ZYB煤焦油泵的失效分析及改進(jìn)措施
ZYB煤焦油泵是一種泵與電機(jī)聯(lián)體，一起潛入液下工作的泵。重油泵與一般臥式或立式污油泵相比，ZYB煤焦油泵明顯具有以下優(yōu)點(diǎn)
(1)結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。該泵由于潛人液下工作，因此可直接安裝于污油池內(nèi)，無需建造專門的泵房來安裝泵及電機(jī)，節(jié)省大量土地及基建費(fèi)用。
(2)安裝維修方便。小型的ZYB煤焦油泵可以自由安置，大型的煤焦油泵一般都配有自動(dòng)耦合裝置可以進(jìn)行自動(dòng)安裝，安裝及維修相當(dāng)方便?！?br /> (3)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長。ZYB煤焦油泵由于泵和電機(jī)同軸，軸短，轉(zhuǎn)動(dòng)部件重量輕，因此軸承上承受的載荷(徑向)相對(duì)較小，壽命比一般泵要長得多。
(4)振動(dòng)噪聲小，電機(jī)溫升低，對(duì)環(huán)境無污染?！?br /> 正是由于上述優(yōu)點(diǎn)，ZYB煤焦油泵受到人們的青睞，使用的范圍也越來越廣，由原來單純地用來輸送清油到現(xiàn)在可以輸送各種污油、工業(yè)廢油、建筑工地排油、液狀飼料等。在石油、化工、糧油、建筑、油利建設(shè)等各行各業(yè)中起著重要作用。
1、葉輪和殼體材料及工況
某污油處理廠用的ZYB煤焦油泵使用7~9個(gè)月時(shí)，ZYB重油煤焦油泵的運(yùn)行效能明顯出現(xiàn)下降現(xiàn)象，經(jīng)過解體發(fā)現(xiàn)，葉輪損壞嚴(yán)重，而殼體部分整個(gè)表面腐蝕尚不嚴(yán)重。泵的設(shè)計(jì)參數(shù)：轉(zhuǎn)速1450r/min、流量200mVh、揚(yáng)程22m、功率22kW，葉輪和殼體的材料為HT200，實(shí)測的化學(xué)成分列于表1。運(yùn)行工況時(shí)的工作介質(zhì)為生活污油，微帶酸性；含有固體顆粒。2、腐蝕特征
2.1、葉輪腐蝕
ZYB煤焦油泵葉輪的腐蝕情況如圖1所示，運(yùn)行僅幾個(gè)月葉輪平均磨損深度已經(jīng)達(dá)到3-5mm，汽蝕坑深4-6mm，葉片磨短5mm以上，葉輪導(dǎo)流部分減薄嚴(yán)重，減薄量2-4mm，兩面均有魚鱗狀花紋和蜂窩狀花紋交互出現(xiàn)，正面花紋大而深，背面花紋小而淺，魚鱗狀花紋的方向指向油流的流動(dòng)方向。葉輪口環(huán)的徑向圓周面出現(xiàn)半圓形的沖刷坑。葉輪出油側(cè)葉片和隔板減薄嚴(yán)重，外緣呈參差不齊的刀刃狀?！?br /> 2.2、殼體腐蝕
殼體內(nèi)側(cè)有沖擊磨損的環(huán)狀溝痕，壁厚原為8mm，沖蝕后減薄到6mm，損壞不是很嚴(yán)重，但在進(jìn)口處的沖擊磨損比較嚴(yán)重。在部分地方出現(xiàn)較深的溝狀條紋?！?br /> 3、葉輪失效原因分析
從客觀上分析，葉輪失效的直接原因是葉片的嚴(yán)重減薄，通過對(duì)葉輪的工況及損壞情況分析可見，引起葉片減薄的原因，是由于出現(xiàn)了嚴(yán)重的磨損和腐蝕而造成的，即高流速污油中固體顆粒的磨削作用加速了材料表面的腐蝕，葉輪存在明顯的磨削區(qū)、沖擊區(qū)和汽蝕區(qū)。保溫瀝青泵由于葉輪不同部位的流速與流動(dòng)狀態(tài)不同，因此介質(zhì)對(duì)葉輪的機(jī)械作用力大小與方向也不周，導(dǎo)致表面出現(xiàn)不均勻的磨損腐蝕形態(tài)。在此主要表現(xiàn)為磨蝕和汽蝕兩種形式。
