水泵的用途极其广泛

　　1引言水泵的用途极其广泛，无论民用或军工以及尖端科技都需要用泵，尤其在矿业、化工、冶金等工业部门，是使用量多的一种通用机械设备。极大多数的泵都是因腐蚀或严重锈蚀被破坏的，生产部门每年用于泵的维修和更新费用十分巨大。我国用于矿业、化工等部门，以及黄河水利工程中，以各种材质、铸铁、青铜、衬胶、不锈钢和钛合金等制造的泵，都存在着易磨损、寿命短、故障多等问题。这一现象说明泵工作的失效不只是材料问题，也提醒泵的设计和生产者，泵除了具有好的工况特性外，还应具有良好的耐腐蚀性能、高的可靠性和较长的使用寿命，泵的设计除了利用水动力学用常规方法设计外，还应根据腐蚀介质性质、抗汽蚀理论、水泵的腐蚀机理和受力特性去综合选材。为了提高使用寿命应有好的防护，它应是一种综合的优化设计方法。本文根据现场的了解、分析和直接设计过程，探讨出一种经济的耐腐蚀泵综合的设计方法供参考。

　　2水泵的腐蚀机理水泵是抽取、增压或输送液体介质的机器，水泵在湿的大气和腐蚀介质溶液中，热力学上始终是不稳定的，有从金属原子状态转变为离子状态的倾向，即自发腐蚀的倾向，一般来讲水泵金属的电极电位与氢的零极电位比较愈负或两种以上金属的电偶序相距愈远，在介质溶液中的腐蚀电位差愈大，水泵腐蚀倾向就愈加严重。水泵腐蚀过程的结果是水泵金属从金属点阵中转变为离子状态，形成可溶的金属氧化物，氢氧化物或较为复杂的络化物，使水泵失效而不能工作。

　　2.1水泵湿的大气腐蚀水泵过流零部件表面完全被浸在连通大气的液体中，称为湿的大气腐蚀，金属表面存在许多不均衡状态，如杂质的存在、机械或热加工不均匀，以及温差、氧浓度的不一致等。

　　一个反应是金属变成金属离子而溶解并释放出电子的反应式F-，称为阳极反应或叫氧化反应，另一个是氢氧根离子的生成消耗电子的反应式O称为阴极反应又叫还原反应。如果将上述的阳极和阴极单元反应所产生的F和H等结合在一起，就成了FeO红锈反应。腐蚀反应的驱动力是阳极和阴极的电位差，如果抑制一种单元反应，另一方的反应就能自动地被抑制。

　　2.2水泵的介质溶液腐蚀水泵工作的过流介质是酸、碱或盐溶液等，介质溶液离子浓度高、电阻小，水泵的叶轮、轴、泵壳材料不同，它们的电极电位不同，形成电位差，在腐蚀介质溶液中电极电位小的成为阳极、电极电位大的成为阴极，构成电子流动和离子移动所产生的腐蚀电流，造成水泵金属过流表面的渗透和溶解，产生腐蚀。其反应式仍然是阳极和阴极反应。阳极反应：M-，金属氧化成为离子腐蚀成化合物。阴极反应、柝氢2H←，这是一种酸或酸性介质中常遇到的较为强烈的阴极反应。氧还原（在酸溶液中）O，氧还原（在中性或碱性溶液中）O-，金属离子还原M+，金属沉积M2.3水泵的汽蚀汽蚀英文Cavitation（空泡），是水泵一种腐蚀现象，由于流道中局部地方液流压力的改变，形成一种空泡，空泡的不断发生和溃灭产生高压连续打击金属表面，并产生较高的局部温升，形成热电偶产生电解作用，析出初生氧形成强烈的化学腐蚀。汽蚀的腐蚀机理是一种机械剥蚀和化学腐蚀的联合作用。水泵过流表面加工粗糙等缺陷是液流容易产生旋涡的因素，易诱发更多的空泡，加快材料的汽蚀破坏。尽管在水动力学设计中考虑了汽蚀余量，采用了降低汽蚀系数的措施，改进了引发空泡的部件结构，但是汽蚀仍然会产生，因为它是较为复杂的诸多因素引发的腐蚀现象。

　　2.4泄漏和其他腐蚀水泵的轴封箱或填料腔存在较大腐蚀介质溶液冲击力的作用，很容易产生泄1?叶轮2?副叶轮3?轴封箱4?档（甩）液杯5?轴承座6?轴漏现象，介质溶液在工艺流程循环中温度往往较高，一般橡胶密封要产生变形失去密封作用。采用一般机械密封，因工作间隔停泵，滞留的残余溶液，温度降低后会结晶成各种形状的结晶体，散布在密封件和轴承构件的空隙之中，若水泵再开机运转，轴承就在结晶的颗粒磨料中干润滑运转，使轴承很快失效。缝隙腐蚀：由于结构原因造成的缝隙或凹槽、缝隙或凹槽内积存的少量静止溶液所产生的强烈局部腐蚀。晶间腐蚀：多晶金属如合金或不锈钢、晶界是晶粒间的错接区，具有高的化学活性，沿晶粒边界发生的腐蚀，晶间腐蚀会引起合金破裂，机械强度剧烈下降导致断裂。

