順丁橡膠裝置堿洗系統堿液循環泵葉輪失效研究

秦開武

（中國石油四川石化有限責任公司，四川 成都 611930）

隨著我國工業化水平的不斷提升，離心泵在我國化工企業生產中應用的頻率越來越高，并逐漸成為保障化工企業生產穩定運行的關鍵設備。因此，在化工企業的日常工作中，要重視離心泵的維護保養及故障處理，在離心泵故障發生后，能夠及時查明原因并有效解決，確保離心泵穩定運行，進而保證化工企業生產安全穩定運行。順丁橡膠裝置堿洗系統堿液循環泵P-2020A/S是化工企業生產過程中常用的一種離心泵，其主要是用于輸送、循環和提升裝置纖維膜堿洗系統循環低濃度堿液。

1 堿液循環泵的構成及工作原理

1.1 結構組成

順丁橡膠裝置堿液循環泵為離心泵，主要由葉輪、泵體、泵軸、軸承、密封墊圈及填料函等組成。其中，葉輪是堿液循環泵內部的關鍵過流部件，也是其能量轉換的核心部件，在葉輪高速轉動的作用下，使得流體介質產生離心作用，進而實現輸送液體的目的；泵體也稱為泵殼，是用以固定泵軸及其他部件的功能性裝置，也是連接葉輪與外部電機的傳動部件；軸承主要是用以確保泵軸正常滾動、滑動的支撐構件；密封圈主要是設置在泵體與葉輪之間的間隙，起到預防泵殼滲水的重要作用；填料函主要是填入泵軸與泵殼之間的間隙，并使水泵處于真空狀態。

1.2 工作原理

在堿液循環泵工作流程中，主要是利用葉輪所產生的離心作用來實現液體傳輸，其工作原理主要是：在外部電機提供電力后，堿液循環泵的葉輪在泵軸的帶動下高速旋轉，從而產生較強的離心力。而在葉輪離心作用下，葉輪上的液體隨著葉輪的旋轉進入壓水管道中，同時，在葉輪中心區域形成一個真空區域，此時，在內外壓力差的作用下，液體進入泵體中，通過如此反復來實現液體的傳輸。

2 堿液循環泵葉輪失效機理分析

葉輪是堿液循環泵中重要的過流部件，而泵類過流部件磨損失效是通常由多種因素相互影響導致，并且在不同的工況條件下，葉輪的磨損機理也不同。實際觀察和分析磨損件，泵類過流件的磨損機理主要分為沖蝕磨損、空蝕損失和腐蝕這三大類。

葉輪是堿液循環泵內部關鍵部件之一，同時，也是運行過程中最容易出現損壞的部件。隨著葉輪的高速旋轉，所形成的離心力會使得泵內的堿液對葉輪產生強烈的沖刷，在達到一定條件時，堿液還可能會出現氣化的現象，繼而引起葉輪空蝕現象。

從性質上看，堿液循環泵葉輪所產生的空蝕現象，屬于液體流動力學范疇。而導致這一現象產生根本原因在于堿液在流動時有局部壓力降的情況出現，由此形成了低壓區。當堿液循環泵吸入口出的壓力與其溫度下飽和蒸氣壓一致時，還會出現液體沸騰汽化的現象，從而產生大量的氣泡。而在氣泡從低壓區流動至高壓區時，又會受到周圍高壓液體的作用而迅速縮小凝結，最終完全破裂。由于這一過程非常迅速，在氣泡破裂出還會形成局部真空，隨著周圍壓力的變化，導致液體對這一局部真空形成較大的沖擊力。通常氣泡的體積并不大，所以會集中在與氣泡接觸到零件微小表面上形成沖擊力。材料避免由于受到頻繁的高壓荷載作用，其表面出現呈現出疲勞損壞，同時，若形成的氣泡中含有大量的氧氣，還會對金屬材料造成強烈的氧化腐蝕。除此之外，泵內液體所產生的強烈沖擊力，還會轉化為熱能和氣泡凝結的熱能，這樣一來，就會使得氧化腐蝕現象愈發嚴重，最終使得葉輪有嚴重的損壞繼而徹底失效。

