挖泥船泥泵耐磨材料現狀及發展趨勢分析

【摘要】隨著我國經濟的發展，在疏浚工程中對挖泥船泥泵耐磨材料的性能要求越來越高。近年來，經過我國大量研究人員研究，泥泵耐磨材料得到了很大的發展。本文對部分挖泥船泥泵耐磨材料的發展趨勢進行了一定的分析。

【關鍵詞】挖泥船；泥泵；耐磨材料；現狀；發展

我國江河湖海數量較多，流域范圍較廣，許多的河流流域中都有較高的含沙量，導致河流的河口淤積情況嚴重，對生態環境造成了嚴重的破壞，并且還會對河流的排沙泄洪受到嚴重的阻礙。因此必須要采取相應的措施對河流泥沙的淤積情況進行處理。在疏浚工程中需要用到挖泥船，挖泥船的類型選擇要根據疏浚工程開展地區的氣象、水文及地理環境特點的不同而選擇合適類型的挖泥船。挖泥船的主要零部件在作業時會受到水中砂石等堅硬物質的沖擊、摩擦，因此其零部件的材料需要有較高的耐磨性。我國近年來對挖泥船泥泵耐磨材料進行了大量的研究，也在這方面取得了較大的發展。

1挖泥船泥泵的磨損機理和影響的因素

1.1挖泥船泥泵的磨損機理

挖泥船的泥泵通流物質是含有部分固體顆粒的兩相流。它是造成泥泵磨損的主要因素，這種磨損稱為流體磨粒磨損，按照流體中固體顆粒與泥泵的過流不見的接觸方式可以分為三種形式。

（1）高角度沖擊磨損

當泥漿中的固體顆粒以較大的沖擊角度對泥泵泵體表面進行高速沖擊時，就容易造成泵體表面發生彈性變形及塑性變形，塑性變形是不可逆的變形方式，它會導致泵體表面材料的破壞。如此反復的塑性變形，就會導致泵體表面材料疲勞損壞，最終造成材料的斷裂、脫落。

（2）小角度剝蝕

當流體中的固體顆粒以較小的沖擊角度對泵體表面進行高速沖擊，且顆粒以較高的速度平行于泵體表面運動時，粒子能量會對泵體表面材料發生剝蝕。當一些較尖銳的顆粒劃過泵體表面時，會產生切削破壞；當一些較為圓滑的顆粒劃過泵體表面時，會產生犁切破壞。如此反復，就會導致泵體表面材料發生嚴重磨損。

（3）研磨破壞

當流體中的固體顆粒進入到泥泵的兩個部件之間，會受到壓力且相對運動時對泵體部件造成磨損。由于固體顆粒處于兩個部件之間，會對其形成碾壓作用，因而容易導致部件表面的脆性破壞。同時，部分固體顆粒被碾碎后會對泥泵表面材料造成小角度剝蝕破壞。

1.2泥泵中主要磨損部位及其磨損機理

在泥泵中，由于其表面的幾何形狀以及和泥漿接觸性質的不同，各個部位的磨損程度存在一定的差異性。

（1）葉輪的磨損

在通常情況下，當泥泵中以小角度剝蝕為主要磨損且磨損程度較為嚴重時，泥泵中的損壞部位就會主要集中于葉輪、蝸殼等通流部件。如果在葉輪葉片根部主要的磨損方式為剝削磨損，渦流就會加速造成磨損的速度增加，同時葉輪根部還會發生一定的高角度沖擊。

（2）葉墻和耐磨襯板的磨損

如果葉墻和耐磨襯板發生了嚴重磨損，通常是由于受到固體顆粒的大角度沖擊而造成的破壞。當泥漿流經葉輪時，速度會有軸向變為徑向，但是由于受到之前的慣性作用，泥漿中的固體顆粒仍然會以較高的軸向速度向葉墻進行沖擊并且沖擊的頻率非常高，造成葉墻的嚴重破壞。另外，進入葉墻和耐磨襯板之間的固體顆粒還會造成一定的研磨破壞。

