泥泵兩種常用材料的耐磨性能和抗沖擊性能試驗研究

陳功，鄭琳珠，陳永梅，楊鵬莉，王文魁

（中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

挖泥船泥泵是用來輸送含有固體物料（砂、石）的設(shè)備。葉輪、泵殼、襯板作為泥泵的過流部件，一方面受到泥沙、石塊的沖擊作用，另一方面承受著固體物料的連續(xù)磨損，工作環(huán)境惡劣[1]。沖擊和磨損大大縮短了泥泵的使用壽命，增大了維修、更換頻率，降低疏浚作業(yè)效率。近年來，我國加大對泥泵耐磨材料的研究，尋找影響磨損量的因素，試圖延長泥泵過流部件的使用壽命。

挖泥船泥泵的通流介質(zhì)是固體顆粒和水的混合物。按照通流介質(zhì)與過流部件的沖擊形式可分為大角度沖擊磨損、小角度剝蝕、研磨破壞三種方式[2]。泥漿從葉輪吸口進(jìn)入，速度方向由軸向變?yōu)閺较颍~墻中心附近承受了改變泥漿速度方向的沖擊力，是大角度沖擊磨損。泥漿和葉輪工作面產(chǎn)生相對運動時，由于葉輪的流線型設(shè)計決定了磨損是以小角度剝蝕為主，而泥漿進(jìn)入葉墻和耐磨襯板之間，主要以研磨破壞為主。同時，由于蝸殼內(nèi)流道的平滑設(shè)計避免了泥漿對內(nèi)壁的大角度沖擊，均是小角度的切削磨損。綜上，由于泥漿和各個過流部件接觸方式不同，不同過流部件以及同一過流部件不同部位的磨損方式存在一定差異。為了定量比較這種差異，需研究泥漿沖擊過流部件的角度對磨損的影響。

鎳硬鑄鐵、天然橡膠、聚氨酯、陶瓷等均是良好的耐磨材料[2]，然而泥泵過流部件除了具備良好的耐磨性能外還需滿足一定的強度、剛度、抗沖擊性能要求以及價格合理等條件。例如鎳硬鑄鐵對大角度沖擊較敏感，并且造價昂貴；天然橡膠剛性差；陶瓷脆性較大，對大顆粒的沖擊非常敏感，造價較高[1]；聚氨酯等軟性材料強度、剛度低，無法成為受力構(gòu)件。高鉻鑄鐵耐磨、強度和抗沖擊性能較好，因此成為泥泵的首選材料。另外，考慮到鉻鉬合金鋼相對高鉻鑄鐵鑄造工藝難度較低、鑄造后不易開裂的特點，一些疏浚公司常使用鉻鉬合金鋼作為葉輪、泵殼的材料。綜上，高鉻鑄鐵以及鉻鉬合金鋼為泥泵過流部件的常用材料。

為了定量比較兩種材料的不同，研究其對小角度剝蝕和大角度沖擊的耐受能力，以鉻鉬合金鋼、高鉻鑄鐵為研究對象，以普通材料45號鋼作為對照，通過磨損試驗比較鉻鉬合金鋼、高鉻鑄鐵的耐磨性能。

1 管道沖刷耐磨試驗

泥泵內(nèi)部流道的磨損不同于干摩擦，因此干摩擦磨損試驗不能代表泥泵磨損的實際情況，必須尋找到一種流體磨粒磨損的方案，通過控制和調(diào)整磨粒的濃度、速度以及沖擊角度模擬泥泵內(nèi)部復(fù)雜的條件。

固液兩相流的管道沖刷試驗和泥泵內(nèi)部的磨損原理類似，由圖1所示，由一臺渣漿泵提供動力，驅(qū)動介質(zhì)（砂子和水的混合物）流過由不同材料構(gòu)成的管道系統(tǒng)一定時間后，通過不同管道的重量變化比較不同材料的耐磨性能。試驗時，固液兩相介質(zhì)形成回路，通過介質(zhì)對試驗管內(nèi)壁的不斷沖刷來磨損管道，隔一段時間，試驗管分別拆卸，烘干稱重，通過對比磨損前后質(zhì)量變化得到相對磨損量大小[3]。試驗介質(zhì)與泥漿相似，且介質(zhì)的體積濃度可根據(jù)試驗要求調(diào)節(jié)。管道內(nèi)介質(zhì)的流態(tài)雖與泥泵內(nèi)不同，但可通過調(diào)整流速、設(shè)計不同角度的彎管等措施得到與泥泵相似的流動工況，模擬小角度切削以及大角度沖擊。因此，此試驗方法適合研究材料對泥泵磨損的影響。