3.1、固體顆粒對(duì)磨蝕的影響
污油中的固體顆粒是加速ZYB煤焦油泵過流部件磨蝕的主要原因，通過油流相對(duì)速度和汽蝕作用產(chǎn)生磨蝕破壞。在高速含固體顆粒油流中具有一定動(dòng)能的硬質(zhì)沙粒對(duì)過流部件表面反復(fù)沖擊和切削形成磨損，固體顆粒對(duì)過流部件的磨損量可用下式進(jìn)行估算方程式
由上式可知，固體顆粒對(duì)過流部件的磨損主要是通過油流相對(duì)速度的作用而產(chǎn)生破壞。固體顆粒增加汽蝕發(fā)生率，降低抗汽蝕能力。首先含固體顆粒的物化特性和流動(dòng)性與清油有很大的差別，含固體顆粒油流的粘性降低，抗斷裂性差，增加了空泡產(chǎn)生概率。其次，固體顆粒中會(huì)夾帶氣泡植入油中增加油中汽核，使汽蝕發(fā)生概率上升。另外，固體顆粒與油的質(zhì)量、慣性力有明顯的差異，固體顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡偏離油流流線使流場發(fā)生畸變，由于繞流阻力和慣性力引起固體顆粒的附加速度，油流回流發(fā)生旋渦，引起局部壓力降低，加重了汽蝕發(fā)生的概率。汽蝕坑會(huì)嚴(yán)重破壞過流部件表面的光滑度，使固體顆粒磨損加重?！?br /> 國內(nèi)外學(xué)者就固體顆粒與汽蝕的關(guān)系做了大量試驗(yàn)研究，模擬試驗(yàn)表明，在其他工況相同時(shí)，含固體顆粒油流的汽蝕強(qiáng)度是清油汽蝕強(qiáng)度的4-16倍，國內(nèi)同型泵在清油和渾油中的運(yùn)行資料分析也證實(shí)了這一結(jié)論。在葉片導(dǎo)流部分，油流方向與葉片夾角小于45度，磨削作用明顯，該區(qū)域的特征表現(xiàn)為葉片均勻減薄，出現(xiàn)具有一定方向性的魚鱗狀條紋以及溝壁光滑的犁溝狀條紋；在葉輪入油側(cè)葉片的前端，油流方向與金屬表面的夾角大于45度，該區(qū)域的特征表現(xiàn)為葉片與前蓋板結(jié)合區(qū)的局部材料流失嚴(yán)重，這是由于在高速含固體顆粒油流的反復(fù)沖擊下，材料的薄弱部分將會(huì)首先被破壞形成孔、坑，或由于部分細(xì)小的片狀沙粒刺人晶界上的顯微裂紋沿晶擴(kuò)展，最終發(fā)展成沿晶分布的疲勞裂紋，引起晶粒疲勞剝落，從而加劇了材料的流失。而葉片外緣呈參差不齊的刀刃狀，其原因有三個(gè)：一是高速運(yùn)動(dòng)的葉輪將污油中的固體顆粒拋向葉片尾部邊緣，造成葉片邊緣的固體顆粒濃度大于平均濃度；二是在葉輪尾部線速度更大，試驗(yàn)表明，流體中固相顆粒相對(duì)于葉輪表面的運(yùn)動(dòng)速度越高，材料的流失就會(huì)越嚴(yán)重；三是在此區(qū)域受到了汽蝕的影響，近一步加速了葉片尾部區(qū)域的磨損腐蝕。
3.2、汽蝕的影響
