海洋平臺(tái)海水泵泵頭材料選擇與應(yīng)用研究

曾偉

（中海石油（中國(guó)）有限公司崖城作業(yè)公司，廣東 深圳 518067）

海水泵泵頭一般由泵碗、葉輪、吸頭、泵軸等主要部件組成。海水泵泵頭的主要部件材料應(yīng)選擇M30C、蒙乃爾K500 和C93700。查閱ASTM 標(biāo)準(zhǔn)可以看出，M30C、蒙乃爾K500 兩種材料的化學(xué)成份中，鎳和銅的占比最能起到耐腐蝕作用，而C93700（ZCuPb10Sn10）的潤(rùn)滑性能、耐磨性能好，三種材料的耐腐蝕性能都非常好。在海水泵泵頭的選材和制造過(guò)程時(shí)，除了考慮材料的持久耐用性外，還應(yīng)根據(jù)海洋平臺(tái)的使用期限盡可能減少投入成本，為了有效地提升材料在海水當(dāng)中的耐腐蝕能力，需要在制造階段添加一些材料，例如鎳合金、銅合金、蒙乃爾材料等，將這些材料應(yīng)用到海水泵泵頭的制造當(dāng)中，能夠有效地提升其耐海水腐蝕的能力。在實(shí)際的應(yīng)用階段，海水泵所表現(xiàn)出的機(jī)械性能與其材料當(dāng)中所含的微量元素與制造工藝與有一定的關(guān)系，同時(shí)在加工階段不同材料的價(jià)格差異也很大。基于此，在海水泵的生產(chǎn)階段要將以上因素都考量在內(nèi)，從而使海水泵在各個(gè)方面的性能都得到全方位的提升。

1 海水泵防腐

海水泵泵頭通常由泵碗、葉輪、吸頭、泵軸、銅套等部分構(gòu)成，隨后通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在使用的階段損壞較為嚴(yán)重的部位為海水泵泵頭、葉輪、泵軸、口環(huán)、銅套等。

通過(guò)對(duì)于數(shù)據(jù)的整理分析得出以下三個(gè)方面容易造成海水泵的腐蝕：（1）由于海水的原因造成泵的氧化腐蝕；（2）由于材料本身的耐腐蝕性較低而發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，例如，沖刷腐蝕、應(yīng)力腐蝕、裂縫腐蝕等；（3）金屬之間的點(diǎn)位列相差較大，進(jìn)而使產(chǎn)生電偶腐蝕的現(xiàn)象。

在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，針對(duì)于以上發(fā)生腐蝕的情況，需要采取相應(yīng)的手段防止腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)與實(shí)踐得知，通過(guò)陰極保護(hù)、熱處理以及提高制造工藝等方面的手段能夠有效的防止其在使用階段發(fā)生腐蝕的現(xiàn)象。

2 選材分析

對(duì)某海洋平臺(tái)海水泵泵頭主要部件有泵碗、葉輪、吸頭、泵軸化學(xué)成分和機(jī)械性能檢測(cè)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同材料的海水泵泵頭部件，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品上述機(jī)械性能抗拉、屈服、延伸、硬度、沖擊、斷后伸長(zhǎng)遠(yuǎn)高于ASTM 標(biāo)準(zhǔn)，與國(guó)外產(chǎn)品相近，為今后海水泵泵頭國(guó)產(chǎn)化提供一定的技術(shù)參考和理論支持。海水泵泵頭主要各部件的材料可以按表1 進(jìn)行選擇。

表1 海水泵主體部件選材表

環(huán)境對(duì)海水泵的使用壽命也造成了一定的影響，同時(shí)對(duì)于這個(gè)方面的問(wèn)題，相關(guān)行業(yè)也一直致力于海水泵腐蝕的研究，力求開(kāi)辟出一條提升海水泵的方法，同時(shí)針對(duì)于如何攻克海水泵的腐蝕問(wèn)題也逐漸的投入了大量的人力物力。在這個(gè)階段，優(yōu)質(zhì)選材便是提升海水泵綜合性能與質(zhì)量的關(guān)鍵性因素。

