疏浚管道金屬材料沖蝕磨損性能*

王文魁 劉裕人 張晴波 胡京招 郭 濤

(中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司 上海 200082)

疏浚工程中常使用排泥管道將泥漿輸送到數公里之外，而泥水攜帶固體顆粒對管壁持續沖刷，造成壁面材料缺失的沖蝕磨損現象，當磨損累積到一定程度將導致排泥管失效報廢。隨著疏浚行業規模擴大，排泥管的需求量和隨之產生消耗量迅速增加，同時考慮管道維修、更換對施工進度的影響，疏浚企業因疏浚管道維護而產生的施工成本迅速提升[1]。因此，疏浚公司對排泥管材料性能的要求越來越高，排泥管材質由最初常用的Q235普通碳鋼逐漸發展為高鉻鑄鐵、熱軋雙層復合材料[2]、中錳鋼[3-5]等多種耐磨金屬材料，還出現了聚氨酯[6]等抗沖蝕性能優異的非金屬材料應用案例。

為選擇輸合理的送管道材質，以提高疏浚管道的抗沖蝕性能，降低其維修和更換頻率，本文作者通過調研，選擇了幾款廣泛用于礦山、疏浚等行業[7]裝備的耐磨損材料，如高鉻鑄鐵、Fedur?合金、中錳鋼、信鉻鋼[8]等進行耐磨性能對比。其中，Fedur?合金是荷蘭公司GCC生產的一種熱軋雙層復合材料，其上層耐磨材料晶粒細密，硬度不小于62HRC；信鉻鋼是一種將碳化鉻硬質顆粒通過堆焊等特殊制作工藝分布到奧氏體基體表面，形成的耐磨復合鋼板。文中將各材料樣品放置在磨料漿內旋轉運動而承受沖蝕磨損，采用對材料表面掃描電鏡觀測、磨損質量比較等方式，對比各材料的耐磨性能，為排泥管用耐磨材料的合理選擇、管道維護甚至管道設計提供參考。

1 實驗方案

根據MSH型試驗機對樣品尺寸的要求，將可用于排泥管道的Q235鋼、Cr15白口鑄鐵、Cr26白口鑄鐵、Fedur?40合金、中錳鋼、信鉻鋼材料制備成8 mm×8 mm×65 mm的試塊樣品，依次編號為試樣1—6，樣品表面粗糙度Ra≤3.2 μm。每種材料至少制備15個樣品，分別用于30°、60°和90°沖蝕角度實驗，每種沖蝕角度至少進行有效重復實驗5次。試樣1材料為Q235鋼，是常見排泥管道材料，文中用作參照對象。

將實驗樣品安放在MSH型自由磨料式磨損實驗機內，按圖1所示的實驗原理進行實驗。實驗中，實驗桶內裝有體積分數為15%的石英砂磨料漿液，石英砂粒徑為100～150目(即篩網孔徑106～270 μm)。樣品安裝于電機帶動的基座上，以1 470 r/min的轉速旋轉。若忽略漿液的伴隨旋轉，則樣品外緣承受的最大沖擊速度，即最大的漿液相對速度約為15 m/s。實際上泥漿伴隨樣品旋轉，但因表觀黏性較大而具有明顯低于樣品的周向伴隨速度。樣品承受的相對沖擊速度通常不大于7 m/s，接近輸泥管道中的真實情況。調整樣品相對周向的安裝角度，從而改變漿液對旋轉樣品的沖擊速度與樣品表面的夾角，即沖蝕角度。

圖1 實驗裝置與沖蝕角度

實驗前，所有樣品均用無水乙醇超聲波清洗2次，每次5 min，隨后在真空干燥箱內100 ℃下干燥2 h后稱量質量，然后置于干燥器內保存待用。實驗中，分別設定樣品的沖蝕角度為90°、60°和30°。首次磨損時間為4 h，后續磨損時間為2 h。實驗后，樣品用無水乙醇超聲波清洗2次，在真空干燥箱100 ℃下干燥2 h后稱量質量。樣品稱量儀器為德國Sartorius AG公司的BP211D型電子天平，精度0.01 mg。