汽蝕區(qū)分布在葉輪葉片出口區(qū)域的背油一側(cè)。此區(qū)域海綿狀蜂窩，存在密集的馬蹄型深坑和長條型深犁溝，坑壁光滑，頂端呈刀刃狀。葉輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，是由于葉片背面局部出現(xiàn)的負(fù)壓產(chǎn)生大量真空小氣泡，負(fù)壓降低后，小氣泡湮滅，釋放出能量，一部分直接傳給金屬基體，另一部分則傳給固體顆粒。傳給金屬的那部分能量不斷被材料吸收而使顯微裂紋發(fā)展成為疲勞裂紋，裂紋的擴(kuò)展又造成晶粒松動(dòng)和脫落，形成早期的麻點(diǎn)狀汽蝕坑。材料表層的顯微裂紋主要是由材料本身的缺陷、沖擊和固體顆粒刺入產(chǎn)生的。傳給固體顆粒的能量，使固體顆粒加速，泵部分加速后的固體顆粒以各種角度沖擊或滑過金屬表面，形成小角度磨削和大角度沖擊破壞；而進(jìn)入汽蝕坑的沙粒則對(duì)先期形成的汽蝕坑形成“往復(fù)式”破壞，結(jié)果是汽蝕坑不斷擴(kuò)大、合并，兩個(gè)汽蝕坑的交錯(cuò)使坑壁頂端形成刀刃狀結(jié)構(gòu)，并且汽蝕坑內(nèi)壁光滑。
4、改進(jìn)方案
從以上的分析可見，影響葉輪使用壽命的主要因素是葉輪的設(shè)計(jì)參數(shù)和材料。在不降低葉輪材料耐蝕性的前提下，提高其耐磨損腐蝕性能，優(yōu)化葉輪的設(shè)計(jì)參數(shù)，是延長葉輪使用壽命最有效的辦法。
(一)在設(shè)計(jì)方面，由于固體顆粒對(duì)過流表面的磨損過程是復(fù)合磨損，即切削磨損和變形磨損同時(shí)存在，其磨損總量為：
由上式可知，速度越大，被磨損材料塑性越小，則總磨損量就越大，因而在設(shè)計(jì)過程中，在保證流量、揚(yáng)程不變的情況下，加大了葉輪進(jìn)口直徑，減少油流相對(duì)速度，改善流動(dòng)條件，減少湍流以及適當(dāng)加厚了葉輪前后蓋板的幾何尺寸?！?br /> (二)提高葉輪的表面光潔度，以減少空泡和氣穴的形成?！?br /> (三)采用抗磨耗腐蝕性能好的材料，因?yàn)榻饘俨牧系哪ズ母g是機(jī)械力引起的磨損和介質(zhì)的腐蝕共同作用的結(jié)果。因此采用既耐蝕又抗磨耗的材料將是行之有效的預(yù)防措施，根據(jù)綜合分析后，選用馬氏體型不銹鋼2Cr13，經(jīng)淬火后，硬度較高，耐腐蝕性良好?！?br /> (四)在葉輪上噴涂環(huán)氧金剛砂面層防護(hù)，由環(huán)氧樹脂、固化劑、增韌劑、稀釋劑及填料等拌制成砂漿，涂抹在葉輪和蝸殼表面上。底層與母材結(jié)強(qiáng)度400～450kg/cm，中層抗拉強(qiáng)度130kg/cm2,抗壓強(qiáng)度500kg/cm2，剪切強(qiáng)度300kg/cm。以金剛砂為輔劑，環(huán)氧樹脂為主劑配成的粘結(jié)材料，而金剛砂的耐磨性較好，所以二者結(jié)合呈現(xiàn)出粘接力強(qiáng)、耐油性及抗泥沙磨損性好，且具有較強(qiáng)的抗沖擊性能。
5、結(jié)語
按此方案對(duì)ZYB煤焦油泵進(jìn)行綜合改造后，運(yùn)行半年后，葉輪整體無明顯腐蝕，效果良好，僅在葉輪表面局部有防護(hù)涂層的脫落，但不影響泵的正常使用，達(dá)到了預(yù)期的效果。綜上所述，產(chǎn)生磨蝕的主要原因是高速固體顆粒油流對(duì)過流部件的磨損破壞，其次是汽蝕和磨損的聯(lián)合破壞。因此，防治該泵磨蝕的根本措施是設(shè)法降低過流部件表面固體顆粒油流相對(duì)速度。再輔以必要的抗磨蝕材質(zhì)及防護(hù)涂層，則效果更為明顯。對(duì)于汽蝕破壞，可通過優(yōu)化油力設(shè)計(jì)得以防止
