渣漿泵磨損原因及解決措施

張樹森

(中煤邯鄲設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，河北 邯鄲 056031)

在煤礦、選煤廠工藝過程中，渣漿泵是利用流體運(yùn)輸固體及提供輸送介質(zhì)動(dòng)能和勢(shì)能的最主要設(shè)備。渣漿泵磨損將導(dǎo)致工況惡化，效率下降，能耗增加，使用壽命縮短等不良后果，且影響到選煤廠的生產(chǎn)成本。因此，磨損是影響渣漿泵使用壽命的最主要的因素[1-2]。

1 磨損的定義、分類以及階段過程

1.1 磨損的定義

磨損是人們所熟知的現(xiàn)象，在日常生活中的各種領(lǐng)域都會(huì)出現(xiàn)，然而很難對(duì)磨損做出比較精確而又全面的定義。前蘇聯(lián)對(duì)磨損定義為：“摩擦副節(jié)點(diǎn)間反復(fù)接觸而產(chǎn)生的材料破壞”；《摩擦術(shù)語及定義匯編》對(duì)磨損定義為 “在材料上作用某種作用力，使組成其表面層的微小薄片連續(xù)脫落，這種不理想的現(xiàn)象”[1]，用力是由固體、液體、氣體及其復(fù)合體給材料以機(jī)械作用或機(jī)械與化學(xué)的組合作用而產(chǎn)生的力。

1.2 磨損的類型

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(1)磨料磨損。由于硬顆?；蛘哂餐黄鹞锸共牧袭a(chǎn)生遷移而造成的磨損。

(2)疲勞磨損。由于循環(huán)交變應(yīng)力引起疲勞而使材料脫落的一種磨損。

(3)腐蝕磨損。由于與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的磨損過程。

(4)沖蝕磨損。含有固體顆粒的液體沖刷固體表面，使固體表面造成材料流失的磨損過程。

(5)氣蝕磨損。流動(dòng)液體在過流固體表面因發(fā)生湍流引起空泡，在空泡破滅時(shí)，液滴沖擊過流固體表面造成材料流失的磨損過程。

由于磨損從來都不是單一種類現(xiàn)象，因此實(shí)際磨損是各種磨損類型同時(shí)發(fā)生，即產(chǎn)生組合式磨損。

1.3 磨損的發(fā)展階段

機(jī)械零件在使用過程中，正常磨損過程大致分為3個(gè)階段[1](圖1和圖2)。

圖1 磨損發(fā)展過程

圖2 磨損過程示意

由圖2可知，經(jīng)過一定時(shí)間的磨合階段，零件表面逐漸磨平，磨損速度減慢，逐漸過渡到正常穩(wěn)定磨損階段。正常磨損階段屬于機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定磨損過程，這時(shí)的磨損量比較穩(wěn)定。為了提高零件使用壽命，應(yīng)采取各種有效措施，盡可能使這個(gè)階段零件的磨損率最小，并盡量延長(zhǎng)其正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。正常磨損達(dá)到一定時(shí)間或者由于偶然的外部因素影響，零件尺寸發(fā)生較大變化，材料表面品質(zhì)惡化，使磨損量大大增加，造成零件較快失效或者破壞。因此，磨合階段的磨損是一種有利的磨損過程。

2 渣漿泵的磨損

渣漿泵是一種特殊的離心泵，其選用材質(zhì)、葉輪流道結(jié)構(gòu)都異于普通清水泵。由于輸送的介質(zhì)是含金屬、礦石、煤炭及泥沙顆粒等的固—液混合物料，顆粒形狀各異、粒徑組成復(fù)雜、濃度不斷變化，造成渣漿泵的磨損量遠(yuǎn)大于清水泵，過流部件的使用壽命也遠(yuǎn)低于清水泵。

近年來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者從理論上對(duì)輸送固—液混合物的渣漿泵磨損機(jī)理、磨損規(guī)律進(jìn)行了分析研究，也進(jìn)行了大量試驗(yàn)，提出了渣漿泵磨損的防護(hù)措施和泵現(xiàn)場(chǎng)使用方法等有價(jià)值的資料。

