挖泥船泥泵耐磨材料现状及发展趋势分析

来源:用户上传      作者: 王宏清

　　【摘要】随着我国经济的发展，在疏浚工程中对挖泥船泥泵耐磨材料的性能要求越来越高。近年来，经过我国大量研究人员研究，泥泵耐磨材料得到了很大的发展。本文对部分挖泥船泥泵耐磨材料的发展趋势进行了一定的分析。
　　【关键词】挖泥船；泥泵；耐磨材料；现状；发展
　　我国江河湖海数量较多，流域范围较广，许多的河流流域中都有较高的含沙量，导致河流的河口淤积情况严重，对生态环境造成了严重的破坏，并且还会对河流的排沙泄洪受到严重的阻碍。因此必须要采取相应的措施对河流泥沙的淤积情况进行处理。在疏浚工程中需要用到挖泥船，挖泥船的类型选择要根据疏浚工程开展地区的气象、水文及地理环境特点的不同而选择合适类型的挖泥船。挖泥船的主要零部件在作业时会受到水中砂石等坚硬物质的冲击、摩擦，因此其零部件的材料需要有较高的耐磨性。我国近年来对挖泥船泥泵耐磨材料进行了大量的研究，也在这方面取得了较大的发展。
　　1挖泥船泥泵的磨损机理和影响的因素
　　1.1挖泥船泥泵的磨损机理
　　挖泥船的泥泵通流物质是含有部分固体颗粒的两相流。它是造成泥泵磨损的主要因素，这种磨损称为流体磨粒磨损，按照流体中固体颗粒与泥泵的过流不见的接触方式可以分为三种形式。
　　（1）高角度冲击磨损
　　当泥浆中的固体颗粒以较大的冲击角度对泥泵泵体表面进行高速冲击时，就容易造成泵体表面发生弹性变形及塑性变形，塑性变形是不可逆的变形方式，它会导致泵体表面材料的破坏。如此反复的塑性变形，就会导致泵体表面材料疲劳损坏，最终造成材料的断裂、脱落。
　　（2）小角度剥蚀
　　当流体中的固体颗粒以较小的冲击角度对泵体表面进行高速冲击，且颗粒以较高的速度平行于泵体表面运动时，粒子能量会对泵体表面材料发生剥蚀。当一些较尖锐的颗粒划过泵体表面时，会产生切削破坏；当一些较为圆滑的颗粒划过泵体表面时，会产生犁切破坏。如此反复，就会导致泵体表面材料发生严重磨损。
　　（3）研磨破坏
　　当流体中的固体颗粒进入到泥泵的两个部件之间，会受到压力且相对运动时对泵体部件造成磨损。由于固体颗粒处于两个部件之间，会对其形成碾压作用，因而容易导致部件表面的脆性破坏。同时，部分固体颗粒被碾碎后会对泥泵表面材料造成小角度剥蚀破坏。
　　1.2泥泵中主要磨损部位及其磨损机理
　　在泥泵中，由于其表面的几何形状以及和泥浆接触性质的不同，各个部位的磨损程度存在一定的差异性。
　　（1）叶轮的磨损
　　在通常情况下，当泥泵中以小角度剥蚀为主要磨损且磨损程度较为严重时，泥泵中的损坏部位就会主要集中于叶轮、蜗壳等通流部件。如果在叶轮叶片根部主要的磨损方式为剥削磨损，涡流就会加速造成磨损的速度增加，同时叶轮根部还会发生一定的高角度冲击。
　　（2）叶墙和耐磨衬板的磨损
　　如果叶墙和耐磨衬板发生了严重磨损，通常是由于受到固体颗粒的大角度冲击而造成的破坏。当泥浆流经叶轮时，速度会有轴向变为径向，但是由于受到之前的惯性作用，泥浆中的固体颗粒仍然会以较高的轴向速度向叶墙进行冲击并且冲击的频率非常高，造成叶墙的严重破坏。另外，进入叶墙和耐磨衬板之间的固体颗粒还会造成一定的研磨破坏。
　　（3）泵壳内部的磨损
　　在泵壳内部，泥浆中的固体颗粒在弯曲流道内，由于离心力的作用撞击泵壳内壁，但是泵壳的设计标准决定了其不可能为大角度冲击，均是小角度的切削磨损。泥泵分水舌的磨损通常是由于涡流引起的小角度磨损破坏，同时也伴有少许的大角度冲击磨损。