為了模擬小角度剝蝕和大角度沖擊，設(shè)計了直管、30°、60°和90°的彎管，如圖1~圖2所示。圖1中試驗管路按進(jìn)水口到出水口的順序依次是45號鋼直管、4種角度（90°、60°、30°、直管）35CrMo管、4種角度（90°、60°、30°、直管）洛氏硬度為 45的高鉻鑄鐵管、4種角度（90°、60°、30°、直管）洛氏硬度為55的高鉻鑄鐵管。彎管流道長度與直管相同，且內(nèi)壁直徑相同，管道內(nèi)部介質(zhì)的流速和濃度均相等。試驗用砂采用粗砂，體積濃度30%時，密度為1.3 g/cm3。

圖1 管道沖刷試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Pipe′sabrasion testsystem

圖2 管道沖刷耐磨試驗Fig.2 Pipe′sabrasion testphoto

1.1 試驗裝置

1）電機：三相異步電動機；功率11 kW；轉(zhuǎn)速1 460 r/min；

2） 泵：揚程21 m；流量 40 m3/h；轉(zhuǎn)速1 450 r/min；

3） 試驗管路；

4）料斗、封水泵、儲水桶、稱重儀（精度為±1 g）、吹風(fēng)機、粗砂、量筒等。

1.2 試驗步驟

安裝前測量每根管子的質(zhì)量，往料斗、儲水桶內(nèi)加滿水。開啟電機，打清水檢查管路泄漏情況。正常運轉(zhuǎn)后往料斗里加砂至體積濃度30%。每隔2 h，測量沙子濃度1次。濃度降低立刻加沙至30%濃度。砂水混合物在管道中運行50 h后，測量管子重量3次，分別記錄。稱量前后需將管路內(nèi)外側(cè)沖洗干凈，晾干直到連續(xù)3次稱量重量不再發(fā)生變化為止（±1 g）。

1.3 試驗結(jié)果及分析

試驗用管道內(nèi)壁等厚，長度相等，材料的耐磨性能用體積的變化量衡量。由于高鉻鑄鐵、35Crmo、45號鋼密度近似，只需用重量的變化量衡量材料的磨損量[2]。

1.3.1 不同材料的耐磨性比較

比較磨損50 h后，不同材料的四直管的重量，如表1所示。

表1 四直管的重量變化比較Table1 W eight change of four straight pipesg

由表1可見，磨損前后重量差值由大到小依次是45鋼、35CrMo、高鉻鑄鐵（HRC45）、高鉻鑄鐵（HRC55）。因此，材料的耐磨性能依次是高鉻鑄鐵（HRC55）＞高鉻鑄鐵（HRC45）＞35CrMo＞45號鋼。試驗中，35CrMo、高鉻鑄鐵（HRC45）、高鉻鑄鐵（HRC55）的磨損量分別是45號鋼的60%、45%、30%。

由表2比較90°彎管的3種材料的磨損量，可見：相對直管，高鉻鑄鐵和35Crmo的磨損量均增加， 35CrMo的磨損量是高鉻鑄鐵（HRC45）的2.3倍，是高鉻鑄鐵（HRC55） 的3.5倍。

表2 3種材料的90°彎管的磨損量比較Table2 W ear com parison of 90°elbow of threematerials g

1.3.2 同一材料不同沖擊角度的耐磨性能比較

比較同一種材料（35CrMo或高鉻鑄鐵）4種沖擊角度的重量變化情況如表3、表4所示。

表3 35CrM o 4種沖擊角度管道的重量比較Table 3 W eight comparison of four im pactangelof 35CrM o g

表4 高鉻鑄鐵（HRC45）4種沖擊角度管道的重量比較Table 4 W eight com parison of four im pactangelof high-chrom ium iron(HRC45)g

由表 3、表 4可見，35CrMo或高鉻鑄鐵（HRC 45）4種沖擊角磨損量大小依次是90°＞60°＞30°＞直管。35CrMo 90°、60°、30°彎管的磨損量分別是直管的5.3倍、3.2倍、2.7倍。高鉻鑄鐵（HRC 45） 90°、60°、30°彎管的磨損量分別是直管的3倍、2.7倍、2.1倍?？梢?，在同一管道系統(tǒng)中，沖擊角度越大，磨損量越大。因此，在同一濃度和速度條件下，大角度沖擊的磨損大于小角度剝蝕，兩者的差值隨材料的不同而不同。例如，本試驗中35CrMo 90°彎管的磨損量是直管的5.3倍，而高鉻鑄鐵則為3倍。