2 抗磨損性能分析

2.1 磨損質量統計

表1給出了沖蝕角度分別為90°、60°、30°時，6種材料樣品在實驗桶內受到石英砂漿沖蝕4和6 h后的磨損質量統計結果。可見，沖蝕角度為30°時，試樣1的抗磨性能表現最差，其次為試樣3和5，試樣2、4和6的磨損質量和磨損率相對較低；沖蝕角度為60°時，試樣1、3和5的磨損質量相對較高，其次為試樣2和4，試樣6的磨損質量依然相對最低；沖蝕角度為90°時，試樣1和3的磨損質量相對較高，其次為試樣2、4和5，試樣6的磨損質量相對最低。

表1 樣品材料的磨損質量統計單位：mg

綜合比較3種沖蝕角度下的磨損質量，可以發現，試樣2、4、6在不同沖蝕角下的磨損質量相對其他3種材料較低，其中試樣4、6在30°沖蝕角下的4 h磨損質量更低，但試樣6在90°沖蝕角下的4 h磨損質量明顯少于試樣4。

2.2 累積磨損分析

定義單位沖蝕時間內的磨損質量為磨損率ω，按下式計算磨損率：

式中:Δm為磨損質量，mg;Δt為沖蝕時間，s。

根據各試樣在30°、60°和90°沖蝕角度下的總磨損質量和總沖蝕時間，得到綜合磨損率，如圖2所示。可見，除試樣5外，其他試樣的4 h磨損率普遍高于6 h磨損率，這一結果與文獻得到的持續沖蝕下材料磨損率通常保持不變或隨表面粗糙度增加而增大的結果[9-10]不符，這可能是因為石英砂漿在實驗桶內沖蝕樣品4 h后，粒度變小、形狀變圓，導致了其磨損能力下降。考慮到實驗數據是多次實驗測量得到的平均值，排除試樣5的單次樣品缺陷或實驗誤差的作用，可認為試樣5存在明顯的持續沖蝕導致磨損率增加的現象，可能不適合用于管道等長期承受沖蝕磨損設備。

圖2 各試樣在30°、60°和90°沖蝕角度下的綜合磨損率

圖2中，試樣6在3種沖蝕角度下的綜合磨損率最低，即其耐石英砂漿沖蝕磨損的綜合性能最優，4 h綜合磨損率約為1.411×10-2mg/s，6 h綜合磨損率約為1.366×10-2mg/s。其次為試樣2、4，兩者6 h綜合磨損率非常接近，約為1.55×10-2mg/s，但試樣4的4 h綜合磨損率更小，約為1.666×10-2mg/s，說明試樣4在磨料顆粒更小、更圓潤的4～6 h區間段內損失了更多的質量。據此推測，相較于試樣2，試樣4抵抗較大、較尖銳石英砂的能力較強，而抵抗持續沖蝕的能力相對較差。

2.3 沖蝕角度影響

材料受宏觀硬度、韌性及微觀結晶組分分布等因素影響，在不同的沖蝕角度下的磨損程度也不相同。圖3給出了各材料在不同沖蝕角度下的磨損率對比，可見各種材料的磨損質量受沖蝕角度影響明顯。需要指出的是，水流沖擊樣品棒時會繞過樣品，在其表面“鋪展”形成水膜，由于水與石英砂粒的密度差異并不懸殊，砂粒會受到水流速偏轉及樣品表面液膜阻礙的影響，實際的平均沖擊角度會小于樣品與周向的安裝角度[11]。

圖3 各試樣在不同沖蝕角度下的平均磨損率對比

由圖3中可見，試樣1在60°沖蝕角下的4 h平均磨損率明顯小于30°、90°沖蝕角情況，但這種差異在6 h的持續磨損下減小。這可能是因為該材料抵抗犁割、切削為主的小角度沖蝕能力與抵抗撞擊、沖鑿為主的大角度沖蝕能力均不出色，而90°沖蝕角的磨損率明顯高于60°沖蝕角的情況，可能是硬質磨料顆粒的濺射導致了二次切削磨損[12]，也可能是大角度沖擊導致顆粒克服鋪展作用而穿透水膜的能力更強。除試樣1外，其他試樣的磨損率均隨沖蝕角的增加而增大，這是因為耐磨金屬材料本身硬度較大而韌性相對較差，抗犁割、切削的能力相對強于抗沖擊能力。

