順丁橡膠裝置堿洗系統(tǒng)堿液循環(huán)泵葉輪失效研究

秦開武

（中國石油四川石化有限責(zé)任公司，四川 成都 611930）

隨著我國工業(yè)化水平的不斷提升，離心泵在我國化工企業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的頻率越來越高，并逐漸成為保障化工企業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。因此，在化工企業(yè)的日常工作中，要重視離心泵的維護(hù)保養(yǎng)及故障處理，在離心泵故障發(fā)生后，能夠及時(shí)查明原因并有效解決，確保離心泵穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而保證化工企業(yè)生產(chǎn)安全穩(wěn)定運(yùn)行。順丁橡膠裝置堿洗系統(tǒng)堿液循環(huán)泵P-2020A/S是化工企業(yè)生產(chǎn)過程中常用的一種離心泵，其主要是用于輸送、循環(huán)和提升裝置纖維膜堿洗系統(tǒng)循環(huán)低濃度堿液。

1 堿液循環(huán)泵的構(gòu)成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

順丁橡膠裝置堿液循環(huán)泵為離心泵，主要由葉輪、泵體、泵軸、軸承、密封墊圈及填料函等組成。其中，葉輪是堿液循環(huán)泵內(nèi)部的關(guān)鍵過流部件，也是其能量轉(zhuǎn)換的核心部件，在葉輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)的作用下，使得流體介質(zhì)產(chǎn)生離心作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸送液體的目的；泵體也稱為泵殼，是用以固定泵軸及其他部件的功能性裝置，也是連接葉輪與外部電機(jī)的傳動(dòng)部件；軸承主要是用以確保泵軸正常滾動(dòng)、滑動(dòng)的支撐構(gòu)件；密封圈主要是設(shè)置在泵體與葉輪之間的間隙，起到預(yù)防泵殼滲水的重要作用；填料函主要是填入泵軸與泵殼之間的間隙，并使水泵處于真空狀態(tài)。

1.2 工作原理

在堿液循環(huán)泵工作流程中，主要是利用葉輪所產(chǎn)生的離心作用來實(shí)現(xiàn)液體傳輸，其工作原理主要是：在外部電機(jī)提供電力后，堿液循環(huán)泵的葉輪在泵軸的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的離心力。而在葉輪離心作用下，葉輪上的液體隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)進(jìn)入壓水管道中，同時(shí)，在葉輪中心區(qū)域形成一個(gè)真空區(qū)域，此時(shí)，在內(nèi)外壓力差的作用下，液體進(jìn)入泵體中，通過如此反復(fù)來實(shí)現(xiàn)液體的傳輸。

2 堿液循環(huán)泵葉輪失效機(jī)理分析

葉輪是堿液循環(huán)泵中重要的過流部件，而泵類過流部件磨損失效是通常由多種因素相互影響導(dǎo)致，并且在不同的工況條件下，葉輪的磨損機(jī)理也不同。實(shí)際觀察和分析磨損件，泵類過流件的磨損機(jī)理主要分為沖蝕磨損、空蝕損失和腐蝕這三大類。

葉輪是堿液循環(huán)泵內(nèi)部關(guān)鍵部件之一，同時(shí)，也是運(yùn)行過程中最容易出現(xiàn)損壞的部件。隨著葉輪的高速旋轉(zhuǎn)，所形成的離心力會(huì)使得泵內(nèi)的堿液對葉輪產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷，在達(dá)到一定條件時(shí)，堿液還可能會(huì)出現(xiàn)氣化的現(xiàn)象，繼而引起葉輪空蝕現(xiàn)象。

從性質(zhì)上看，堿液循環(huán)泵葉輪所產(chǎn)生的空蝕現(xiàn)象，屬于液體流動(dòng)力學(xué)范疇。而導(dǎo)致這一現(xiàn)象產(chǎn)生根本原因在于堿液在流動(dòng)時(shí)有局部壓力降的情況出現(xiàn)，由此形成了低壓區(qū)。當(dāng)堿液循環(huán)泵吸入口出的壓力與其溫度下飽和蒸氣壓一致時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)液體沸騰汽化的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生大量的氣泡。而在氣泡從低壓區(qū)流動(dòng)至高壓區(qū)時(shí)，又會(huì)受到周圍高壓液體的作用而迅速縮小凝結(jié)，最終完全破裂。由于這一過程非常迅速，在氣泡破裂出還會(huì)形成局部真空，隨著周圍壓力的變化，導(dǎo)致液體對這一局部真空形成較大的沖擊力。通常氣泡的體積并不大，所以會(huì)集中在與氣泡接觸到零件微小表面上形成沖擊力。材料避免由于受到頻繁的高壓荷載作用，其表面出現(xiàn)呈現(xiàn)出疲勞損壞，同時(shí)，若形成的氣泡中含有大量的氧氣，還會(huì)對金屬材料造成強(qiáng)烈的氧化腐蝕。除此之外，泵內(nèi)液體所產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊力，還會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能和氣泡凝結(jié)的熱能，這樣一來，就會(huì)使得氧化腐蝕現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，最終使得葉輪有嚴(yán)重的損壞繼而徹底失效。