ZYB煤焦油泵是一種泵與電機(jī)聯(lián)體，一起潛入液下工作的泵。重油泵與一般臥式或立式污油泵相比，ZYB煤焦油泵明顯具有以下優(yōu)點(diǎn)
(1)結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。該泵由于潛人液下工作，因此可直接安裝于污油池內(nèi)，無需建造專門的泵房來安裝泵及電機(jī)，節(jié)省大量土地及基建費(fèi)用。
(2)安裝維修方便。小型的ZYB煤焦油泵可以自由安置，大型的煤焦油泵一般都配有自動(dòng)耦合裝置可以進(jìn)行自動(dòng)安裝，安裝及維修相當(dāng)方便?！?br /> (3)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長。ZYB煤焦油泵由于泵和電機(jī)同軸，軸短，轉(zhuǎn)動(dòng)部件重量輕，因此軸承上承受的載荷(徑向)相對(duì)較小，壽命比一般泵要長得多。
(4)振動(dòng)噪聲小，電機(jī)溫升低，對(duì)環(huán)境無污染?！?br /> 正是由于上述優(yōu)點(diǎn)，ZYB煤焦油泵受到人們的青睞，使用的范圍也越來越廣，由原來單純地用來輸送清油到現(xiàn)在可以輸送各種污油、工業(yè)廢油、建筑工地排油、液狀飼料等。在石油、化工、糧油、建筑、油利建設(shè)等各行各業(yè)中起著重要作用。
1、葉輪和殼體材料及工況
某污油處理廠用的ZYB煤焦油泵使用7~9個(gè)月時(shí)，ZYB重油煤焦油泵的運(yùn)行效能明顯出現(xiàn)下降現(xiàn)象，經(jīng)過解體發(fā)現(xiàn)，葉輪損壞嚴(yán)重，而殼體部分整個(gè)表面腐蝕尚不嚴(yán)重。泵的設(shè)計(jì)參數(shù)：轉(zhuǎn)速1450r/min、流量200mVh、揚(yáng)程22m、功率22kW，葉輪和殼體的材料為HT200，實(shí)測的化學(xué)成分列于表1。運(yùn)行工況時(shí)的工作介質(zhì)為生活污油，微帶酸性；含有固體顆粒。2、腐蝕特征
2.1、葉輪腐蝕
ZYB煤焦油泵葉輪的腐蝕情況如圖1所示，運(yùn)行僅幾個(gè)月葉輪平均磨損深度已經(jīng)達(dá)到3-5mm，汽蝕坑深4-6mm，葉片磨短5mm以上，葉輪導(dǎo)流部分減薄嚴(yán)重，減薄量2-4mm，兩面均有魚鱗狀花紋和蜂窩狀花紋交互出現(xiàn)，正面花紋大而深，背面花紋小而淺，魚鱗狀花紋的方向指向油流的流動(dòng)方向。葉輪口環(huán)的徑向圓周面出現(xiàn)半圓形的沖刷坑。葉輪出油側(cè)葉片和隔板減薄嚴(yán)重，外緣呈參差不齊的刀刃狀?！?br /> 2.2、殼體腐蝕
殼體內(nèi)側(cè)有沖擊磨損的環(huán)狀溝痕，壁厚原為8mm，沖蝕后減薄到6mm，損壞不是很嚴(yán)重，但在進(jìn)口處的沖擊磨損比較嚴(yán)重。在部分地方出現(xiàn)較深的溝狀條紋?！?br /> 3、葉輪失效原因分析
從客觀上分析，葉輪失效的直接原因是葉片的嚴(yán)重減薄，通過對(duì)葉輪的工況及損壞情況分析可見，引起葉片減薄的原因，是由于出現(xiàn)了嚴(yán)重的磨損和腐蝕而造成的，即高流速污油中固體顆粒的磨削作用加速了材料表面的腐蝕，葉輪存在明顯的磨削區(qū)、沖擊區(qū)和汽蝕區(qū)。保溫瀝青泵由于葉輪不同部位的流速與流動(dòng)狀態(tài)不同，因此介質(zhì)對(duì)葉輪的機(jī)械作用力大小與方向也不周，導(dǎo)致表面出現(xiàn)不均勻的磨損腐蝕形態(tài)。在此主要表現(xiàn)為磨蝕和汽蝕兩種形式。