　　3水泵的综合设计3.1水泵叶轮的设计叶轮是重要的水泵部件，由轴带动高速旋转时，受水压作用，叶轮的尺寸大小、叶片的截面形状、扭曲角度是根据水动力学计算决定的，但材质必须具有足够的机械强度，重量只占整个水泵重量的1左右，可以采用不锈钢。根据钝化理论，用于中性介质溶液，含铬岳隆明经济的耐腐蚀泵的综合设计量应在13以上，若用于氧化性的酸或碱性溶液，含铬量应高于17如1Cr18Ni9Ti，如果介质溶液中是含有卤素离子（如Ce等）腐蚀性较强的介质溶液，含铬量应超过17，不锈钢还应加有镍和钼的成份，如1Cr18Ni12Mo2Ti，否则难以使钢钝化或保持稳定的钝态。江汉油田数千台柱塞泵用2Cr13不锈钢制造，短期内就腐蚀破坏了，改为用含铬量18～24，并含有镍和钼的WSD钢腐蚀便得到了控制。如果采用铸铁、铸钢或碳钢制造叶轮，必须进行表面抗蚀涂装，为了改善其机械性能和抗腐蚀性，铸造时应有意识的加入一定量的合金元素，铬、镍、铜、铝等总含量在5以下。涂装的涂层材料、厚度、底层材质、喷涂方式，后面与泵轴一并讨论。叶轮表面的粗造度对空泡的初生形成影响很大，席内具格（Schoneberger）实验证明：表明光洁度高的叶轮汽蚀系数小。近年来超汽蚀（Supercavita-tion）理论在轴流泵叶轮上采用，使汽蚀大为降低，从而保护泵壳等部件材料免遭汽蚀破坏。

　　超汽蚀理论的叶轮叶片具有薄而尖锐前缘的翼型截面，它能够在翼型背面诱发固定性空泡，空泡又在翼型后的液流中溃灭。根据以上要求，叶轮应设计成各片可装可换的装配式结构，压力成型，靠模铣、磨或先铣磨后成型，采用钩结形成。用这种装配式结构利于更换，更利于表面光洁度提高和超汽蚀翼型的加工。

　　3.2泵轴泵轴是泵的转子，由于填料函辅助支承减小了轴的跨度，抗弯强度变小，为了防止振动，使挠度增加引起转子与定子金属磨损，必须在装配前进行动平衡。泵轴应具有足够的抗扭强度。从经济性考虑可采用优质碳素钢45钢制造，表面涂装。碳钢也应有意识的加入有少量铬、镍、铜等合金元素的成份，增强其耐腐蚀性，也提高了钢的强度。

　　3.3叶轮和泵轴表面涂装叶轮与浸在溶液中的轴，除受到化学介质腐蚀外，还有汽蚀作用，涂层应耐机械冲击磨蚀，高的硬度，具有抗氧化性，高的耐腐蚀性，比基体材料硬。综合分析，选用涂层，涂层具有好的抗氧化性，耐腐蚀性和好的电绝缘性，成本低。底层选用镍包铝粉，成份重量比Ni80、Al20，该涂层在热喷涂工艺中发生放热反应与基体材料形成合金化，是一种很好的结合性涂层。喷涂工艺，采用等离子热喷涂，基本原理是将Al粉末通过非转移型等离子弧焰流中加热，到熔融或半熔融状态，以高速喷射到工件表面上形成涂层。

　　与火焰喷涂、电弧喷涂比较，温度高、涂层孔隙率小、结合性好，适用于难熔材料的喷涂，采用还原性H和Ar气体，作为工作气体，能保护工件不受氧化。涂层硬度>700HV，法向结合强度9.8?49MPa（视喷涂质量，选择参数而定），如果采用爆炸喷涂，硬度、结合强度会更高，孔隙率更低。但由于目前喷涂成本较高，效率低，还不宜用于经济性喷涂层。工艺流程：按重量比配硅酸钠10，重铬酸钾30，磷酸钠30，氢氧化钠30的0.1浓度的水溶液，预热80℃?100℃，热溶液清洗去油等离子喷涂：底层镍包粉320?220（目）涂层厚度。

