疏浚泥泵前襯板材料汽蝕與磨蝕試驗(yàn)

趙天彪 汪金文 楊興華 郝志剛

(1.中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心有限公司；2.山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院)

近年來，我國(guó)疏浚市場(chǎng)營(yíng)業(yè)額占全球疏浚市場(chǎng)比例超過三分之一[1]，成為疏浚大國(guó)。我國(guó)自行研發(fā)制造的大型挖泥船在吹填造島、航道疏浚、港口建設(shè)和河道清淤等方面發(fā)揮著重要作用，但隨著疏浚市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，一些問題也逐漸暴露出來，其中挖泥船核心部件大型泥泵面臨著汽蝕與磨損嚴(yán)重的問題[2-5]，該問題在前襯板過流部位尤為突出。如廈門某吹填工程由于前襯板汽蝕，每隔20天就要更換一次，每次需要耗費(fèi)一天時(shí)間。不僅浪費(fèi)人力物力，還嚴(yán)重制約挖泥船的使用壽命。

大型泥泵前襯板分為內(nèi)、外圈襯板，外圈襯板損壞以磨蝕與汽蝕為主，內(nèi)圈襯板以磨蝕為主。目前內(nèi)圈襯板一般采用高鉻合金鋼或合金鋼等硬度較高的金屬材料制成，耐磨損性能較高，但在高頻汽蝕沖擊下，襯板表面逐漸出現(xiàn)麻點(diǎn)、坑穴[6]，汽蝕與磨蝕的交互作用最終導(dǎo)致襯板失效。為提高泥泵使用壽命，國(guó)內(nèi)外已開展泥泵易磨損部位替代材料的研究[7]。如荷蘭IHC公司采用聚氨酯材料作為泥泵襯里，耐磨性是高合金鋼、鑄鐵和堆焊材料的2～3倍，是低合金鋼、普通鑄鋼和鑄鐵的8～10倍。有學(xué)者通過研究疏水性聚氨酯的耐磨性和耐汽蝕性能發(fā)現(xiàn)，相比硬質(zhì)合金涂層，聚氨酯具有更好的耐汽蝕性能。

針對(duì)高硬度材料耐汽蝕沖擊性能差的問題，本文提出在大型疏浚泥泵內(nèi)圈前襯板過流部位澆筑彈性體涂層，彈性體具有較高的耐汽蝕和抗磨損性能。當(dāng)汽化后的氣泡破裂產(chǎn)生高頻沖擊力沖擊彈性體時(shí)，由于彈性體回彈性很高，可緩沖氣泡破滅時(shí)對(duì)涂層產(chǎn)生的巨大反復(fù)沖擊力，從而減緩襯板過流面的汽蝕破壞。為深入研究彈性體耐汽蝕與磨損性能，搭建旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤實(shí)驗(yàn)臺(tái)，模擬現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行彈性體材料的汽蝕與磨損試驗(yàn)，并與現(xiàn)場(chǎng)使用的高鉻鋼進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行材料優(yōu)選。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用硬度不同的彈性體60、聚氨酯72、聚氨酯95、高鉻合金鋼4種材料，將聚氨酯澆筑于事先制成的鐵基體上。試驗(yàn)樣品加工制成圓柱體狀，樣品尺寸φ35 mm×38 mm，試驗(yàn)前進(jìn)行清洗、烘干、稱重。利用電子分析天平對(duì)樣品稱重，精度0.001 g。

1.2 試驗(yàn)裝置

旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤試驗(yàn)裝置包括電機(jī)、循環(huán)管路、物料桶、轉(zhuǎn)盤、實(shí)驗(yàn)臺(tái)架等，組成見圖1。

圖1 旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤試驗(yàn)裝置

試件固定安裝在轉(zhuǎn)盤的試件孔上。通過電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，試件隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)流體介質(zhì)從正對(duì)于轉(zhuǎn)盤的進(jìn)料口進(jìn)入，利用轉(zhuǎn)盤實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬現(xiàn)場(chǎng)的疏浚工況。同時(shí)在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的前方開設(shè)汽蝕孔，流體在流經(jīng)轉(zhuǎn)盤表面時(shí)在汽蝕孔位置產(chǎn)生氣泡，隨轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)在試件表面破裂，產(chǎn)生汽蝕，觀察、記錄各試件的汽蝕與磨損情況。

1.3 試驗(yàn)步驟

分別選取自來水和含沙水兩種不同的流體介質(zhì)進(jìn)行彈性體材料的汽蝕與磨蝕試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，調(diào)整轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)盤試件中心速度為27.13 m/s。汽蝕試驗(yàn)共進(jìn)行70 h，磨蝕試驗(yàn)共進(jìn)行15 h，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)束后，清洗、烘干，并利用zeta3D掃描電鏡觀察表面，進(jìn)行表面三維形貌分析，討論試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 汽蝕70 h試驗(yàn)

