疏浚管道金屬材料沖蝕磨損性能*

王文魁 劉裕人 張晴波 胡京招 郭 濤

(中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司 上海 200082)

疏浚工程中常使用排泥管道將泥漿輸送到數(shù)公里之外，而泥水?dāng)y帶固體顆粒對管壁持續(xù)沖刷，造成壁面材料缺失的沖蝕磨損現(xiàn)象，當(dāng)磨損累積到一定程度將導(dǎo)致排泥管失效報廢。隨著疏浚行業(yè)規(guī)模擴(kuò)大，排泥管的需求量和隨之產(chǎn)生消耗量迅速增加，同時考慮管道維修、更換對施工進(jìn)度的影響，疏浚企業(yè)因疏浚管道維護(hù)而產(chǎn)生的施工成本迅速提升[1]。因此，疏浚公司對排泥管材料性能的要求越來越高，排泥管材質(zhì)由最初常用的Q235普通碳鋼逐漸發(fā)展為高鉻鑄鐵、熱軋雙層復(fù)合材料[2]、中錳鋼[3-5]等多種耐磨金屬材料，還出現(xiàn)了聚氨酯[6]等抗沖蝕性能優(yōu)異的非金屬材料應(yīng)用案例。

為選擇輸合理的送管道材質(zhì)，以提高疏浚管道的抗沖蝕性能，降低其維修和更換頻率，本文作者通過調(diào)研，選擇了幾款廣泛用于礦山、疏浚等行業(yè)[7]裝備的耐磨損材料，如高鉻鑄鐵、Fedur?合金、中錳鋼、信鉻鋼[8]等進(jìn)行耐磨性能對比。其中，F(xiàn)edur?合金是荷蘭公司GCC生產(chǎn)的一種熱軋雙層復(fù)合材料，其上層耐磨材料晶粒細(xì)密，硬度不小于62HRC；信鉻鋼是一種將碳化鉻硬質(zhì)顆粒通過堆焊等特殊制作工藝分布到奧氏體基體表面，形成的耐磨復(fù)合鋼板。文中將各材料樣品放置在磨料漿內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動而承受沖蝕磨損，采用對材料表面掃描電鏡觀測、磨損質(zhì)量比較等方式，對比各材料的耐磨性能，為排泥管用耐磨材料的合理選擇、管道維護(hù)甚至管道設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)MSH型試驗(yàn)機(jī)對樣品尺寸的要求，將可用于排泥管道的Q235鋼、Cr15白口鑄鐵、Cr26白口鑄鐵、Fedur?40合金、中錳鋼、信鉻鋼材料制備成8 mm×8 mm×65 mm的試塊樣品，依次編號為試樣1—6，樣品表面粗糙度Ra≤3.2 μm。每種材料至少制備15個樣品，分別用于30°、60°和90°沖蝕角度實(shí)驗(yàn)，每種沖蝕角度至少進(jìn)行有效重復(fù)實(shí)驗(yàn)5次。試樣1材料為Q235鋼，是常見排泥管道材料，文中用作參照對象。

將實(shí)驗(yàn)樣品安放在MSH型自由磨料式磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)內(nèi)，按圖1所示的實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)桶內(nèi)裝有體積分?jǐn)?shù)為15%的石英砂磨料漿液，石英砂粒徑為100～150目(即篩網(wǎng)孔徑106～270 μm)。樣品安裝于電機(jī)帶動的基座上，以1 470 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。若忽略漿液的伴隨旋轉(zhuǎn)，則樣品外緣承受的最大沖擊速度，即最大的漿液相對速度約為15 m/s。實(shí)際上泥漿伴隨樣品旋轉(zhuǎn)，但因表觀黏性較大而具有明顯低于樣品的周向伴隨速度。樣品承受的相對沖擊速度通常不大于7 m/s，接近輸泥管道中的真實(shí)情況。調(diào)整樣品相對周向的安裝角度，從而改變漿液對旋轉(zhuǎn)樣品的沖擊速度與樣品表面的夾角，即沖蝕角度。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置與沖蝕角度

實(shí)驗(yàn)前，所有樣品均用無水乙醇超聲波清洗2次，每次5 min，隨后在真空干燥箱內(nèi)100 ℃下干燥2 h后稱量質(zhì)量，然后置于干燥器內(nèi)保存待用。實(shí)驗(yàn)中，分別設(shè)定樣品的沖蝕角度為90°、60°和30°。首次磨損時間為4 h，后續(xù)磨損時間為2 h。實(shí)驗(yàn)后，樣品用無水乙醇超聲波清洗2次，在真空干燥箱100 ℃下干燥2 h后稱量質(zhì)量。樣品稱量儀器為德國Sartorius AG公司的BP211D型電子天平，精度0.01 mg。