3.1、固體顆粒對(duì)磨蝕的影響
污油中的固體顆粒是加速ZYB煤焦油泵過流部件磨蝕的主要原因，通過油流相對(duì)速度和汽蝕作用產(chǎn)生磨蝕破壞。在高速含固體顆粒油流中具有一定動(dòng)能的硬質(zhì)沙粒對(duì)過流部件表面反復(fù)沖擊和切削形成磨損，固體顆粒對(duì)過流部件的磨損量可用下式進(jìn)行估算方程式
由上式可知，固體顆粒對(duì)過流部件的磨損主要是通過油流相對(duì)速度的作用而產(chǎn)生破壞。固體顆粒增加汽蝕發(fā)生率，降低抗汽蝕能力。首先含固體顆粒的物化特性和流動(dòng)性與清油有很大的差別，含固體顆粒油流的粘性降低，抗斷裂性差，增加了空泡產(chǎn)生概率。其次，固體顆粒中會(huì)夾帶氣泡植入油中增加油中汽核，使汽蝕發(fā)生概率上升。另外，固體顆粒與油的質(zhì)量、慣性力有明顯的差異，固體顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡偏離油流流線使流場發(fā)生畸變，由于繞流阻力和慣性力引起固體顆粒的附加速度，油流回流發(fā)生旋渦，引起局部壓力降低，加重了汽蝕發(fā)生的概率。汽蝕坑會(huì)嚴(yán)重破壞過流部件表面的光滑度，使固體顆粒磨損加重?！?br /> 國內(nèi)外學(xué)者就固體顆粒與汽蝕的關(guān)系做了大量試驗(yàn)研究，模擬試驗(yàn)表明，在其他工況相同時(shí)，含固體顆粒油流的汽蝕強(qiáng)度是清油汽蝕強(qiáng)度的4-16倍，國內(nèi)同型泵在清油和渾油中的運(yùn)行資料分析也證實(shí)了這一結(jié)論。在葉片導(dǎo)流部分，油流方向與葉片夾角小于45度，磨削作用明顯，該區(qū)域的特征表現(xiàn)為葉片均勻減薄，出現(xiàn)具有一定方向性的魚鱗狀條紋以及溝壁光滑的犁溝狀條紋；在葉輪入油側(cè)葉片的前端，油流方向與金屬表面的夾角大于45度，該區(qū)域的特征表現(xiàn)為葉片與前蓋板結(jié)合區(qū)的局部材料流失嚴(yán)重，這是由于在高速含固體顆粒油流的反復(fù)沖擊下，材料的薄弱部分將會(huì)首先被破壞形成孔、坑，或由于部分細(xì)小的片狀沙粒刺人晶界上的顯微裂紋沿晶擴(kuò)展，最終發(fā)展成沿晶分布的疲勞裂紋，引起晶粒疲勞剝落，從而加劇了材料的流失。而葉片外緣呈參差不齊的刀刃狀，其原因有三個(gè)：一是高速運(yùn)動(dòng)的葉輪將污油中的固體顆粒拋向葉片尾部邊緣，造成葉片邊緣的固體顆粒濃度大于平均濃度；二是在葉輪尾部線速度更大，試驗(yàn)表明，流體中固相顆粒相對(duì)于葉輪表面的運(yùn)動(dòng)速度越高，材料的流失就會(huì)越嚴(yán)重；三是在此區(qū)域受到了汽蝕的影響，近一步加速了葉片尾部區(qū)域的磨損腐蝕。
3.2、汽蝕的影響