3 實證分析

為更加直觀地對葉輪空蝕失效機理進行分析研究，對順丁橡膠裝置的堿液循環泵P-2020A/S進行分析。在定期大修時，發現堿液循環泵P-2020S的葉輪出現嚴重腐蝕，見圖1。

圖1 堿液循環泵P-2020S前后蓋本損壞情況

該臺堿液循環泵的葉輪為閉式葉輪，由前后蓋板和4個葉片構成，葉輪的規格為Ф198mm，轉速2390r/min；葉輪材質為鑄鋼，汽蝕余量2.9m，揚程35m于2017年年底纖維膜堿洗系統開車時同時投用。

3.1 檢測分析

在進行泵類葉輪失效檢測分析時，主要采用的檢測分析方法有宏觀分析及低倍顯微鏡觀察、化學成分分析、無損探傷檢測、金相分析、掃描電鏡與能譜分析等。

（1）宏觀分析及顯微鏡觀察。通過觀察圖1可得知，該臺堿液循環泵的葉輪有明顯的腐蝕情況，具體表現為葉輪前后蓋板及葉片因受到腐蝕作用而逐漸變薄，同時還出現了大面積的穿孔現象。其中，相對來說，葉輪前蓋板及葉片的損壞程度要比后蓋板的損壞程度輕一些。而觀察葉輪表面的損壞情況，發現其損壞形式主要呈蜂窩狀蝕坑。隨著時間的推移，這類蝕坑不斷發生、發展，勢必會使得葉輪損壞程度進一步加劇，進而導致葉輪呈現出流體空蝕和沖蝕的失效狀態。另外，在葉輪高速旋轉的作用下，若已經出現空蝕，葉輪的腐蝕速度還會進一步加快，此時，葉輪表面更加粗糙，又會使得液體空蝕和沖蝕作用增強，在如此惡性循環的作用下，最終導致葉輪損壞而徹底失效。

（2）化學成分分析。化學成分分析也是金屬材料試驗檢測分析中常用的一種方法。在具體的分析中，先進行葉輪區塊試樣，之后依據GB/T23942-2009《化學試劑電感耦合等離子體原子發射光譜法通則》這一技術標準，使用光譜儀進行葉輪材質的化學分析，分析結果見表1。從表1中可得知，葉輪材質為鑄鋼，并符合ZG230-450鋼的標準要求。

表1 葉輪材質化學分析（質量分數%）

（3）無損探傷檢測。通過宏觀觀察發現，葉片的表面具有明顯的腐蝕坑，為進一步判斷葉片內部的缺陷，先對損傷的葉片進行清洗，將表面腐蝕物質去除后，采用超聲波無損探傷檢測法進行葉片檢測，結果發現，其內部存有許多深淺不一、大小不一的孔洞。同時，切開部件后發現內部剖側面存有許多密密麻麻黑色的鑄造孔洞。

（4）金相分析。金相分析是金屬材料試驗研究過程中重要手段之一，在檢測分析堿液循環泵葉輪過程中，也采用了金相分析這一研究方式，主要用于分析葉輪前蓋板的狀況。首先，是在葉輪的前蓋板上取金相樣品，之后通過預磨、拋光腐刻等工序后，將其放在顯微鏡下進行觀察分析。圖2為堿液循環泵P-2216S葉輪金相組織，其主要是由白色塊狀鐵素體和黑色珠光體組成。通過金相分析可得知，葉輪的前蓋板內外表面未有明顯的腐蝕物質附著，但是，存在許多大小不一的腐蝕坑，正因為這些腐蝕坑的存在，使得葉輪前蓋板表面凹凸不平，而且非常粗糙。這些腐蝕坑的存在，主要是由液體的空蝕和流蝕引起的。