2.1 磨損種類

2.1.1 氣蝕磨損

氣蝕磨損屬于腐蝕磨損的一種。液體中球形氣蝕空泡的破壞不是瞬時(shí)產(chǎn)生的，而是一個(gè)多次衰變過程。在這個(gè)過程中，液體以很高的速度沖向空泡中心，其大部分動(dòng)能在形成新空泡的瞬時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚋鱾€(gè)方向傳播的球形沖擊波，作用于過流部件表面上的沖擊波的機(jī)械作用力是氣蝕磨損的主要原因。而設(shè)計(jì)選型不當(dāng)、使用不當(dāng)是造成氣蝕磨損的主要原因。

2.1.2 磨料磨損

除了上述原因外，渣漿泵過流部件的磨損都屬于磨料磨損。具體表現(xiàn)為：選煤廠輸送介質(zhì)中的硬質(zhì)顆粒與葉輪水流通道內(nèi)表面相互作用或介質(zhì)與葉輪水流通道內(nèi)表面的粗糙突出物相互摩擦作用，產(chǎn)生接觸應(yīng)力，導(dǎo)致葉輪水流通道的內(nèi)表面疲勞破壞而磨損。鑄鋼鑄造的葉輪還會(huì)因高壓力下硬質(zhì)沙粒的壓入，產(chǎn)生壓痕，并從葉輪水流通道內(nèi)表面擠出，剝離顆粒而磨損。

根據(jù)磨損特性，離心泵泵件可以分成兩大類：第一類包括葉輪和壓水室，其流道磨損最嚴(yán)重；第二類是懸浮液流從高壓腔向低壓腔回流時(shí)使泵體、葉輪外蓋板、密封件和軸封零件受到的磨損。根據(jù)試驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，磨損件磨損速度排序?yàn)椋罕皿w隔舌—葉片入口邊—葉輪密封環(huán)—軸封—吸人側(cè)泵腔—泵體擴(kuò)散管。

除上述兩種磨損之外，還有屬于腐蝕磨損中的氧化磨損、酸堿鹽化學(xué)反應(yīng)磨損、沖洗等物理運(yùn)動(dòng)引起的磨損、葉輪與軸之間的微動(dòng)磨損及微裂紋引起的電化學(xué)磨損等。

2.2 磨損機(jī)理與規(guī)律

磨損的機(jī)理主要是由固體顆粒從不同角度對(duì)材料表面撞擊、顆粒旋轉(zhuǎn)(向前旋轉(zhuǎn)、向后旋轉(zhuǎn))、塑性變形、疲勞破壞等因素引起材料裸露表面的脫落。

根據(jù)大量生產(chǎn)實(shí)例統(tǒng)計(jì)，渣漿泵輸送固—液混合物時(shí)，磨損最嚴(yán)重的零件是葉輪，其次是泵體、護(hù)套及護(hù)板等過流部件。渣漿泵的磨損取決于以下各個(gè)參數(shù)和因素之間的內(nèi)在關(guān)系：

(1)輸送介質(zhì)即固—液混合物流變特性；

(2)介質(zhì)中固體顆粒粒徑級(jí)配、粒形、硬度和密度等；

(3)泵的結(jié)構(gòu)形式與參數(shù)；

(4)渣漿泵的轉(zhuǎn)速；

(5)渣漿泵所用材料的性能，如硬度、強(qiáng)度、延伸率及耐酸堿性等。

3 磨損件更換周期

渣漿泵的使用壽命是由泵的水力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)、材料選用及現(xiàn)場(chǎng)使用等綜合因素決定的。對(duì)于其使用壽命，目前還沒有一種準(zhǔn)確的理論計(jì)算方法。

3.1 泵件更換原則

泵過流部件磨損到一定程度，因達(dá)不到功能要求就必須更換或者修復(fù)。到目前為止，泵的易損件沒有統(tǒng)一公認(rèn)的更換原則和標(biāo)準(zhǔn)，只能根據(jù)渣漿泵在現(xiàn)場(chǎng)使用具體條件而定。