　　1.3影响泥泵磨损的因素
　　（1）固体颗粒粒径对磨损的影响
　　流体中的固体颗粒的粒径大小对泥泵表面材料磨损的影响程度不同，如果粒径过大，则会使材料的磨损加快。部分粒径特别细小的颗粒会在部件表面形成滑移层，降低流体对部件的冲击程度。虽然细小颗粒的滑移也会对泵体部件表面产生一定的磨损，但是它却能大大降低大粒径颗粒带来的冲击。
　　（2）泥泵转速的影响
　　泥泵的转速越快，泵体的磨损会几何增长。在保证泥泵扬程和效率的情况下，应当尽可能的降低泥泵转速。
　　（3）泥浆浓度的影响
　　泥浆的浓度也会对泥泵的磨损程度产生一定的影响。泥浆的浓度越高，泥泵的磨损程度越高，但是当泥浆的浓度上升到一定的高度时，泥泵磨损的程度会随浓度的增加而降低。
　　（4）泥泵的工况点
　　泥泵的工况点即是其最佳效率点，当泥泵的流量、流速、扬程等偏离了其工况点时，将会导致涡流增加，时泵体的磨损速度加快。
　　（5）叶轮形状的影响
　　泥泵中采用不同形状的叶轮会产生不同的流体形式。通常，选用的叶轮形状使泥浆形成外旋的流体时，涡轮速度就会加快，导致叶轮的磨损速度加快。当选用的叶轮形状使泥浆通过之后形成两股内旋的流体时，这时的叶轮磨损程度较为缓慢，这样可以大大提高叶轮的使用寿命。
　　（6）泵壳形状的影响
　　不同的泥泵壳的形状会产生不同的泥浆分流情况，这对过流部件的磨损程度会产生很大的影响。相同条件下，圆形泵壳的磨损程度比蜗壳状泵壳的磨损程度药效。目前，国内的泥泵大多采用蜗壳状泵壳，它的效率比圆形泵壳更高。
　　2国内泥泵耐磨材料的研究状况
　　近年来，随着我国加大对泥泵耐磨材料的研究力度，已经有多种新型的耐磨材料投入使用。
　　2.1硬金属
　　在泥泵过流部件中采用硬金属材料时，材料需要具有较高的硬度，还需要具有一定的抗压强度和抗剪强度。目前，实际应用到泥泵制作的硬金属材料主要有马氏体白铁、镍硬铸铁、高铬铸铁等。马氏体白铁具有较高的硬度，一般用于制作的泥泵会用于流体颗粒粒径较大的工程中。对于粗砂颗粒的工况一般会选用镍硬铸铁和高铬铸铁材料。 　　镍硬铸铁主要用于颗粒较为尖锐的工况中，他对切削磨损的抵抗力较强，但是容易受到高角度冲击的影响。镍硬铸铁材料一般用于对抗剪强度要求的高扬程工况中。当固体颗粒的粒径较大时，一般不使用镍硬铸铁材料。
　　在一些会对泥泵泵体造成严重磨损或者腐蚀的工作环境中，泥泵的制作材料通常会选择高铬铸铁。高铬铸铁中含有的M7C3会提供较高的硬度，而奥氏体或马氏体则会为其提供较高的抗腐蚀能力以及稳定的结构。高铬铸铁具有两种工作态组织，分别是铸态组织和热处理后的组织。不同的铸态组织之间耐磨性会存在一定的差异，这主要体现在高铬铸铁本身的耐磨性及其对硬质粒子的镶嵌牢固程度。由于高铬铸铁中具有耐磨性较高的马氏体，以及带来的稳定结构，高铬铸铁在经过热处理后能够获得更高的硬度、强度及耐磨性。另外，在热处理的过程中，通过加入一些微量元素以及对处理工艺的改良和控制，能够改变碳化物的形态，可以进一步提高高铬铸铁的性能。
　　目前，部分泵厂通过将Cr29、Cr30等新材料应用到泥泵过流部件的生产中，大大提高了其耐磨性和耐腐蚀性，但是其韧性有一定的下降，并且由于硬度的增加提高了铸造的难度，大大提高了生产成本。因此，高铬铸铁的选择要根据实际的工程情况，合理的选择适合的铬量，通常情况下，铬的含量控制在25%左右，如果工程处于腐蚀环境中，铬的含量可以适当提高。由于铬在热处理的过程中容易吸收碳分子，因此在高铬铸铁在熔炼时必须要使用电炉，这对高铬铸铁的使用和发展产生了一定的限制。