　　3.4泵壳泵壳是水泵进出口流道腔体，把介质溶液引向叶轮，又将具有压能的溶液汇集输出，承受几种载荷作用，其中为强烈的是机械剥蚀和化学腐蚀兼有的汽蚀，现场实践证明在腐蚀性的介质溶液中，泵壳不能用一般成份的灰铸铁制造、铸钢也易遭到短期腐蚀破坏。奥氐体不锈钢如2Cr18Ni9、2Cr13Ni4Mn9存在应力腐蚀和大的晶间腐蚀倾向，常用的马氐体不能锈如Cr13型、Cr17型、1Cr13等，在酸性介质溶液中耐蚀性也差，凡依靠氧化膜或钝化层来抗腐蚀的金属或不锈钢，特别容易遭受缝隙腐蚀，多数不锈钢都是靠钝化产生钝化层来抗腐蚀的。既要耐强介质溶液腐蚀，又要承受强烈汽蚀的不锈钢，还没有理想的品种。陶瓷材料却显示了很好的耐腐蚀和耐磨损性能。但不是现在广泛使用的硅酸盐、铝硅酸盐陶瓷，它们的脆性大，韧性和强度不足，原来使用于化学泵的陶瓷属于此类，用施釉以增加强度和防渗透性、脆性大，机加工性较差。国外正大力进行研究含铬量高的金属陶瓷与复合陶瓷，如Frekoriund和Frikothermb陶瓷材料，用于制造小尺寸离心泵泵壳，国内外已成功研制出用于水泵轴承的α-Sic碳化硅陶瓷。而有些具有优良性能：如线膨胀系数小、硬度高、抗化学腐蚀性强的普通陶瓷材料，可以作为泵壳衬里涂复，内层的陶瓷外层的金属各发挥其优势。其他部位：如轴封箱（与介质溶液接触部分），承磨环等也可以衬里涂复，并可遮盖其缝隙，凹槽和螺接等部分，防止缝隙腐蚀。从工艺性和经济角度出发，用灰铸铁树脂砂铸好泵壳外层，留出内层余量，后衬内层。为了提高水泵外表面抗湿的大气腐蚀，铸造成型前向铸铁铁水中加入不超过5的Ni、Cr、Cu、Al等成份以增强外表的抗大气腐蚀性，并增强铸铁的整体强度。方案1：配方由三元系统MgO?Al?按比例组成堇青石相，可得到1300℃下的低共熔点，加入5～10的粘土可制成具有塑性的内衬坏体，烘干后在1300℃温度下用氧化氧氛烧成，由结晶学研究证明，堇青石相的热膨胀系数小，热稳定性好，实验已证实如此。为了增加结合强度，内层要用三氯乙烯或（3.3）上面所述配制的清洗溶液去油，并进行喷吵处理，预留粗糙内层表面。方案2：配方?MgO按反应生成2ZrO的比例可得1100℃的固熔体莫来石相（Al莫来石化学式），由x射线衍射谱线图2可见。反应相硬度高，抗腐蚀性能好。根据GB10124-88标准进行耐腐蚀试验，腐蚀介质为10的NaOH溶液和30H溶液，腐蚀7天统计，涂层的耐腐蚀性是一般不锈钢的38倍和27倍。莫来石相是稳定膨胀系数小的铝硅酸盐陶瓷相，但由于莫来石相还有生成不均匀颗粒的倾向，易导致生成裂纹，显出其脆性。但成分中富含2，有相变增韧和粒子强化作用。MgAl中的Al的线膨胀系数8.1×10-6，弹性模量MPa，大于莫来石的5.3×10MPa，莫来石产生压应力区，氧化铝产生岳隆明经济的耐腐蚀泵的综合设计拉应力区，裂纹扩展时，受到压力的阻碍作用，而增加断裂能产生增韧的效果，整个组织均匀，形成致密的镶嵌作用，保证涂层具有好的力学性能。

　　3.5采用特殊的密封方式3.5.1副叶轮动密封离心式水泵在后盘采用副叶轮，轴流式水泵在泵体三通进口和出口过渡部分，在轴上置径向式副叶轮，副叶轮转动时产生一个对介质溶液向外的推力，挡住腐蚀介质溶液冲击进入轴封箱，已在试验中证实是成功的。

　　3.5.2填料函的循环水密封填料函中的水封环与循环水密封，冷却水把通过副叶轮少量的泄漏入轴封箱的溶液稀释并带走，也冷却填料，使填料在正常环境下工作。

　　3.5.3填料密封与挡（甩）液杯密封联合作用填料函选用膨胀石墨环1和聚四氟乙烯环2间隔组成，在填料压盖的一端设置挡（甩）液杯，前者起密封和辅助支承，后者起甩液作用。

　　4结论4.1耐腐蚀泵的设计，并不只偏重于选高技术耐蚀材料，应是综合的设计。

　　4.2经济的耐腐蚀泵的综合设计，应以优选陶瓷材料为主，采取有效措施克服陶瓷固有的脆性，以及重现性。提高陶瓷与金属界面的结合性能。

　　4.3为了适应陶瓷材料的工艺要求，应改进泵部件的成型工艺和加工工艺。如用圆柱形叶片代替扭曲形状叶片等，用磨削代替车、铣等。

　　4.4研制和开发新的具有高可靠性的水泵陶瓷材料，用于大尺寸的水泵制造。