至IJ應(yīng)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(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)對(duì)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(yàn)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(shè)置擋（甩）液杯，前者起密封和輔助支承，后者起甩液作用。

　　3結(jié)論（）耐腐蝕泵的設(shè)計(jì)，并不只偏重于選高技術(shù)耐蝕材料，應(yīng)是綜合的設(shè)計(jì)。

　�。�2）經(jīng)濟(jì)的耐腐蝕泵的綜合設(shè)計(jì)，應(yīng)以優(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(xiàn)性。提高陶瓷與金屬界面的結(jié)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。