3 實(shí)證分析

為更加直觀地對葉輪空蝕失效機(jī)理進(jìn)行分析研究，對順丁橡膠裝置的堿液循環(huán)泵P-2020A/S進(jìn)行分析。在定期大修時(shí)，發(fā)現(xiàn)堿液循環(huán)泵P-2020S的葉輪出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕，見圖1。

圖1 堿液循環(huán)泵P-2020S前后蓋本損壞情況

該臺(tái)堿液循環(huán)泵的葉輪為閉式葉輪，由前后蓋板和4個(gè)葉片構(gòu)成，葉輪的規(guī)格為Ф198mm，轉(zhuǎn)速2390r/min；葉輪材質(zhì)為鑄鋼，汽蝕余量2.9m，揚(yáng)程35m于2017年年底纖維膜堿洗系統(tǒng)開車時(shí)同時(shí)投用。

3.1 檢測分析

在進(jìn)行泵類葉輪失效檢測分析時(shí)，主要采用的檢測分析方法有宏觀分析及低倍顯微鏡觀察、化學(xué)成分分析、無損探傷檢測、金相分析、掃描電鏡與能譜分析等。

（1）宏觀分析及顯微鏡觀察。通過觀察圖1可得知，該臺(tái)堿液循環(huán)泵的葉輪有明顯的腐蝕情況，具體表現(xiàn)為葉輪前后蓋板及葉片因受到腐蝕作用而逐漸變薄，同時(shí)還出現(xiàn)了大面積的穿孔現(xiàn)象。其中，相對來說，葉輪前蓋板及葉片的損壞程度要比后蓋板的損壞程度輕一些。而觀察葉輪表面的損壞情況，發(fā)現(xiàn)其損壞形式主要呈蜂窩狀蝕坑。隨著時(shí)間的推移，這類蝕坑不斷發(fā)生、發(fā)展，勢必會(huì)使得葉輪損壞程度進(jìn)一步加劇，進(jìn)而導(dǎo)致葉輪呈現(xiàn)出流體空蝕和沖蝕的失效狀態(tài)。另外，在葉輪高速旋轉(zhuǎn)的作用下，若已經(jīng)出現(xiàn)空蝕，葉輪的腐蝕速度還會(huì)進(jìn)一步加快，此時(shí)，葉輪表面更加粗糙，又會(huì)使得液體空蝕和沖蝕作用增強(qiáng)，在如此惡性循環(huán)的作用下，最終導(dǎo)致葉輪損壞而徹底失效。

（2）化學(xué)成分分析?；瘜W(xué)成分分析也是金屬材料試驗(yàn)檢測分析中常用的一種方法。在具體的分析中，先進(jìn)行葉輪區(qū)塊試樣，之后依據(jù)GB/T23942-2009《化學(xué)試劑電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法通則》這一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使用光譜儀進(jìn)行葉輪材質(zhì)的化學(xué)分析，分析結(jié)果見表1。從表1中可得知，葉輪材質(zhì)為鑄鋼，并符合ZG230-450鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 葉輪材質(zhì)化學(xué)分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

（3）無損探傷檢測。通過宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，葉片的表面具有明顯的腐蝕坑，為進(jìn)一步判斷葉片內(nèi)部的缺陷，先對損傷的葉片進(jìn)行清洗，將表面腐蝕物質(zhì)去除后，采用超聲波無損探傷檢測法進(jìn)行葉片檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部存有許多深淺不一、大小不一的孔洞。同時(shí)，切開部件后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部剖側(cè)面存有許多密密麻麻黑色的鑄造孔洞。

（4）金相分析。金相分析是金屬材料試驗(yàn)研究過程中重要手段之一，在檢測分析堿液循環(huán)泵葉輪過程中，也采用了金相分析這一研究方式，主要用于分析葉輪前蓋板的狀況。首先，是在葉輪的前蓋板上取金相樣品，之后通過預(yù)磨、拋光腐刻等工序后，將其放在顯微鏡下進(jìn)行觀察分析。圖2為堿液循環(huán)泵P-2216S葉輪金相組織，其主要是由白色塊狀鐵素體和黑色珠光體組成。通過金相分析可得知，葉輪的前蓋板內(nèi)外表面未有明顯的腐蝕物質(zhì)附著，但是，存在許多大小不一的腐蝕坑，正因?yàn)檫@些腐蝕坑的存在，使得葉輪前蓋板表面凹凸不平，而且非常粗糙。這些腐蝕坑的存在，主要是由液體的空蝕和流蝕引起的。

