經(jīng)濟(jì)的耐腐蝕泵的設(shè)計(jì)研究

　　我國用于礦業(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)場的了解、分析和直接設(shè)計(jì)過程，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。水泵腐蝕過程的結(jié)果是水泵金屬從金屬點(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，造成水泵金屬過流表面的滲透和溶解，產(chǎn)生腐蝕。其反應(yīng)式仍然是陽極和陰極反應(yīng)。陽極反應(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）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）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(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，若水泵再開機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承就在結(jié)晶的顆粒磨料中干潤滑運(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）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）基本原理是將Ab3粉末通過非轉(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(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。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的固熔體莫來石相（Al6Si2（）B=3Al2（V2SiO2莫來石化學(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有相變增韌和粒子強(qiáng)化作用。MgAl24中的AI2O3的線膨脹系數(shù)8.1X106，彈性模量40X 105MPa大于莫來石的5.3X10?6和2.10卩辦莫來石產(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)口和出口過渡部分（見）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）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）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。