收集業(yè)內(nèi)一些原則性意見和看法，主要為以下幾點(diǎn)：① 泵體和護(hù)板磨穿；② 泵性能如流量和揚(yáng)程不能滿足運(yùn)行的要求；③ 嚴(yán)重的內(nèi)部環(huán)流或者護(hù)板嚴(yán)重粗糙度引起電動(dòng)機(jī)電流過高；④ 葉輪不均勻磨損或者葉輪局部堵塞引起過度振動(dòng)。

國(guó)內(nèi)研究人員通過大量實(shí)驗(yàn)，提出了用低耐磨性材料制造的渣漿泵過流部件在高速磨損條件下的磨損形貌和泵性能與磨損之間的變化規(guī)律。在磨損運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為18 h時(shí)，葉輪和泵體相對(duì)磨損量分別為總磨損量的52.5%和62.2%。說明總磨損時(shí)間為3/7時(shí)，過流部件磨損量超過總磨損量的1/2以上；葉輪和泵體的磨損率在總磨損時(shí)間的1/7～3/7之間時(shí)為最高，即磨損最快；在總磨損時(shí)間的3/7時(shí)，揚(yáng)程下降26%，在磨損結(jié)束時(shí)揚(yáng)程下降45%。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都為更換周期提供了很重要的參考數(shù)據(jù)。

近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)于更換周期主要形成了以下兩種更換原則：

(1)渣漿泵在極限磨損的情況下，葉片磨損為原始長(zhǎng)度的30%～40%，質(zhì)量磨損量為20%～30%時(shí)，就應(yīng)該更換葉輪；還有學(xué)者提出，在渣漿流動(dòng)狀態(tài)恒定時(shí)，可以將泵出口壓力降低到初始?jí)毫Φ?5%～75%作為更換葉輪的參考數(shù)，但缺點(diǎn)是上述意見沒有結(jié)合具體材質(zhì)和行業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)。

(2)葉輪葉片長(zhǎng)度磨掉30%時(shí)，葉輪失重量為原始重量的50%、揚(yáng)程下降30%，作為更換件的指標(biāo)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用壽命試驗(yàn)結(jié)果，提出不同材質(zhì)和量、件的更換原則：選煤廠用渣漿泵，如采用N1、Ni4、C27和Crl5Mo3制造葉輪和護(hù)板，在葉輪失重量達(dá)到50%、30%、10%和50%時(shí)就應(yīng)更換，而護(hù)板失重量達(dá)到30%、20%、10%和35%時(shí)就應(yīng)更換，此意見對(duì)于選煤廠更具針對(duì)性和可操作性。

因此，建議選煤廠結(jié)合上述原則因地制宜，重點(diǎn)參考第二條原則。

3.2 泵件更換周期

在生產(chǎn)實(shí)際中，提前更換、滯后更換磨損件是一種普遍現(xiàn)象，尤其是提前更換，例如：一般選煤廠設(shè)備集中大修期間，在磨損量還未達(dá)到更換的周期，就與其他設(shè)備一起更換，造成了浪費(fèi)；而滯后更換的影響更為明顯，往往是在運(yùn)行明顯不正常，直接影響了系統(tǒng)生產(chǎn)，甚至在生產(chǎn)過程中發(fā)生嚴(yán)重故障。因此，針對(duì)選煤廠，應(yīng)根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀況和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置一個(gè)適宜于本廠的更換周期。

4 防止和降低磨損的措施

為了降低渣漿泵的磨損，延長(zhǎng)渣漿泵的使用壽命，可以從不同角度采取措施，主要?dú)w納為以下3個(gè)方面。

4.1 設(shè)計(jì)制造

應(yīng)用固—液混合物動(dòng)力學(xué)原理和流變特性，進(jìn)行泵過流部件的水力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以便符合固—液混合物在泵流道內(nèi)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，減少渦流和局部損失，減輕磨損。主要為：

(1)根據(jù)固—液混合物中固體顆粒在流道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌線，設(shè)計(jì)葉片葉型和流道形狀；

