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經(jīng)濟(jì)的耐腐蝕泵的設(shè)計(jì)研究
2020-10-21 08:52:00 來(lái)源:水泵網(wǎng)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)樗禽^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(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)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)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g,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)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)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)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。留言新發(fā)布
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