　　2.2橡胶材料
　　天然橡胶材料是泥泵中普遍使用的一种耐磨材料。橡胶具有较高的弹性和抗拉强度，并且具有优良的耐磨性，但其抗剪强度较低，容易发生撕裂。因此，橡胶材料对细小颗粒的高角度冲击具有较高的耐磨损性，但对于一些尖锐状颗粒的小角度冲击的耐磨损能力较差。由于橡胶的刚性较差，会导致叶轮的转速受到一定的限制，因此，目前已经很少应用到叶轮上了，大多数应用于泥泵的内衬板上。另外，天然橡胶的工作温度要低于150℃，并且不能在具有腐蚀性的环境中工作。
　　2.3陶瓷涂层
　　陶瓷具有较高的耐磨性，当细小固体颗粒对陶瓷小角度冲击时，陶瓷的耐磨性可以达到硬金属的10倍以上。但是由于陶瓷较脆，如果有较大颗粒进行冲击，就容易造成陶瓷涂层破碎、脱落。同时，由于陶瓷的造价过高，因此很少用于泥泵中。但考虑到陶瓷超高的抗腐蚀性，在一些特殊的作业环境中，可以选择陶瓷作为泥泵的耐磨材料。
　　3泥泵耐磨材料的发展趋势
　　目前，提高耐磨材料的抗磨损能力有改进材料及增加涂层两种方法。在实际的工程应用中发现，使用普通的铸铁材料铸造的泥泵使用寿命较短，而家涂层的方法，由于涂层的想能方面的限制，不仅会使工程的成本增加，而且没有明显的提高泥泵的使用寿命。因此，为了增加泥泵材料的耐磨性，应该要加强对新材料的研究，主要从以下几方面进行：
　　3.1发展高Cr系列的材料
　　结合实际的泥泵使用经验可以看出，高Cr系的材料铸造的泥泵具有较长的使用寿命，并且能够处于接近最佳工作状态进行工作。
　　3.2发展Cr-Mo系列合金
　　Cr-Mo系列的合金由于其材料本身具有较强的析出相强化效果，因此，能够达到泥泵耐磨材料的使用要求。
　　3.3改进生产工艺
　　加强对泥泵耐磨材料的生产工艺的改良和创新，研究科学的热处理方式，能够使耐磨材料的使用性能得到一定的提升。
　　3.4加强对耐磨涂层的研发
　　目前，耐磨硬质合金涂层以及陶瓷涂层仍然处于研究阶段。这类涂层虽然有超高的耐磨性，但是由于过高的价格，限制了其在工程中的应用。由于这些耐磨涂层具有非常高的耐磨损性，应该加强对其的研发，使其成本能够有所降低，并且能够对部分存在的缺点进行改进，以期研究出更加高效的耐磨材料。
　　4 结束语
　　随着我国经济的发展，疏浚工程对挖泥船泥泵耐磨材料的要求也日益增加，目前国内通常使用高铬铸铁材料整体铸造泥泵泵体。但是国内在这方面的技术以及生产厂家还较少，为了满足疏浚工程的需求，我国应该加大对泥泵耐磨材料的研究力度，通过改进材料分子结构、生产工艺以及研究新材料的方式使我国的泥泵耐磨材料迅速发展起来，满足疏浚工程对泥泵耐磨性的需求。
　　【参考文献】
　　[1]张文波.挖泥船与挖泥泵技术发展概述[J].通用机械，2008，（8）：20-24.
　　[2]范建伟，郭代营.挖泥泵泵体类铸件铸造生产工艺[J].金属铸锻焊技术，2009，8：148- 149.
　　[3]尹怡民.大型超薄高铬铸铁衬板的铸造成形[J].中国铸造装备与技术，2009，（6）：35- 37.
　　[4] 李万鹏.高碳低合金耐磨钢叶轮的铸造[J].铸造，2005，54，（4）：404- 405.
　　[5] 王志武.国外自航耙吸船挖泥船耐磨泥泵的材质分析[J].金属热处理，2012，（11）：55-58.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-4984752.htm