2 抗磨損性能分析

2.1 磨損質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

表1給出了沖蝕角度分別為90°、60°、30°時，6種材料樣品在實(shí)驗(yàn)桶內(nèi)受到石英砂漿沖蝕4和6 h后的磨損質(zhì)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果?？梢姡瑳_蝕角度為30°時，試樣1的抗磨性能表現(xiàn)最差，其次為試樣3和5，試樣2、4和6的磨損質(zhì)量和磨損率相對較低；沖蝕角度為60°時，試樣1、3和5的磨損質(zhì)量相對較高，其次為試樣2和4，試樣6的磨損質(zhì)量依然相對最低；沖蝕角度為90°時，試樣1和3的磨損質(zhì)量相對較高，其次為試樣2、4和5，試樣6的磨損質(zhì)量相對最低。

表1 樣品材料的磨損質(zhì)量統(tǒng)計(jì)單位：mg

綜合比較3種沖蝕角度下的磨損質(zhì)量，可以發(fā)現(xiàn)，試樣2、4、6在不同沖蝕角下的磨損質(zhì)量相對其他3種材料較低，其中試樣4、6在30°沖蝕角下的4 h磨損質(zhì)量更低，但試樣6在90°沖蝕角下的4 h磨損質(zhì)量明顯少于試樣4。

2.2 累積磨損分析

定義單位沖蝕時間內(nèi)的磨損質(zhì)量為磨損率ω，按下式計(jì)算磨損率：

式中:Δm為磨損質(zhì)量，mg;Δt為沖蝕時間，s。

根據(jù)各試樣在30°、60°和90°沖蝕角度下的總磨損質(zhì)量和總沖蝕時間，得到綜合磨損率，如圖2所示?？梢姡嚇?外，其他試樣的4 h磨損率普遍高于6 h磨損率，這一結(jié)果與文獻(xiàn)得到的持續(xù)沖蝕下材料磨損率通常保持不變或隨表面粗糙度增加而增大的結(jié)果[9-10]不符，這可能是因?yàn)槭⑸皾{在實(shí)驗(yàn)桶內(nèi)沖蝕樣品4 h后，粒度變小、形狀變圓，導(dǎo)致了其磨損能力下降?？紤]到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是多次實(shí)驗(yàn)測量得到的平均值，排除試樣5的單次樣品缺陷或?qū)嶒?yàn)誤差的作用，可認(rèn)為試樣5存在明顯的持續(xù)沖蝕導(dǎo)致磨損率增加的現(xiàn)象，可能不適合用于管道等長期承受沖蝕磨損設(shè)備。

圖2 各試樣在30°、60°和90°沖蝕角度下的綜合磨損率

圖2中，試樣6在3種沖蝕角度下的綜合磨損率最低，即其耐石英砂漿沖蝕磨損的綜合性能最優(yōu)，4 h綜合磨損率約為1.411×10-2mg/s，6 h綜合磨損率約為1.366×10-2mg/s。其次為試樣2、4，兩者6 h綜合磨損率非常接近，約為1.55×10-2mg/s，但試樣4的4 h綜合磨損率更小，約為1.666×10-2mg/s，說明試樣4在磨料顆粒更小、更圓潤的4～6 h區(qū)間段內(nèi)損失了更多的質(zhì)量。據(jù)此推測，相較于試樣2，試樣4抵抗較大、較尖銳石英砂的能力較強(qiáng)，而抵抗持續(xù)沖蝕的能力相對較差。

2.3 沖蝕角度影響

材料受宏觀硬度、韌性及微觀結(jié)晶組分分布等因素影響，在不同的沖蝕角度下的磨損程度也不相同。圖3給出了各材料在不同沖蝕角度下的磨損率對比，可見各種材料的磨損質(zhì)量受沖蝕角度影響明顯。需要指出的是，水流沖擊樣品棒時會繞過樣品，在其表面“鋪展”形成水膜，由于水與石英砂粒的密度差異并不懸殊，砂粒會受到水流速偏轉(zhuǎn)及樣品表面液膜阻礙的影響，實(shí)際的平均沖擊角度會小于樣品與周向的安裝角度[11]。

圖3 各試樣在不同沖蝕角度下的平均磨損率對比

由圖3中可見，試樣1在60°沖蝕角下的4 h平均磨損率明顯小于30°、90°沖蝕角情況，但這種差異在6 h的持續(xù)磨損下減小。這可能是因?yàn)樵摬牧系挚估绺睢⑶邢鳛橹鞯男〗嵌葲_蝕能力與抵抗撞擊、沖鑿為主的大角度沖蝕能力均不出色，而90°沖蝕角的磨損率明顯高于60°沖蝕角的情況，可能是硬質(zhì)磨料顆粒的濺射導(dǎo)致了二次切削磨損[12]，也可能是大角度沖擊導(dǎo)致顆粒克服鋪展作用而穿透水膜的能力更強(qiáng)。除試樣1外，其他試樣的磨損率均隨沖蝕角的增加而增大，這是因?yàn)槟湍ソ饘俨牧媳旧碛捕容^大而韌性相對較差，抗犁割、切削的能力相對強(qiáng)于抗沖擊能力。

