潛水排污泵的失效分析及改進(jìn)措施|資料

通過對QW型雙流道潛水排污泵葉輪失效原因進(jìn)行分析，得出潛水排污泵葉輪產(chǎn)生磨損的主要原因是因高速含固體顆粒的水流對過流部件的磨損破壞和汽蝕與磨損的聯(lián)合破壞的結(jié)果，根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的解決方案。按此方案對該泵進(jìn)行綜合改造后，經(jīng)運(yùn)行半年后解體觀察，葉輪部分無明顯腐蝕，效果良好，達(dá)到預(yù)期效果。

引言

QW型潛水排污泵是一種泵與電機(jī)聯(lián)體，一起潛入液下工作的泵。與一般臥式或立式污水泵相比，潛水排污泵明顯具有以下優(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水池內(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。小型的潛水排污泵可以自由安置，大型的排污泵一般都配有自動(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。

(3)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長。潛水排污泵由于泵和電機(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，對環(huán)境無污染。

正是由于上述優(yōu)點(diǎn)，潛水排污泵受到人們的青睞，使用的范圍也越來越廣，由原來單純地用來輸送清水到現(xiàn)在可以輸送各種生活污水、工業(yè)廢水、建筑工地排水、液狀飼料等。在市政工程、工業(yè)、醫(yī)院、建筑、飯店、水利建設(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

某污水處理廠用的QW型雙流道潛水排污泵使用7~9個(gè)月時(shí)，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)為生活污水，微帶酸性；含有固體顆粒。

表1鑄鐵的化學(xué)成分(按質(zhì)量計(jì)，％)

2、腐蝕特征

2.1、葉輪腐蝕

潛水排污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水流的流動(dòng)方向。葉輪口環(huán)的徑向圓周面出現(xiàn)半圓形的沖刷坑。葉輪出水側(cè)葉片和隔板減薄嚴(yán)重，外緣呈參差不齊的刀刃狀。

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。殼體腐蝕如圖2所示。

3、葉輪失效原因分析

從宏觀上分析，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，即高流速污水中固體顆粒的磨削作用加速了材料表面的腐蝕，從圖1可以看出，葉輪存在明顯的磨削區(qū)、沖擊區(qū)和汽蝕區(qū)。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。

圖1葉輪磨蝕破壞實(shí)況圖

2泵體磨蝕破壞實(shí)況

3.1、固體顆粒對磨蝕的影響

污水中的固體顆粒是加速潛水排污泵過流部件磨蝕的主要原因，通過水流相對速度和汽蝕作用產(chǎn)生磨蝕破壞。在高速含固體顆粒水流中具有一定動(dòng)能的硬質(zhì)沙粒對過流部件表面反復(fù)沖擊和切削形成磨損，固體顆粒對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，固體顆粒對過流部件的磨損主要是通過水流相對速度的作用而產(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)性與清水有很大的差別，含固體顆粒水流的粘性降低，抗斷裂性差，增加了空泡產(chǎn)生概率。其次，固體顆粒中會(huì)夾帶氣泡植入水中增加水中汽核，使汽蝕發(fā)生概率上升。另外，固體顆粒與水的質(zhì)量、慣性力有明顯的差異，固體顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡偏離水流流線使流場發(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，水流回流發(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。

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)，含固體顆粒水流的汽蝕強(qiáng)度是清水汽蝕強(qiáng)度的4-16倍，國內(nèi)同型泵在清水和渾水中的運(yùn)行資料分析也證實(shí)了這一結(jié)論。在葉片導(dǎo)流部分，水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；在葉輪入水側(cè)葉片的前端，水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水流的反復(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)的葉輪將污水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)域的背水一側(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，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：

圖2

圖3

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，減少水流相對速度，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。

(二)是提高葉輪的表面光潔度，以減少空泡和氣穴的形成。

(三)是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。

(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)、耐水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

按此方案對該泵進(jìn)行綜合改造后，運(yùn)行半年后，解體后如圖3所示，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，潛水排污泵產(chǎn)生磨蝕的主要原因是高速固體顆粒水流對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水流相對速度。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。對于汽蝕破壞，可通過優(yōu)化水力設(shè)計(jì)得以防止。