常用耐磨材料在工程船舶的應用與探討

趙理志 王家友 于仁臣

(中交煙臺環保疏浚有限公司,山東煙臺 264000)

常用耐磨材料在工程船舶的應用與探討

趙理志 王家友 于仁臣

(中交煙臺環保疏浚有限公司,山東煙臺 264000)

耐磨材料種類繁多,且不同耐磨材料的材質、力學性能、抗磨原理等不一致,適應于不同的范圍和工況。本文針對工程船舶的自身特點,探討引進適合于工程船舶的耐磨材料,并總結歸納了常見耐磨材料在工程船舶中試用的結果,旨在降低工程船舶磨損部件的磨耗,延長使用壽命并提高性價比。

工程船舶 哈道斯耐磨板 耐磨焊條 橡膠襯板 復合襯板

圖1-圖3是天虎船換板前后的照片。

從單金屬耐磨板的本質上看,因為是調質鋼,此種材料在切割、加工焊接時應注意以下問題：(a)因是調質鋼,切割時避免和減少熱影響,(理想的切割方式是用高壓水切割、水下切割),其次是等離子切割,氧氣—乙炔火焰可完成切割,但對材料有一定熱影響,使熱影響區的耐磨性下降;(b)由于耐磨板強度較高,彎曲變形時抗力及回彈性較強;(c)耐磨板是易焊接的,在板的厚度超過一定厚度時,同樣需遵循焊前低溫預熱(200～250℃)、焊間保溫、焊后緩冷這一規律。可用結構鋼(中、低)碳焊條,如J506、J507、也可選用奧氏體焊條,如：A102、A302焊接。焊接方式可多樣選擇(如手工、氣體保護焊等),同時要注意：用結構鋼焊條將耐磨板焊接牢固后,條件許可時還應在焊縫表面敷蓋耐磨焊層,以防止焊縫不耐磨而造成耐磨板焊縫開裂。但用奧氏體焊條焊接耐磨板后,焊縫不易敷蓋耐磨焊層。

復層耐磨板的應用也是近幾年發展起來的,就復層耐磨板的耐磨復層的材料而言,是用耐磨焊條堆焊而成,焊條芯的為普通結構鋼焊條芯,其核心技術是焊條的藥皮。堆焊后耐磨復層的微觀組織是高硬度的硬質顆粒嵌布在相對較軟的基礎合金中,宏觀表現為高硬度和耐磨性。而且二次焊接的熱影響不會降低耐磨復層的硬度。我公司通過耐磨實驗對比(采用三盾復層耐磨板制作的耐磨襯管與瑞典的HARDOX450板制作的耐磨襯管進行對比,同樣土質,磨損率僅為HARDOX板的1/3),三盾復層耐磨板具有更高的性價比,借鑒此對比效果,我公司也正計劃將復層耐磨板制作800WN泥泵的襯板,(原800WN泥泵襯板是由高鉻鑄鐵制作,當磨損量達到10～15mm時即報廢,這對鑄造價格每千克40多元的高鉻鑄鐵來說是一種浪費),用復層耐磨板制作襯板的具體作法是：將復層耐磨板(6+8)粘敷在用ZG35制作的基礎板上。初步分析,即使三盾復層耐磨板與原高鉻鑄鐵有相同的磨損率,則由復層耐磨板制作的襯板價格也比高鉻鑄鐵制作的襯板價格低廉,ZG35制作的基礎板也可重復使用。兩者間的對比效果日后將有結果。

1 橡膠在泥泵上和應用

橡膠作為耐磨材料已使用多年,但真正用于疏浚領域是在上世紀七十年代未,由于它具有較高的抗磨粒磨損、抗沖擊、抗穴蝕、耐腐蝕的特點,主要用于制作泥泵的襯板、輸泥管和輸泥彎頭的內部耐磨襯料、小型礦業用泵和疏浚用泵的泵殼內腔耐磨(耐蝕)襯料。有文選資料記載：美國俄勒岡州波特蘭港疏浚部門曾作過一項對比試驗,用鎳硬質合金(硬度為≥500HB)制作的泥泵前襯板與采用膠制作的泥泵前襯板的耐磨效果進行對比,同樣工況下,鎳硬質合金前襯板的壽命為138(萬方)/件,膠制作的泥泵前襯板的壽命為334(萬方)/件。使用橡膠制作泥泵的襯板還有以下優點：重量輕、不易碎,易運輸和安裝、易對磨損的間隙進行調整(對有此形式的泥泵,襯板可隨著其磨損量增加時,可適當向葉輪方向調整以改變前襯板與泥泵葉輪之間的間隙使之減小,以提高泵效。采用橡膠襯板,既使此調整過程中襯板與葉輪少許的擦碰也無大礙。而不象用高鉻鑄鐵材料制作的襯板那樣,在運行中產生不規則的磨損而無法調整,或可調整但又必須避免與葉輪擦碰,調整難度較大。如果襯板與葉輪擦碰,葉輪轉動時的軸向振動可能擊碎擦碰部位)。疏浚用橡膠襯板目前國家沒有統一的制作的材料標準,但對球磨機橡膠襯板國家有相應的標準GB/T18241．2-2000可以借鑒,該標準的技術性能該指標有：硬度(邵爾A/度65±5)、拉伸強度Mpa≥18、扯斷伸長率%≥400、扯斷、久變形%≤15、阿克隆磨系數≤0．18cm3/1．61km、回彈性%≥39。因各廠家在橡膠件制作時材料配比不同,因此,對制作泥泵襯板所用橡膠材料應更加注重拉伸強度、扯斷伸長率、阿克隆磨系數三項指標。

