疏浚泥泵前襯板材料汽蝕與磨蝕試驗

趙天彪 汪金文 楊興華 郝志剛

(1.中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司；2.山東科技大學機械電子工程學院)

近年來，我國疏浚市場營業額占全球疏浚市場比例超過三分之一[1]，成為疏浚大國。我國自行研發制造的大型挖泥船在吹填造島、航道疏浚、港口建設和河道清淤等方面發揮著重要作用，但隨著疏浚市場規模的不斷擴大，一些問題也逐漸暴露出來，其中挖泥船核心部件大型泥泵面臨著汽蝕與磨損嚴重的問題[2-5]，該問題在前襯板過流部位尤為突出。如廈門某吹填工程由于前襯板汽蝕，每隔20天就要更換一次，每次需要耗費一天時間。不僅浪費人力物力，還嚴重制約挖泥船的使用壽命。

大型泥泵前襯板分為內、外圈襯板，外圈襯板損壞以磨蝕與汽蝕為主，內圈襯板以磨蝕為主。目前內圈襯板一般采用高鉻合金鋼或合金鋼等硬度較高的金屬材料制成，耐磨損性能較高，但在高頻汽蝕沖擊下，襯板表面逐漸出現麻點、坑穴[6]，汽蝕與磨蝕的交互作用最終導致襯板失效。為提高泥泵使用壽命，國內外已開展泥泵易磨損部位替代材料的研究[7]。如荷蘭IHC公司采用聚氨酯材料作為泥泵襯里，耐磨性是高合金鋼、鑄鐵和堆焊材料的2～3倍，是低合金鋼、普通鑄鋼和鑄鐵的8～10倍。有學者通過研究疏水性聚氨酯的耐磨性和耐汽蝕性能發現，相比硬質合金涂層，聚氨酯具有更好的耐汽蝕性能。

針對高硬度材料耐汽蝕沖擊性能差的問題，本文提出在大型疏浚泥泵內圈前襯板過流部位澆筑彈性體涂層，彈性體具有較高的耐汽蝕和抗磨損性能。當汽化后的氣泡破裂產生高頻沖擊力沖擊彈性體時，由于彈性體回彈性很高，可緩沖氣泡破滅時對涂層產生的巨大反復沖擊力，從而減緩襯板過流面的汽蝕破壞。為深入研究彈性體耐汽蝕與磨損性能，搭建旋轉轉盤實驗臺，模擬現場工況進行彈性體材料的汽蝕與磨損試驗，并與現場使用的高鉻鋼進行對比，進行材料優選。

1 試驗設備與方法

1.1 試驗材料

試驗選用硬度不同的彈性體60、聚氨酯72、聚氨酯95、高鉻合金鋼4種材料，將聚氨酯澆筑于事先制成的鐵基體上。試驗樣品加工制成圓柱體狀，樣品尺寸φ35 mm×38 mm，試驗前進行清洗、烘干、稱重。利用電子分析天平對樣品稱重，精度0.001 g。

1.2 試驗裝置

旋轉轉盤試驗裝置包括電機、循環管路、物料桶、轉盤、實驗臺架等，組成見圖1。

圖1 旋轉轉盤試驗裝置

試件固定安裝在轉盤的試件孔上。通過電機帶動轉盤旋轉，試件隨之轉動，同時流體介質從正對于轉盤的進料口進入，利用轉盤實驗臺模擬現場的疏浚工況。同時在轉盤轉動的前方開設汽蝕孔，流體在流經轉盤表面時在汽蝕孔位置產生氣泡，隨轉盤的旋轉在試件表面破裂，產生汽蝕，觀察、記錄各試件的汽蝕與磨損情況。

1.3 試驗步驟

分別選取自來水和含沙水兩種不同的流體介質進行彈性體材料的汽蝕與磨蝕試驗。根據現場實際工況，調整轉盤轉速為2 900 r/min，對應轉盤試件中心速度為27.13 m/s。汽蝕試驗共進行70 h，磨蝕試驗共進行15 h，記錄試驗數據。試驗結束后，清洗、烘干，并利用zeta3D掃描電鏡觀察表面，進行表面三維形貌分析，討論試驗結果。