圖2 堿液循環泵P-2216S葉輪前蓋板金相組織

（5）掃描電鏡與能譜分析。掃描電鏡主要是用于分析葉輪前蓋板內外表面的損壞情況。具體的情況可見圖3所示。從圖3中可得知，在葉輪前蓋板表面上，有著許多大小不一葉的腐蝕坑，且磨損形式為蜂窩狀。同時，從能譜分析中可得知，在葉輪前蓋板表面上主要存在Fe、O、C、Na、Mg、Mn、Cr這些元素，這些元素均為鐵的氧化物。即便在葉輪表面并沒有如CI、S這些較強腐蝕性的元素，但是卻有較高含量的氧。伴隨著溶解氧的作用，會使得葉輪金屬表面的化學腐蝕作用進一步加劇，進而導致葉輪金屬表面發生及發展麻點。

圖3 堿液循環泵P-2216S葉輪前蓋板外表面的情況

3.2 檢測結論

通過上述的檢測分析得知，導致葉輪失效的原因，主要是材料抗腐蝕性較差。一方面，表現為葉輪的材質為鑄鋼；另一方面，則是葉輪金相組織為白色塊狀鐵素體和黑色珠光體，而在葉輪工作期間，泵內流體介質（堿液）會對葉輪產生空蝕和沖蝕破壞，此時，就會導致葉輪的前后蓋板和葉片等受到嚴重的化學腐蝕作用，而且在腐蝕作用下，材料會逐漸變薄直到穿孔而失效。另外，在表面高含量的溶解氧作用下，會進一步加劇流體介質的空蝕破壞。

4 建議

基于堿液循環泵葉輪失效的機理及失效原因的基礎上，以下從提高泵體抗空蝕性能、提高葉輪本身抗空蝕性能這兩個方面提出具體的建議。

4.1 提高泵體抗空蝕性能

從上述分析中得知，空蝕破壞是導致堿液循環泵葉輪失效的主要原因之一。因此，為確保堿液循環泵葉輪得以正常運行，有必要提高堿液循環泵本身的抗空蝕能力。具體可以通過改變葉輪入口流速、優化設計葉輪入口尺寸以及調整葉片數量的方式，從而提高泵體的抗空蝕性能。

4.2 葉輪材質升級

從堿液循環泵葉輪失效的原因來看，還需要進一步提高葉輪的抗空蝕性能，降低空避破壞。在上述分析中，葉輪材質為鑄鋼，較容易受到化學腐蝕的作用。為此，可通過更換為不銹鋼或雙相鋼，來增強葉輪的抗空蝕性能。同時，也需要加強葉輪表面的處理，在上述分析中得知，該堿液循環泵葉輪損壞主要發生在表面，為此就需要采用表面工程技術來強化葉輪的修復，這既能夠節約大量貴重的材料，也能夠讓腐蝕損壞程度嚴重的部位得以很好的保護，同時，還能夠有效解決設備制造過程中的工藝問題。具體可以通過表面噴涂、鍍覆耐磨腐蝕層等方法來進行修復處理。其中，可以在葉輪表面涂刷高分子陶瓷材料，不僅能夠有效解決機械磨損、化學腐蝕和汽蝕的問題，也能修復葉輪表面質量，從而改善葉輪的運行狀態，延長葉輪的使用壽命。這是因為陶瓷材料本身具有天然的優秀物理和化學性能，不會受堿液中腐蝕性成分的腐蝕，而且耐腐蝕性能要優于合金材料，另外，陶瓷的硬度也非常高，如此一來，也能有效緩解流體的沖蝕作用，不至于出現膠結涂層整塊脫落的現象，進而從根本上保證材料的工作能力。

另外，考慮空蝕過程涉及材料、流體力學及電化學等多個學科，為有效應對空蝕破壞，未來還需要進一步加強新型抗空蝕材料的研究，由此進一步提高金屬材料的抗空蝕性能。