2.1 蒙乃爾材料

在海上平臺(tái)上，選用蒙乃爾材料的部位為泵軸、口環(huán)等方面，同時(shí)其相應(yīng)的合金材料為M400、K500、R405 三種，在這之中，常用的為K500 與M400。對(duì)于合金的機(jī)械性能來(lái)說(shuō)，K500 具有比M400 更高的強(qiáng)度和硬度，無(wú)磁。該合金中加入了Al、Ti 等元素，經(jīng)特殊熱處理，在基體中形成彌散金屬間化合物γ′相；組織結(jié)構(gòu)為單相奧氏體組織和彌散的Ni3（Al、Ti）沉淀相；其屈服強(qiáng)度約是M400 的三倍、抗拉強(qiáng)度約是M400 兩倍，具有優(yōu)良的耐蝕性。

2.2 M30C 材料

該材料的化學(xué)成份中，影響產(chǎn)品機(jī)械性能的主要元素為S、P、O 含氧量，能保證其機(jī)械性能的主要元素是Ni、Cu、Fe、Nb、Si,所有主要元素、材料中都含有S、P、O，為了降低熔煉合金中的S、P、O，需要選擇高品質(zhì)原材料。目前平臺(tái)所應(yīng)用的M30C 材料的泵碗、吸頭、葉輪，其機(jī)械性能遠(yuǎn)超于ASTM A 494 標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 不銹鋼材料

（1）316L 不銹鋼。對(duì)于抗海水腐蝕能力方面的性能來(lái)說(shuō)，316L(00Cr17Ni14Mo2)奧氏體不銹鋼在這一方面的能力較差，同時(shí)也比較容易發(fā)生裂縫以及腐蝕現(xiàn)象。在實(shí)踐當(dāng)中，由于316L 材料容易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。在其產(chǎn)生裂縫的情況下，會(huì)加速其局部的腐蝕程度，并且這種現(xiàn)象在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中難以掌控。基于此，便可以通過(guò)陰極保護(hù)或者是表面涂層的方式提升不銹鋼材料的抵抗腐蝕能力。通過(guò)這樣的方式，能夠使316L 不銹鋼材料的抗腐蝕性全面提升，但是這種方法也存在一定的弊端，即該材料在設(shè)計(jì)階段的復(fù)雜性提升。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，較為容易破壞的便是材料的表面涂層，所以便需要對(duì)其進(jìn)行定期的檢修保養(yǎng)，否則便會(huì)導(dǎo)致其在使用階段的抗腐蝕效果降低，同時(shí)每次的維修與保養(yǎng)都會(huì)伴隨著相應(yīng)資金投入的增加。

（2）雙相不銹鋼。對(duì)于雙相不銹鋼來(lái)說(shuō)，主要便是固溶組織中鐵素體相與奧氏體相這兩個(gè)成分各占50%的一種不銹鋼。并且在實(shí)際當(dāng)中，兩者的成分也會(huì)有稍微的差異性，然而這兩種成分當(dāng)中較少的一相也不會(huì)低于30%。從理論上來(lái)說(shuō)，22Cr 雙相不銹鋼并不能偶有效的抵御海水的腐蝕，所以其并不適用于福建的水域。但是，其在抗腐蝕性方面相對(duì)于316L 來(lái)說(shuō)要稍強(qiáng)。不過(guò)，在應(yīng)用階段，裂縫腐蝕與點(diǎn)蝕這兩個(gè)現(xiàn)象是其中較為容易發(fā)生的現(xiàn)象。

（3）超級(jí)雙相不銹鋼。針對(duì)于超級(jí)雙相不銹鋼來(lái)說(shuō)，其相對(duì)于316L 不銹鋼與雙相不銹鋼來(lái)說(shuō)，其含有更多的合金元素，在一般情況下，超級(jí)不銹鋼當(dāng)中鉻含量為25%、鎳含量為7%、氮含量為0.22%～0.30%，基于此，相對(duì)于以上兩項(xiàng)不銹鋼來(lái)說(shuō)，其抗腐蝕方面的性能更強(qiáng)。

在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中，超級(jí)雙相不銹鋼的牌號(hào)也有許多，例如S31803、S32205、S31500、S32304、UNSS32001、S32760、S32750 等，且在其中的合金含量相對(duì)于以上兩種材料來(lái)說(shuō)也較多，在超級(jí)雙相不銹鋼當(dāng)中高鎳、高鉻、高氮這三個(gè)方面的平衡設(shè)計(jì)，也能夠使超級(jí)雙相不銹鋼的耐腐蝕性等方面的性能得到全面提升，同時(shí)也能夠使其抗點(diǎn)蝕量的系數(shù)大于40。