(2)流道斷面變化均勻，減少渦流和二次流；

(3)葉輪和泵體有關(guān)部位適當(dāng)加厚等。

4.2 材料選擇和表面噴涂處理

(1)根據(jù)固—液混合物特性和現(xiàn)場(chǎng)使用條件，合理選擇泵用材料；

(2)過流部件，尤其是易損件(如葉輪和泵體或護(hù)套、護(hù)板等)，采用抗磨材料；

(3)采用尼龍和各種高分子材料覆蓋過流部件的表面和部位，使泵件母體主材料表面不被磨損；

(4)采用噴涂技術(shù)，增加過流部件保護(hù)層，提高抗磨能力。

4.3 泵的合理選型

合理選型是降低泵磨損量，延長(zhǎng)使用壽命的重要途徑之一。

(1)根據(jù)有關(guān)泵的選型方法和手冊(cè)。合理選擇與現(xiàn)場(chǎng)工況條件相匹配的泵型；選煤廠渣漿泵的選型可以參考《選煤廠設(shè)計(jì)手冊(cè)》、《現(xiàn)代泵設(shè)計(jì)手冊(cè)》以及一些對(duì)于煤泥漿體物料輸送分析的資料，綜合計(jì)算確定。

(2)泵應(yīng)該在最佳工況區(qū)運(yùn)行，既對(duì)應(yīng)于泵的高效區(qū)，又在磨損量最小的區(qū)域內(nèi)[2]。

(3)在保證基本要求的情況下，合理降低泵的轉(zhuǎn)速，可以降低氣蝕和沖蝕磨損強(qiáng)度[3]。

5 泵的使用

(1)使用時(shí)應(yīng)保證輸送的漿體密度及最大顆粒在渣漿泵型號(hào)所規(guī)定的范圍內(nèi)，避免超限使用[4]。

(2)某些選煤廠在進(jìn)料管安裝了高壓風(fēng)管，以防止在泵啟動(dòng)前礦漿物料沉積。但是，使用中應(yīng)避免泵在高壓風(fēng)管沒有關(guān)閉的情況下運(yùn)行，否則會(huì)造成礦漿中帶有高壓風(fēng)。因泵的入口壓力低，入料管中的氣體會(huì)迅速膨脹，通過葉輪進(jìn)入高壓區(qū)后，對(duì)護(hù)板及蝸殼造成沖擊，加劇磨損。

(3)避免在灌注高度不足的狀況下使用渣漿泵，造成氣蝕。

(4)渣漿泵的軸封水的供應(yīng)不允許間斷，避免軸封磨損。

6 泵的安裝、制造

泵安裝不當(dāng)、制造質(zhì)量(尺寸精度、表面粗糙度、表面抗腐蝕性能)差、裝配精度低等原因，都會(huì)導(dǎo)致葉輪等運(yùn)動(dòng)部件的磨損，這些在業(yè)內(nèi)往往未得到充分重視[5-6]。應(yīng)該采取以下措施。

(1)提高制造標(biāo)準(zhǔn)要求，保證渣漿泵各部件的制造精度。

(2)安裝過程中安裝單位要嚴(yán)格遵循渣漿泵的安裝要求，主要為：臥式泵機(jī)組應(yīng)采用二次灌漿法進(jìn)行安裝。安裝后，機(jī)組的中心線應(yīng)與地基中心線一致；機(jī)組的中心高與設(shè)計(jì)值的偏差應(yīng)不大于±2 mm，機(jī)組的水平允差為0.1/1000；對(duì)于采用聯(lián)軸器直聯(lián)傳動(dòng)的泵機(jī)組，機(jī)組的同軸度一般靠聯(lián)軸器找正來保證；對(duì)于膠帶傳動(dòng)的泵機(jī)組，應(yīng)保證泵軸與電機(jī)軸的平行度，通常以膠帶輪進(jìn)行找正；正確安裝進(jìn)出口管道、閥門、儀表、軸承冷卻和軸封冷水。

7 結(jié) 語

通過對(duì)渣漿泵的磨損機(jī)理、種類、原因的分析和研究，提出了解決磨損問題的方法和途徑，對(duì)于提高渣漿泵的耐磨性能、延長(zhǎng)渣漿泵的運(yùn)行壽命、降低選煤廠生產(chǎn)運(yùn)行成本，有一定的指導(dǎo)作用。