3種彈性體材料進(jìn)行70 h汽蝕試驗(yàn)后的表面三維形貌照片見圖2。

圖2 彈性體汽蝕70 h后表面形貌SEM照片

由圖2可知，彈性體60與聚氨酯72材料表面較為光滑平整，表面破壞程度小，無明顯凹坑，而聚氨酯95材料表面出現(xiàn)少量蜂窩狀針孔。因此彈性體60的耐汽蝕性能最為優(yōu)異，主要原因是其硬度較低，彈性較好，能夠有效緩沖試驗(yàn)過程中氣泡破裂產(chǎn)生的高頻沖擊，聚氨酯95材料則因硬度較高，出現(xiàn)少量針孔、坑穴。

2.2 磨蝕15 h試驗(yàn)

對(duì)彈性體60、聚氨酯72、聚氨酯95、高鉻合金鋼4種材料進(jìn)行磨蝕試驗(yàn)，含沙水介質(zhì)選用石英砂，質(zhì)量濃度25%。為便于介質(zhì)對(duì)試件進(jìn)行磨蝕，安裝后試件凸出轉(zhuǎn)盤表面一定高度。考慮到試件表面距轉(zhuǎn)盤表面的距離對(duì)試件磨蝕會(huì)有影響，選取材料距轉(zhuǎn)盤表面的距離為1，3，4 mm進(jìn)行3組試驗(yàn)。為更加直觀地對(duì)比4種材料的耐磨蝕性能，試驗(yàn)考察磨蝕15 h后4種材料體積損失，對(duì)比結(jié)果見圖3。

圖3 距轉(zhuǎn)盤表面不同凸出厚度下4種材料樣品體積損失

從圖3可以看出，3種凸出厚度下彈性體60的體積損失量最小，聚氨酯72略大，均表現(xiàn)出較好的耐磨性能。高鉻合金鋼的體積損失近似為聚氨酯72材料的2倍，磨蝕較嚴(yán)重。這是由于彈性體60和聚氨酯72材料彈性較好，可有效緩沖固液兩相流的直接磨蝕。聚氨酯95磨損體積損失較大，原因是其表面硬度相對(duì)較高，耐汽蝕與磨損性能較差。試驗(yàn)材料距轉(zhuǎn)盤表面凸出高度對(duì)不同材料間相對(duì)磨損性能基本沒有影響，4種材料其耐磨蝕性能高低順序?yàn)閺椥泽w60>聚氨酯72>高鉻合金鋼>聚氨酯95。

4種材料磨蝕15 h后表面形貌SEM照片見圖4。

圖4 4種材料磨蝕15 h后表面形貌SEM照片

從圖4可以看出，聚氨酯72與聚氨酯95表面出現(xiàn)少量摩擦劃痕，表面相對(duì)平整光滑。相比高鉻鋼，彈性體減弱了物料顆粒與材料表面的直接磨損，在減少能量耗散的同時(shí)起到緩沖、減震的效果。高鉻合金鋼表面形成較多犁溝，且溝槽較寬，這是顆粒與材料直接摩擦造成的。彈性體60表面出現(xiàn)較多魚鱗紋，在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)有整體掉落現(xiàn)象。

通過比較體積損失與表面三維形貌發(fā)現(xiàn)，彈性體材料表面劃痕不明顯，因此利用三維表面形貌儀測(cè)量3種材料的表面劃痕，對(duì)比材料表面的破壞程度。3種材料表面劃痕深度與寬度對(duì)比見表1，表面劃痕檢測(cè)結(jié)果見圖5。

表1 兩組材料表面劃痕深度與寬度對(duì)比 μm

圖5 3種材料三維表面形貌劃痕對(duì)比

由表1和圖5可知，3種不同硬度的彈性體材料經(jīng)15 h磨蝕后，表面均出現(xiàn)了不同程度的劃痕損傷，除聚氨酯95外，彈性體60和聚氨酯72的兩組劃痕數(shù)據(jù)基本一致，聚氨酯95材料兩組劃痕數(shù)據(jù)相差不大。從第1組數(shù)據(jù)可知，聚氨酯95材料表面劃痕較為嚴(yán)重，劃痕深15.24 μm，寬28.18 μm，彈性體60材料劃痕次之，聚氨酯72三維表面劃痕最小。材料表面劃痕微觀分析說明聚氨酯72材料的耐磨蝕性能最好。

3 結(jié) 論

就耐汽蝕性能而言，汽蝕70 h后，彈性體60材料耐汽蝕性能最佳，聚氨酯72材料次之，且兩者性能基本相同，聚氨酯95材料最差。就耐磨蝕性能而言，彈性體60材料與聚氨酯72材料磨蝕15 h后，磨蝕體積損失相差不大，而聚氨酯72材料的表面劃痕寬度與深度更小，性能更佳，但高鉻合金鋼與聚氨酯95材料體積損失較嚴(yán)重，耐磨蝕性能較差。總體而言，聚氨酯72材料耐汽蝕和磨蝕性能均比較優(yōu)異，將其應(yīng)用于大型泥泵內(nèi)圈襯板，能有效提高內(nèi)圈襯板壽命。

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