2 試驗結果與討論

2.1 汽蝕70 h試驗

3種彈性體材料進行70 h汽蝕試驗后的表面三維形貌照片見圖2。

圖2 彈性體汽蝕70 h后表面形貌SEM照片

由圖2可知，彈性體60與聚氨酯72材料表面較為光滑平整，表面破壞程度小，無明顯凹坑，而聚氨酯95材料表面出現少量蜂窩狀針孔。因此彈性體60的耐汽蝕性能最為優異，主要原因是其硬度較低，彈性較好，能夠有效緩沖試驗過程中氣泡破裂產生的高頻沖擊，聚氨酯95材料則因硬度較高，出現少量針孔、坑穴。

2.2 磨蝕15 h試驗

對彈性體60、聚氨酯72、聚氨酯95、高鉻合金鋼4種材料進行磨蝕試驗，含沙水介質選用石英砂，質量濃度25%。為便于介質對試件進行磨蝕，安裝后試件凸出轉盤表面一定高度?？紤]到試件表面距轉盤表面的距離對試件磨蝕會有影響，選取材料距轉盤表面的距離為1，3，4 mm進行3組試驗。為更加直觀地對比4種材料的耐磨蝕性能，試驗考察磨蝕15 h后4種材料體積損失，對比結果見圖3。

圖3 距轉盤表面不同凸出厚度下4種材料樣品體積損失

從圖3可以看出，3種凸出厚度下彈性體60的體積損失量最小，聚氨酯72略大，均表現出較好的耐磨性能。高鉻合金鋼的體積損失近似為聚氨酯72材料的2倍，磨蝕較嚴重。這是由于彈性體60和聚氨酯72材料彈性較好，可有效緩沖固液兩相流的直接磨蝕。聚氨酯95磨損體積損失較大，原因是其表面硬度相對較高，耐汽蝕與磨損性能較差。試驗材料距轉盤表面凸出高度對不同材料間相對磨損性能基本沒有影響，4種材料其耐磨蝕性能高低順序為彈性體60>聚氨酯72>高鉻合金鋼>聚氨酯95。

4種材料磨蝕15 h后表面形貌SEM照片見圖4。

圖4 4種材料磨蝕15 h后表面形貌SEM照片

從圖4可以看出，聚氨酯72與聚氨酯95表面出現少量摩擦劃痕，表面相對平整光滑。相比高鉻鋼，彈性體減弱了物料顆粒與材料表面的直接磨損，在減少能量耗散的同時起到緩沖、減震的效果。高鉻合金鋼表面形成較多犁溝，且溝槽較寬，這是顆粒與材料直接摩擦造成的。彈性體60表面出現較多魚鱗紋，在試驗過程中發現有整體掉落現象。

通過比較體積損失與表面三維形貌發現，彈性體材料表面劃痕不明顯，因此利用三維表面形貌儀測量3種材料的表面劃痕，對比材料表面的破壞程度。3種材料表面劃痕深度與寬度對比見表1，表面劃痕檢測結果見圖5。

表1 兩組材料表面劃痕深度與寬度對比 μm

圖5 3種材料三維表面形貌劃痕對比

由表1和圖5可知，3種不同硬度的彈性體材料經15 h磨蝕后，表面均出現了不同程度的劃痕損傷，除聚氨酯95外，彈性體60和聚氨酯72的兩組劃痕數據基本一致，聚氨酯95材料兩組劃痕數據相差不大。從第1組數據可知，聚氨酯95材料表面劃痕較為嚴重，劃痕深15.24 μm，寬28.18 μm，彈性體60材料劃痕次之，聚氨酯72三維表面劃痕最小。材料表面劃痕微觀分析說明聚氨酯72材料的耐磨蝕性能最好。

3 結 論

就耐汽蝕性能而言，汽蝕70 h后，彈性體60材料耐汽蝕性能最佳，聚氨酯72材料次之，且兩者性能基本相同，聚氨酯95材料最差。就耐磨蝕性能而言，彈性體60材料與聚氨酯72材料磨蝕15 h后，磨蝕體積損失相差不大，而聚氨酯72材料的表面劃痕寬度與深度更小，性能更佳，但高鉻合金鋼與聚氨酯95材料體積損失較嚴重，耐磨蝕性能較差?？傮w而言，聚氨酯72材料耐汽蝕和磨蝕性能均比較優異，將其應用于大型泥泵內圈襯板，能有效提高內圈襯板壽命。

[1] 武建中,盧志炎,盛晨興.我國疏浚業的現狀與展望[J].中國水運,2017(2):14-16.

[2] 朱步生,鄭 偉,彭永富，等.泥泵磨損與汽蝕的數值分析[J].中國水運,2014(1):86-88.

[3] 張 娜,張 晶.離心泵汽蝕現象分析及防汽蝕措施[J].流體機械,2013(7):53-55.

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