1.3.3 同一材料（高鉻鑄鐵）不同硬度的比較

對比同一材料（高鉻鑄鐵）同一沖擊角度不同硬度（洛氏硬度分別為45和55）的磨損量，硬度高的耐磨性能好，數(shù)據(jù)如表5和表6所示。

表5 高鉻鑄鐵（HRC45）不同角度的磨損量Table 5 W ear of differentangelof high-chrom ium iron（HRC45）g

表6 高鉻鑄鐵（HRC55）不同角度的磨損量Table 6 W ear of differentangelofhigh-chrom ium iron(HRC55）g

2 高鉻鑄鐵和35CrM o沖擊性能比較

泥泵葉輪和泵殼除具備一定耐磨性能以外，還需具備一定的抗拉強度和抗泥沙沖擊性能[4-5]。按照GB/T 228.1—2010用35CrMo和高鉻鑄鐵經(jīng)過熱處理制成標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行抗拉試驗。按照GB/T 229—2007金屬夏比缺口沖擊試驗進(jìn)行抗沖擊性能測試。實驗利用擺錘打擊試樣，計算試樣斷裂的沖擊吸收功。此類似于泥泵泵殼和葉輪受到泥沙和碎石的沖擊而局部斷裂。吸收沖擊功的大小反應(yīng)材料抗沖擊性能大小。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)試驗，3種材料力學(xué)性能如表7所示。

表7 3種材料抗拉強度和沖擊吸收功Table 7 Threematerials′tensile strength and im pactenergy

由表7可見，35CrMo的抗拉強度比高鉻鑄鐵高，抗沖擊性能是高鉻鑄鐵的4.5倍。高鉻鑄鐵（HRC45）的抗沖擊性能比高鉻鑄鐵（HRC55）的抗沖擊性能略高。

3 兩種材料在工程船實際應(yīng)用對比

“新海鯤”絞吸挖泥船的水下泵和艙內(nèi)泵葉輪材料分別采用35CrMo和高鉻鑄鐵。在雙泵串聯(lián)系統(tǒng)中，相同時間內(nèi)兩泵流過的泥沙量基本相同。通過比較磨損量，可定量比較兩者耐磨性。

材料為35CrMo的葉輪在使用了約40 d后累計輸送土方量60萬m3（土質(zhì)為粗砂）。材料為高鉻鑄鐵的水下泵葉輪，安裝時間在艙內(nèi)泵之前，使用大約1 a時間。兩者磨損量經(jīng)實船測量對比如表8所示。

表8 新海鯤船水下泵和艙內(nèi)泵葉輪磨損量對比Table 8 Com parison ofwear between underwater and inboard pum ps im peller of Xin HaiKun mm

由表8可見，艙內(nèi)泵葉輪的磨損量大于水下泵，并且水下泵葉輪已使用近1 a的時間，而艙內(nèi)泵使用時間為40 d左右。從工程實際的角度也間接證明了高鉻鑄鐵的耐磨性明顯優(yōu)于35CrMo，這與管道沖刷耐磨試驗的結(jié)果相符。

4 結(jié)語

1）試驗中不同材料的耐磨性能依次是：高鉻鑄鐵（HRC55）＞ 高鉻鑄鐵（HRC45）＞ 35CrMo＞45號鋼。

2）同一材料不同角度磨損規(guī)律是：沖擊角度越大，磨損量越大。

3）對于同一材料高鉻鑄鐵而言，不同硬度的磨損規(guī)律是：硬度越高，磨損量越大。

4） 高鉻鑄鐵的耐磨性能較好，35CrMo的強度和抗沖擊性能較好。

在非礫石土質(zhì)等對沖擊要求不高的施工作業(yè)時，因磨損而導(dǎo)致的失效遠(yuǎn)大于沖擊而導(dǎo)致的斷裂，因此高鉻鑄鐵是較好的材料。葉輪相對于泵殼經(jīng)受更多的沖擊，通常選用抗沖擊較好的低硬度材料高鉻鑄鐵（HRC40-45），而泵殼為了提高耐磨性能多采用洛氏硬度55～60。對于礫石等對沖擊要求高的疏浚工況，鉻鉬合金鋼是比較合適的材料，可使用熱處理提高硬度的方式來提高其耐磨性。

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