（3）泵殼內部的磨損

在泵殼內部，泥漿中的固體顆粒在彎曲流道內，由于離心力的作用撞擊泵殼內壁，但是泵殼的設計標準決定了其不可能為大角度沖擊，均是小角度的切削磨損。泥泵分水舌的磨損通常是由于渦流引起的小角度磨損破壞，同時也伴有少許的大角度沖擊磨損。

1.3影響泥泵磨損的因素

（1）固體顆粒粒徑對磨損的影響

流體中的固體顆粒的粒徑大小對泥泵表面材料磨損的影響程度不同，如果粒徑過大，則會使材料的磨損加快。部分粒徑特別細小的顆粒會在部件表面形成滑移層，降低流體對部件的沖擊程度。雖然細小顆粒的滑移也會對泵體部件表面產生一定的磨損，但是它卻能大大降低大粒徑顆粒帶來的沖擊。

（2）泥泵轉速的影響

泥泵的轉速越快，泵體的磨損會幾何增長。在保證泥泵揚程和效率的情況下，應當盡可能的降低泥泵轉速。

（3）泥漿濃度的影響

泥漿的濃度也會對泥泵的磨損程度產生一定的影響。泥漿的濃度越高，泥泵的磨損程度越高，但是當泥漿的濃度上升到一定的高度時，泥泵磨損的程度會隨濃度的增加而降低。

（4）泥泵的工況點

泥泵的工況點即是其最佳效率點，當泥泵的流量、流速、揚程等偏離了其工況點時，將會導致渦流增加，時泵體的磨損速度加快。

（5）葉輪形狀的影響

泥泵中采用不同形狀的葉輪會產生不同的流體形式。通常，選用的葉輪形狀使泥漿形成外旋的流體時，渦輪速度就會加快，導致葉輪的磨損速度加快。當選用的葉輪形狀使泥漿通過之后形成兩股內旋的流體時，這時的葉輪磨損程度較為緩慢，這樣可以大大提高葉輪的使用壽命。

（6）泵殼形狀的影響

不同的泥泵殼的形狀會產生不同的泥漿分流情況，這對過流部件的磨損程度會產生很大的影響。相同條件下，圓形泵殼的磨損程度比蝸殼狀泵殼的磨損程度藥效。目前，國內的泥泵大多采用蝸殼狀泵殼，它的效率比圓形泵殼更高。

2國內泥泵耐磨材料的研究狀況

近年來，隨著我國加大對泥泵耐磨材料的研究力度，已經有多種新型的耐磨材料投入使用。

2.1硬金屬

在泥泵過流部件中采用硬金屬材料時，材料需要具有較高的硬度，還需要具有一定的抗壓強度和抗剪強度。目前，實際應用到泥泵制作的硬金屬材料主要有馬氏體白鐵、鎳硬鑄鐵、高鉻鑄鐵等。馬氏體白鐵具有較高的硬度，一般用于制作的泥泵會用于流體顆粒粒徑較大的工程中。對于粗砂顆粒的工況一般會選用鎳硬鑄鐵和高鉻鑄鐵材料。

鎳硬鑄鐵主要用于顆粒較為尖銳的工況中，他對切削磨損的抵抗力較強，但是容易受到高角度沖擊的影響。鎳硬鑄鐵材料一般用于對抗剪強度要求的高揚程工況中。當固體顆粒的粒徑較大時，一般不使用鎳硬鑄鐵材料。

在一些會對泥泵泵體造成嚴重磨損或者腐蝕的工作環境中，泥泵的制作材料通常會選擇高鉻鑄鐵。高鉻鑄鐵中含有的M7C3會提供較高的硬度，而奧氏體或馬氏體則會為其提供較高的抗腐蝕能力以及穩定的結構。高鉻鑄鐵具有兩種工作態組織，分別是鑄態組織和熱處理后的組織。不同的鑄態組織之間耐磨性會存在一定的差異，這主要體現在高鉻鑄鐵本身的耐磨性及其對硬質粒子的鑲嵌牢固程度。由于高鉻鑄鐵中具有耐磨性較高的馬氏體，以及帶來的穩定結構，高鉻鑄鐵在經過熱處理后能夠獲得更高的硬度、強度及耐磨性。另外，在熱處理的過程中，通過加入一些微量元素以及對處理工藝的改良和控制，能夠改變碳化物的形態，可以進一步提高高鉻鑄鐵的性能。