圖2 堿液循環(huán)泵P-2216S葉輪前蓋板金相組織

（5）掃描電鏡與能譜分析。掃描電鏡主要是用于分析葉輪前蓋板內(nèi)外表面的損壞情況。具體的情況可見圖3所示。從圖3中可得知，在葉輪前蓋板表面上，有著許多大小不一葉的腐蝕坑，且磨損形式為蜂窩狀。同時(shí)，從能譜分析中可得知，在葉輪前蓋板表面上主要存在Fe、O、C、Na、Mg、Mn、Cr這些元素，這些元素均為鐵的氧化物。即便在葉輪表面并沒有如CI、S這些較強(qiáng)腐蝕性的元素，但是卻有較高含量的氧。伴隨著溶解氧的作用，會(huì)使得葉輪金屬表面的化學(xué)腐蝕作用進(jìn)一步加劇，進(jìn)而導(dǎo)致葉輪金屬表面發(fā)生及發(fā)展麻點(diǎn)。

圖3 堿液循環(huán)泵P-2216S葉輪前蓋板外表面的情況

3.2 檢測結(jié)論

通過上述的檢測分析得知，導(dǎo)致葉輪失效的原因，主要是材料抗腐蝕性較差。一方面，表現(xiàn)為葉輪的材質(zhì)為鑄鋼；另一方面，則是葉輪金相組織為白色塊狀鐵素體和黑色珠光體，而在葉輪工作期間，泵內(nèi)流體介質(zhì)（堿液）會(huì)對葉輪產(chǎn)生空蝕和沖蝕破壞，此時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致葉輪的前后蓋板和葉片等受到嚴(yán)重的化學(xué)腐蝕作用，而且在腐蝕作用下，材料會(huì)逐漸變薄直到穿孔而失效。另外，在表面高含量的溶解氧作用下，會(huì)進(jìn)一步加劇流體介質(zhì)的空蝕破壞。

4 建議

基于堿液循環(huán)泵葉輪失效的機(jī)理及失效原因的基礎(chǔ)上，以下從提高泵體抗空蝕性能、提高葉輪本身抗空蝕性能這兩個(gè)方面提出具體的建議。

4.1 提高泵體抗空蝕性能

從上述分析中得知，空蝕破壞是導(dǎo)致堿液循環(huán)泵葉輪失效的主要原因之一。因此，為確保堿液循環(huán)泵葉輪得以正常運(yùn)行，有必要提高堿液循環(huán)泵本身的抗空蝕能力。具體可以通過改變?nèi)~輪入口流速、優(yōu)化設(shè)計(jì)葉輪入口尺寸以及調(diào)整葉片數(shù)量的方式，從而提高泵體的抗空蝕性能。

4.2 葉輪材質(zhì)升級

從堿液循環(huán)泵葉輪失效的原因來看，還需要進(jìn)一步提高葉輪的抗空蝕性能，降低空避破壞。在上述分析中，葉輪材質(zhì)為鑄鋼，較容易受到化學(xué)腐蝕的作用。為此，可通過更換為不銹鋼或雙相鋼，來增強(qiáng)葉輪的抗空蝕性能。同時(shí)，也需要加強(qiáng)葉輪表面的處理，在上述分析中得知，該堿液循環(huán)泵葉輪損壞主要發(fā)生在表面，為此就需要采用表面工程技術(shù)來強(qiáng)化葉輪的修復(fù)，這既能夠節(jié)約大量貴重的材料，也能夠讓腐蝕損壞程度嚴(yán)重的部位得以很好的保護(hù)，同時(shí)，還能夠有效解決設(shè)備制造過程中的工藝問題。具體可以通過表面噴涂、鍍覆耐磨腐蝕層等方法來進(jìn)行修復(fù)處理。其中，可以在葉輪表面涂刷高分子陶瓷材料，不僅能夠有效解決機(jī)械磨損、化學(xué)腐蝕和汽蝕的問題，也能修復(fù)葉輪表面質(zhì)量，從而改善葉輪的運(yùn)行狀態(tài)，延長葉輪的使用壽命。這是因?yàn)樘沾刹牧媳旧砭哂刑烊坏膬?yōu)秀物理和化學(xué)性能，不會(huì)受堿液中腐蝕性成分的腐蝕，而且耐腐蝕性能要優(yōu)于合金材料，另外，陶瓷的硬度也非常高，如此一來，也能有效緩解流體的沖蝕作用，不至于出現(xiàn)膠結(jié)涂層整塊脫落的現(xiàn)象，進(jìn)而從根本上保證材料的工作能力。

另外，考慮空蝕過程涉及材料、流體力學(xué)及電化學(xué)等多個(gè)學(xué)科，為有效應(yīng)對空蝕破壞，未來還需要進(jìn)一步加強(qiáng)新型抗空蝕材料的研究，由此進(jìn)一步提高金屬材料的抗空蝕性能。