2.4 鉛青銅-C93700（ZCuPb10Sn10）

鉛青銅-C93700（ZCuPb10Sn10）通過(guò)其化學(xué)成分（表2）和機(jī)械性能（表3），C93700 的潤(rùn)滑性能、耐磨性能和耐腐蝕性能好，適合用作雙金屬鑄造材料。由于其表面的壓力較高，同時(shí)在其滑動(dòng)軸承方面也含有側(cè)壓力，例如,軋輥、車(chē)輛軸承、摩擦片以及活塞銷(xiāo)套等。

表2 C93700 化學(xué)成分

表3 C93700 機(jī)械性能

2.5 鹽霧試驗(yàn)

取蒙乃爾K500 與M30C 試樣。進(jìn)行銅加速乙酸鹽霧試驗(yàn)，考察兩種材料的耐腐蝕性能。采用標(biāo)準(zhǔn)為GBT10125-2012 人造氣氛試驗(yàn)—鹽霧試驗(yàn)。所采用的溶液為50g/L 的NaCI 溶液。用冰乙酸調(diào)整噴霧溶液的pH 值范圍在3.1 ～3.3，試驗(yàn)周期24h。根據(jù)24h 銅加速乙酸鹽霧試驗(yàn)后試樣的形貌和稱(chēng)重結(jié)果判斷，試樣發(fā)生了很輕微的腐蝕，質(zhì)量發(fā)生變化很小。

2.6 主要材料性能綜合分析

在上文中，針對(duì)于316L 不銹鋼、雙相不銹鋼、超級(jí)雙相不銹鋼等三種不銹鋼材料做出了分析，通過(guò)分析結(jié)果可知：這三種材料在應(yīng)用階段都具有一定的抗腐蝕能力。這三種材料在微量元素以及制造工藝方面的差異性，也使其在機(jī)械性能方面有所不同。在實(shí)際中這三種材料的價(jià)格也不盡相同。基于此，在對(duì)于材料選擇的階段，便需要對(duì)于三種材料的機(jī)械性能、抗腐蝕能力、材料價(jià)格等方面做出充分的考量，進(jìn)而提升海水泵的綜合性能。

（1）在海水泵制造的階段，要對(duì)于海水泵制造階段的材料選擇做出充分的考慮、并且對(duì)于其抗腐蝕性能、機(jī)械性能以及相應(yīng)的價(jià)格等方面的因素進(jìn)行衡量，同時(shí)，材料選擇的原則為在保證質(zhì)量的前提下，盡可能地對(duì)于成本進(jìn)行控制。基于此，2205 雙相鋼的性能比316L 不銹鋼要強(qiáng)上一些，并且其在價(jià)格方面也比較合理，所以在材料選擇階段選取2205雙相鋼更為合理。

（2）在銅合金材料的選擇階段，同樣需要對(duì)于耐腐蝕性、機(jī)械性能以及市場(chǎng)價(jià)格等三方面的性能進(jìn)行考量。而鋁青銅在應(yīng)用階段的機(jī)械性相對(duì)來(lái)說(shuō)較好，并且其在生產(chǎn)階段的成本控制相對(duì)來(lái)說(shuō)也較為容易，所以在選擇階段需要選擇鋁青銅。

（3）針對(duì)于蒙乃爾材料的選擇來(lái)說(shuō)，在其用作泵軸的階段，由于其成本較高的原因，所以在材料選擇的時(shí)候，若是沒(méi)有特殊的需求，便可以使用其他方面的材料將其替代，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)階段的成本控制。

3 結(jié)語(yǔ)

在海水輸送過(guò)程中，海水泵是其中一項(xiàng)較為重要的設(shè)備，同時(shí)這種設(shè)備也被廣泛的應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中，所以在對(duì)于海水泵進(jìn)行選擇時(shí)，要對(duì)于綜合的因素進(jìn)行考量，例如，材料的抗腐蝕性、機(jī)械性能以及成本價(jià)格等，只有這樣才能夠使海水泵的質(zhì)量得到全面的提升，進(jìn)而使其在投入使用階段發(fā)揮出更大的功效。