我公司先后已經在津航浚212、219、105、216使用過橡膠襯板

(注：這此船用泥泵在襯板與葉輪間均有封水),目前已對3500絞吸船的800WN泥泵的高鉻鑄鐵襯板進行橡膠襯板改造,因800WN泥泵的結構特點(注：此泥泵葉輪與前襯板間沒有封水),橡膠襯板應用到該型泥泵上還是首創,新型的橡膠襯板第一次使用在天羚船(1#艙內泵),只工作了不足10天即磨穿(見圖4)。

從第一次使用的圖片中可以看出,橡膠外襯板(肩甲環)表面均有刀割樣劃痕且外緣磨損較嚴重,這種現從泥泵結構來看,外襯板表面劃痕歸結于較大有尖角顆粒塞在葉輪與前襯板之間形成較大劃傷。而局部面積較小的深坑可能是橡膠材料本身性能不良或更小的帶尖角的顆粒在局部渦流較嚴重時的沖蝕磨損(即切割、沖刷、磨粒、接觸共同作用而導致的磨損)。肩甲環外緣磨損應歸結于廢棄養殖物纏繞或更大顆粒卡滯在此處造成的磨損(這種現象依據是在對泥泵檢查時,停泵后盤車較困難,每次檢查都有廢棄養殖雜物,因橡膠襯板較軟,無法對廢棄雜物進行粉碎,只能將其慢慢磨耗掉),而橡膠前護板(前內襯板)磨損更為嚴重(已磨穿),歸結為因沒有前封水,在泵殼內高壓的作用下,含泥砂、石塊的疏浚物在前護板處倒灌到泥泵葉輪吸口,較大顆粒無法通過前護板與葉輪吸口之間的狹縫,便沉積在這里,導致更嚴重的磨損(這一點,結合泥泵結構圖及前護板與葉輪相對運動的線速度最小而磨損最嚴重中不難推斷)。

經過第一次試用效果后,再次與橡膠襯板制作廠家共同分析,重新調了橡膠襯板的膠料配方后,其橡膠材料阿克降磨耗實驗值為0．12cm3/1．61km。第二次試用在天虎船(水下泵肩甲環),使用日期從2011年8月10日至2012年8月1日。期間挖泥運轉約4600小時,工程量約在550萬方,(龍口工地挖泥運轉2000小時,土方量300萬方,萊州工地挖泥運轉2600小時,土方量250萬方);新橡膠襯板的原始厚度為115mm,磨損后為90mm,前端面掛膠層磨損量在25mm,襯板外沿局部磨損量較大。從使用結果可看出,其壽命已超過高鉻鑄鐵。使用后的襯板照片見圖5和圖6。

橡膠襯板在800WN泥泵上應用目前不足主要是養殖廢棄物纏繞問題而造成過大的外緣磨損,我們將對葉輪進行局部改造來消除此現象。

2 耐磨敷焊技術

耐磨敷焊技術已使用多年,也就是在基礎材料上堆焊(敷焊)合金耐磨層,一般耐磨層厚度在4~8mm。就敷焊材料而言,近幾年敷焊耐磨層的焊條又有新的產品,各焊條廠家的焊條牌號各有不同。而且根據使用場所的溫度、磨損性質、磨損應力、施焊方法等分類更細化。焊敷耐磨層的硬度在HRC30~66之間。用戶在選擇耐磨焊條時,應針對使用場合的溫度、磨損性質等因素而正確選用,對工作條件苛刻耐磨焊層,有時還需在母材與耐磨焊層之間焊接過渡層以增強耐磨焊層的附著效果。耐磨層覆蓋方式有網狀覆蓋和全部覆蓋兩種方式。高硬度的堆焊(敷焊)焊條在施焊后,可能出現耐磨焊層龜裂,并不影響正常使用。

我公司已采用威海三盾FW-2103耐磨焊條對3500絞吸船的絞刀進行耐磨防護處理,焊復后材料的條特點是：硬度較高、抗高應力碾壓、抗沖蝕磨損。

從耐磨敷焊應用過程,我們也總結了以下幾點經驗：(a)全面積敷焊,可對絞刀有最好的耐磨防護,但大面積施焊的焊接熱將導致焊后殘余應力增加,嚴重時可誘發刀臂或大圈裂紋;(b)施焊時,焊條運動走向應是被焊部位的長軸方向(如刀臂的長度方向、大圈的圓周方向),這樣可最大限度地減少施焊時產生的熱應力;(c)網格狀敷焊也可有效地對絞刀進行耐磨防護,因其施焊面積較小,焊接熱影響較小,焊條運動走向不作嚴格限定。

3 結語

總之,磨損是疏浚企業共同面臨的問題,相信在此領域將會有更多的新材料、新工藝、新經驗誕生并供我們借鑒。