圖3(b)中，試樣2、4、6在30°、60°沖蝕角度下的6 h磨損率相對較小且相近，三者在30°沖蝕角的磨損率約為1.24×10-2mg/s，60°沖蝕角的磨損率約為1.40×10-2mg/s。試樣4在30°沖蝕角度下的4 h磨損率最低，約為1.080×10-2mg/s，試樣6在60°沖蝕角度下的4 h磨損率最低，約為1.158×10-2mg/s。在90°沖蝕角度下，試樣2、4、6的磨損率均有明顯增大，其中試樣6的4及6 h磨損率均最低，分別為1.938×10-2和1.448×10-2mg/s，較30°沖蝕角下分別提升了71%與15%。這說明相對其他脆硬性材料試樣，試樣6對抗大角度沖蝕的能力更強(qiáng)。

3 表面微觀分析

鐵合金材料的微觀晶相是不均勻的，各材料表面錯落分布著合金碳化物、回火馬氏體等硬質(zhì)晶相組分及奧氏體等相對較軟的晶相組分。石英砂漿沖蝕材料時，砂粒沖向材料表面的速度可分解為切向速度與法向速度。其中切向速度在材料表面上較軟處形成犁溝或顯微切削，導(dǎo)致軟質(zhì)材料直接脫離；法向速度的沖鑿撞擊產(chǎn)生凹坑，致使軟、硬銜接部分出現(xiàn)裂紋，并導(dǎo)致沖鑿坑附近的軟質(zhì)組分發(fā)生微觀塑性變形。

使用SEM觀察石英砂漿沖蝕6 h后的各材料試樣的磨損表面形貌。圖4—6分別給出了30°、60°、90°沖蝕角下各試樣的磨損表面形貌。

圖4中，各試樣表面存在較多、較長的切削溝槽以及剮蹭痕跡，同時也存在部分鑿擊坑以及不連續(xù)的凹凸臺階，說明30°沖蝕角下，由于沖擊速度的切向分量大于法向分量，沖蝕磨損機(jī)制以顯微切削為主，同時伴有局部的疲勞剝落磨損。圖5中，切削、剮蹭痕跡的長度有變短的趨勢，試樣表面出現(xiàn)了更多的沖擊鑿坑，且塑性變形所導(dǎo)致的疲勞脫落流失區(qū)域所占比例擴(kuò)大，說明此時的磨損機(jī)制中塑性疲勞斷裂占主導(dǎo)。圖6中，試樣表面出現(xiàn)連續(xù)的撞擊凹坑，切削溝槽與剮蹭痕跡進(jìn)一步減少，材料表面嚴(yán)重坑洼不平，此時的磨損機(jī)制中沖鑿導(dǎo)致脆性破壞與塑性變形累積導(dǎo)致的疲勞斷裂占主導(dǎo)。

結(jié)合圖4—6的結(jié)果，與文獻(xiàn)中對脆、韌性金屬磨損的相關(guān)理論、經(jīng)驗(yàn)[8,13-15]，可以得到耐磨金屬材料承受沖蝕磨損過程的一種合理解釋：顆粒的犁割作用會導(dǎo)致合金中偏軟的晶相組分直接被切削掉，而顆粒的沖擊作用會導(dǎo)致軟質(zhì)組分塑性變形，變形逐漸累積到極限后會導(dǎo)致微觀斷裂，2種作用共同致使軟質(zhì)晶相組分從材料表面剝離，而且材料的表面粗糙度的增加可能會加速這一現(xiàn)象；合金中的硬質(zhì)晶相組分則因裂紋、撞擊破碎、周圍起支撐作用的軟質(zhì)組分被剝離等因素而松動，然后在顆粒的撞擊下脫落。

圖4 沖蝕角30°下各試樣的SEM表面形貌

圖5 沖蝕角 60°下各試樣的SEM表面形貌

圖6 沖蝕角 90°下各試樣的SEM表面形貌

4 結(jié)論

通過對多種材料進(jìn)行3種角度的石英砂漿沖蝕實(shí)驗(yàn)，得到主要結(jié)論如下：

(1)僅考慮抗沖蝕能力，信鉻鋼對抗實(shí)驗(yàn)?zāi)チ系木C合表現(xiàn)最好，而Fedur?40合金在中、小沖蝕角度下的表現(xiàn)也很好。因此，選擇排泥管材料時，應(yīng)該綜合考慮材料的成本、加工性能、輸送的磨料、可能沖蝕角度等多種因素。

(2)在石英砂漿沖蝕下，各種耐磨金屬材料均呈現(xiàn)出隨沖蝕角增加而抗磨損性能下降的趨勢。除中錳鋼之外，實(shí)驗(yàn)中其余材料的6 h磨損率均低于4 h磨損率，這可能是長時間磨損使得磨料粒度減小、形狀變圓的緣故。中錳鋼材料存在明顯的持續(xù)沖蝕導(dǎo)致磨損率增加的現(xiàn)象，可能不適合用于管道等長期承受沖蝕磨損設(shè)備。

(3)SEM分析表明，各種耐磨金屬材料同時承受多種磨損作用，合金材料中起支撐作用的軟質(zhì)組分容易因切削、塑性疲勞斷裂等因素而被剝離，而較硬的碳化物等組分則在松動后容易被顆粒撞擊脫落。