汽蝕區(qū)分布在葉輪葉片出口區(qū)域的背油一側(cè)。此區(qū)域海綿狀蜂窩，存在密集的馬蹄型深坑和長條型深犁溝，坑壁光滑，頂端呈刀刃狀。葉輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，是由于葉片背面局部出現(xiàn)的負(fù)壓產(chǎn)生大量真空小氣泡，負(fù)壓降低后，小氣泡湮滅，釋放出能量，一部分直接傳給金屬基體，另一部分則傳給固體顆粒。傳給金屬的那部分能量不斷被材料吸收而使顯微裂紋發(fā)展成為疲勞裂紋，裂紋的擴(kuò)展又造成晶粒松動(dòng)和脫落，形成早期的麻點(diǎn)狀汽蝕坑。材料表層的顯微裂紋主要是由材料本身的缺陷、沖擊和固體顆粒刺入產(chǎn)生的。傳給固體顆粒的能量，使固體顆粒加速，泵部分加速后的固體顆粒以各種角度沖擊或滑過金屬表面，形成小角度磨削和大角度沖擊破壞；而進(jìn)入汽蝕坑的沙粒則對(duì)先期形成的汽蝕坑形成“往復(fù)式”破壞，結(jié)果是汽蝕坑不斷擴(kuò)大、合并，兩個(gè)汽蝕坑的交錯(cuò)使坑壁頂端形成刀刃狀結(jié)構(gòu)，并且汽蝕坑內(nèi)壁光滑。
4、改進(jìn)方案
從以上的分析可見，影響葉輪使用壽命的主要因素是葉輪的設(shè)計(jì)參數(shù)和材料。在不降低葉輪材料耐蝕性的前提下，提高其耐磨損腐蝕性能，優(yōu)化葉輪的設(shè)計(jì)參數(shù)，是延長葉輪使用壽命最有效的辦法。
(一)在設(shè)計(jì)方面，由于固體顆粒對(duì)過流表面的磨損過程是復(fù)合磨損，即切削磨損和變形磨損同時(shí)存在，其磨損總量為：
由上式可知，速度越大，被磨損材料塑性越小，則總磨損量就越大，因而在設(shè)計(jì)過程中，在保證流量、揚(yáng)程不變的情況下，加大了葉輪進(jìn)口直徑，減少油流相對(duì)速度，改善流動(dòng)條件，減少湍流以及適當(dāng)加厚了葉輪前后蓋板的幾何尺寸?！?br /> (二)提高葉輪的表面光潔度，以減少空泡和氣穴的形成?！?br /> (三)采用抗磨耗腐蝕性能好的材料，因?yàn)榻饘俨牧系哪ズ母g是機(jī)械力引起的磨損和介質(zhì)的腐蝕共同作用的結(jié)果。因此采用既耐蝕又抗磨耗的材料將是行之有效的預(yù)防措施，根據(jù)綜合分析后，選用馬氏體型不銹鋼2Cr13，經(jīng)淬火后，硬度較高，耐腐蝕性良好?！?br /> (四)在葉輪上噴涂環(huán)氧金剛砂面層防護(hù)，由環(huán)氧樹脂、固化劑、增韌劑、稀釋劑及填料等拌制成砂漿，涂抹在葉輪和蝸殼表面上。底層與母材結(jié)強(qiáng)度400～450kg/cm，中層抗拉強(qiáng)度130kg/cm2,抗壓強(qiáng)度500kg/cm2，剪切強(qiáng)度300kg/cm。以金剛砂為輔劑，環(huán)氧樹脂為主劑配成的粘結(jié)材料，而金剛砂的耐磨性較好，所以二者結(jié)合呈現(xiàn)出粘接力強(qiáng)、耐油性及抗泥沙磨損性好，且具有較強(qiáng)的抗沖擊性能。
5、結(jié)語
按此方案對(duì)ZYB煤焦油泵進(jìn)行綜合改造后，運(yùn)行半年后，葉輪整體無明顯腐蝕，效果良好，僅在葉輪表面局部有防護(hù)涂層的脫落，但不影響泵的正常使用，達(dá)到了預(yù)期的效果。綜上所述，產(chǎn)生磨蝕的主要原因是高速固體顆粒油流對(duì)過流部件的磨損破壞，其次是汽蝕和磨損的聯(lián)合破壞。因此，防治該泵磨蝕的根本措施是設(shè)法降低過流部件表面固體顆粒油流相對(duì)速度。再輔以必要的抗磨蝕材質(zhì)及防護(hù)涂層，則效果更為明顯。對(duì)于汽蝕破壞，可通過優(yōu)化油力設(shè)計(jì)得以防止
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