目前，部分泵廠通過將Cr29、Cr30等新材料應用到泥泵過流部件的生產中，大大提高了其耐磨性和耐腐蝕性，但是其韌性有一定的下降，并且由于硬度的增加提高了鑄造的難度，大大提高了生產成本。因此，高鉻鑄鐵的選擇要根據實際的工程情況，合理的選擇適合的鉻量，通常情況下，鉻的含量控制在25%左右，如果工程處于腐蝕環境中，鉻的含量可以適當提高。由于鉻在熱處理的過程中容易吸收碳分子，因此在高鉻鑄鐵在熔煉時必須要使用電爐，這對高鉻鑄鐵的使用和發展產生了一定的限制。

2.2橡膠材料

天然橡膠材料是泥泵中普遍使用的一種耐磨材料。橡膠具有較高的彈性和抗拉強度，并且具有優良的耐磨性，但其抗剪強度較低，容易發生撕裂。因此，橡膠材料對細小顆粒的高角度沖擊具有較高的耐磨損性，但對于一些尖銳狀顆粒的小角度沖擊的耐磨損能力較差。由于橡膠的剛性較差，會導致葉輪的轉速受到一定的限制，因此，目前已經很少應用到葉輪上了，大多數應用于泥泵的內襯板上。另外，天然橡膠的工作溫度要低于150℃，并且不能在具有腐蝕性的環境中工作。

2.3陶瓷涂層

陶瓷具有較高的耐磨性，當細小固體顆粒對陶瓷小角度沖擊時，陶瓷的耐磨性可以達到硬金屬的10倍以上。但是由于陶瓷較脆，如果有較大顆粒進行沖擊，就容易造成陶瓷涂層破碎、脫落。同時，由于陶瓷的造價過高，因此很少用于泥泵中。但考慮到陶瓷超高的抗腐蝕性，在一些特殊的作業環境中，可以選擇陶瓷作為泥泵的耐磨材料。

3泥泵耐磨材料的發展趨勢

目前，提高耐磨材料的抗磨損能力有改進材料及增加涂層兩種方法。在實際的工程應用中發現，使用普通的鑄鐵材料鑄造的泥泵使用壽命較短，而家涂層的方法，由于涂層的想能方面的限制，不僅會使工程的成本增加，而且沒有明顯的提高泥泵的使用壽命。因此，為了增加泥泵材料的耐磨性，應該要加強對新材料的研究，主要從以下幾方面進行：

3.1發展高Cr系列的材料

結合實際的泥泵使用經驗可以看出，高Cr系的材料鑄造的泥泵具有較長的使用壽命，并且能夠處于接近最佳工作狀態進行工作。

3.2發展Cr-Mo系列合金

Cr-Mo系列的合金由于其材料本身具有較強的析出相強化效果，因此，能夠達到泥泵耐磨材料的使用要求。

3.3改進生產工藝

加強對泥泵耐磨材料的生產工藝的改良和創新，研究科學的熱處理方式，能夠使耐磨材料的使用性能得到一定的提升。

3.4加強對耐磨涂層的研發

目前，耐磨硬質合金涂層以及陶瓷涂層仍然處于研究階段。這類涂層雖然有超高的耐磨性，但是由于過高的價格，限制了其在工程中的應用。由于這些耐磨涂層具有非常高的耐磨損性，應該加強對其的研發，使其成本能夠有所降低，并且能夠對部分存在的缺點進行改進，以期研究出更加高效的耐磨材料。

4 結束語

隨著我國經濟的發展，疏浚工程對挖泥船泥泵耐磨材料的要求也日益增加，目前國內通常使用高鉻鑄鐵材料整體鑄造泥泵泵體。但是國內在這方面的技術以及生產廠家還較少，為了滿足疏浚工程的需求，我國應該加大對泥泵耐磨材料的研究力度，通過改進材料分子結構、生產工藝以及研究新材料的方式使我國的泥泵耐磨材料迅速發展起來，滿足疏浚工程對泥泵耐磨性的需求。

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