圖3(b)中，試樣2、4、6在30°、60°沖蝕角度下的6 h磨損率相對較小且相近，三者在30°沖蝕角的磨損率約為1.24×10-2mg/s，60°沖蝕角的磨損率約為1.40×10-2mg/s。試樣4在30°沖蝕角度下的4 h磨損率最低，約為1.080×10-2mg/s，試樣6在60°沖蝕角度下的4 h磨損率最低，約為1.158×10-2mg/s。在90°沖蝕角度下，試樣2、4、6的磨損率均有明顯增大，其中試樣6的4及6 h磨損率均最低，分別為1.938×10-2和1.448×10-2mg/s，較30°沖蝕角下分別提升了71%與15%。這說明相對其他脆硬性材料試樣，試樣6對抗大角度沖蝕的能力更強。

3 表面微觀分析

鐵合金材料的微觀晶相是不均勻的，各材料表面錯落分布著合金碳化物、回火馬氏體等硬質晶相組分及奧氏體等相對較軟的晶相組分。石英砂漿沖蝕材料時，砂粒沖向材料表面的速度可分解為切向速度與法向速度。其中切向速度在材料表面上較軟處形成犁溝或顯微切削，導致軟質材料直接脫離；法向速度的沖鑿撞擊產生凹坑，致使軟、硬銜接部分出現裂紋，并導致沖鑿坑附近的軟質組分發生微觀塑性變形。

使用SEM觀察石英砂漿沖蝕6 h后的各材料試樣的磨損表面形貌。圖4—6分別給出了30°、60°、90°沖蝕角下各試樣的磨損表面形貌。

圖4中，各試樣表面存在較多、較長的切削溝槽以及剮蹭痕跡，同時也存在部分鑿擊坑以及不連續的凹凸臺階，說明30°沖蝕角下，由于沖擊速度的切向分量大于法向分量，沖蝕磨損機制以顯微切削為主，同時伴有局部的疲勞剝落磨損。圖5中，切削、剮蹭痕跡的長度有變短的趨勢，試樣表面出現了更多的沖擊鑿坑，且塑性變形所導致的疲勞脫落流失區域所占比例擴大，說明此時的磨損機制中塑性疲勞斷裂占主導。圖6中，試樣表面出現連續的撞擊凹坑，切削溝槽與剮蹭痕跡進一步減少，材料表面嚴重坑洼不平，此時的磨損機制中沖鑿導致脆性破壞與塑性變形累積導致的疲勞斷裂占主導。

結合圖4—6的結果，與文獻中對脆、韌性金屬磨損的相關理論、經驗[8,13-15]，可以得到耐磨金屬材料承受沖蝕磨損過程的一種合理解釋：顆粒的犁割作用會導致合金中偏軟的晶相組分直接被切削掉，而顆粒的沖擊作用會導致軟質組分塑性變形，變形逐漸累積到極限后會導致微觀斷裂，2種作用共同致使軟質晶相組分從材料表面剝離，而且材料的表面粗糙度的增加可能會加速這一現象；合金中的硬質晶相組分則因裂紋、撞擊破碎、周圍起支撐作用的軟質組分被剝離等因素而松動，然后在顆粒的撞擊下脫落。

圖4 沖蝕角30°下各試樣的SEM表面形貌

圖5 沖蝕角 60°下各試樣的SEM表面形貌

圖6 沖蝕角 90°下各試樣的SEM表面形貌

4 結論

通過對多種材料進行3種角度的石英砂漿沖蝕實驗，得到主要結論如下：

(1)僅考慮抗沖蝕能力，信鉻鋼對抗實驗磨料的綜合表現最好，而Fedur?40合金在中、小沖蝕角度下的表現也很好。因此，選擇排泥管材料時，應該綜合考慮材料的成本、加工性能、輸送的磨料、可能沖蝕角度等多種因素。

(2)在石英砂漿沖蝕下，各種耐磨金屬材料均呈現出隨沖蝕角增加而抗磨損性能下降的趨勢。除中錳鋼之外，實驗中其余材料的6 h磨損率均低于4 h磨損率，這可能是長時間磨損使得磨料粒度減小、形狀變圓的緣故。中錳鋼材料存在明顯的持續沖蝕導致磨損率增加的現象，可能不適合用于管道等長期承受沖蝕磨損設備。

(3)SEM分析表明，各種耐磨金屬材料同時承受多種磨損作用，合金材料中起支撐作用的軟質組分容易因切削、塑性疲勞斷裂等因素而被剝離，而較硬的碳化物等組分則在松動后容易被顆粒撞擊脫落。