潜水排污泵的失效原因及解决措施

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    -潜水排污泵的失效原因和改进措施： 

通过对QW型双流道潜水排污泵叶轮失效原因进行分析，得出潜水排污泵叶轮产生磨损的主要原因是因高速含固体颗粒的水流对过流部件的磨损破坏和汽蚀与磨损的联合破坏的结果，根据分析结果提出相应的解决方案。按此方案对该泵进行综合改造后，经运行半年后解体观察，叶轮部分无明显腐蚀，效果良好，

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                              1、叶轮和壳体材料及工况

    某污水处理厂用的QW型双流道潜水排污泵使用7~9个月时，泵的运行效能明显出现下降现象，经过解体发现，叶轮损坏严重，而壳体部分整个表面腐蚀尚不严重。泵的设计参数：转速1450r/min、流量200mVh、扬程22m、功率22kW，叶轮和壳体的材料为HT200，实测的化学成分列于表1。运行工况时的工作介质为生活污水，微带酸性；含有固体颗粒。

表1铸铁的化学成分(按质量计，％)

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 2、腐蚀特征

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    2.1、叶轮腐蚀

    潜水排污泵叶轮的腐蚀情况如图1所示，运行仅几个月叶轮平均磨损深度已经达到3-5mm，汽蚀坑深4-6mm，叶片磨短5mm以上，叶轮导流部分减薄严重，减薄量2-4mm，两面均有鱼鳞状花纹和蜂窝状花纹交互出现，正面花纹大而深，背面花纹小而浅，鱼鳞状花纹的方向指向水流的流动方向。叶轮口环的径向圆周面出现半圆形的冲刷坑。叶轮出水侧叶片和隔板减薄严重，外缘呈参差不齐的刀刃状。

    2.2、壳体腐蚀

    壳体内侧有冲击磨损的环状沟痕，壁厚原为8mm，冲蚀后减薄到6mm，损坏不是很严重，但在进口处的冲击磨损比较严重。在部分地方出现较深的沟状条纹。壳体腐蚀如图2所示。 2 O3 M3 J G. l5 u

    3、叶轮失效原因分析

    从宏观上分析，叶轮失效的直接原因是叶片的严重减薄，通过对叶轮的工况及损坏情况分析可见，引起叶片减薄的原因，是由于出现了严重的磨损和腐蚀而造成的，即高流速污水中固体颗粒的磨削作用加速了材料表面的腐蚀，从图1可以看出，叶轮存在明显的磨削区、冲击区和汽蚀区。由于叶轮不同部位的流速与流动状态不同，因此介质对叶轮的机械作用力大小与方向也不周，导致表面出现不均匀的磨损腐蚀形态。在此主要表现为磨蚀和汽蚀两种形式。

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图1叶轮磨蚀破坏实况图

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2泵体磨蚀破坏实况

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    3.1、固体颗粒对磨蚀的影响 : c- p) z% Z3 v# o* N

    污水中的固体颗粒是加速潜水排污泵过流部件磨蚀的主要原因，通过水流相对速度和汽蚀作用产生磨蚀破坏。在高速含固体颗粒水流中具有一定动能的硬质沙粒对过流部件表面反复冲击和切削形成磨损，固体颗粒对过流部件的磨损量可用下式进行估算

方程式

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    由上式可知，固体颗粒对过流部件的磨损主要是通过水流相对速度的作用而产生破坏。固体颗粒增加汽蚀发生率，降低抗汽蚀能力。首先含固体颗粒的物化特性和流动性与清水有很大的差别，含固体颗粒水流的粘性降低，抗断裂性差，增加了空泡产生概率。其次，固体颗粒中会夹带气泡植入水中增加水中汽核，使汽蚀发生概率上升。另外，固体颗粒与水的质量、惯性力有明显的差异，固体颗粒的运动轨迹偏离水流流线使流场发生畸变，由于绕流阻力和惯性力引起固体颗粒的附加速度，水流回流发生旋涡，引起局部压力降低，加重了汽蚀发生的概率。汽蚀坑会严重破坏过流部件表面的光滑度，使固体颗粒磨损加重。

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     国内外学者就固体颗粒与汽蚀的关系做了大量试验研究，模拟试验表明，在其他工况相同时，含固体颗粒水流的汽蚀强度是清水汽蚀强度的4-16倍，国内同型泵在清水和浑水中的运行资料分析也证实了这一结论。在叶片导流部分，水流方向与叶片夹角小于45度，磨削作用明显，该区域的特征表现为叶片均匀减薄，出现具有一定方向性的鱼鳞状条纹以及沟壁光滑的犁沟状条纹；在叶轮入水侧叶片的前端，水流方向与金属表面的夹角大于45度，该区域的特征表现为叶片与前盖板结合区的局部材料流失严重，这是由于在高速含固体颗粒水流的反复冲击下，材料的薄弱部分将会首先被破坏形成孔、坑，或由于部分细小的片状沙粒刺人晶界上的显微裂纹沿晶扩展，最终发展成沿晶分布的疲劳裂纹，引起晶粒疲劳剥落，从而加剧了材料的流失。而叶片外缘呈参差不齐的刀刃状，其原因有三个：一是高速运动的叶轮将污水中的固体颗粒抛向叶片尾部边缘，造成叶片边缘的固体颗粒浓度大于平均浓度；二是在叶轮尾部线速度更大，试验表明，流体中固相颗粒相对于叶轮表面的运动速度越高，材料的流失就会越严重；三是在此区域受到了汽蚀的影响，近一步加速了叶片尾部区域的磨损腐蚀。

    3.2、汽蚀的影响 ' n& X8 Z: F4 ]) x7 z# r X

    汽蚀区分布在叶轮叶片出口区域的背水一侧。此区域海绵状蜂窝，存在密集的马蹄型深坑和长条型深犁沟，坑壁光滑，顶端呈刀刃状。叶轮高速转动时，是由于叶片背面局部出现的负压产生大量真空小气泡，负压降低后，小气泡湮灭，释放出能量，一部分直接传给金属基体，另一部分则传给固体颗粒。传给金属的那部分能量不断被材料吸收而使显微裂纹发展成为疲劳裂纹，裂纹的扩展又造成晶粒松动和脱落，形成早期的麻点状汽蚀坑。材料表层的显微裂纹主要是由材料本身的缺陷、冲击和固体颗粒刺入产生的。传给固体颗粒的能量，使固体颗粒加速，部分加速后的固体颗粒以各种角度冲击或滑过金属表面，形成小角度磨削和大角度冲击破坏；而进入汽蚀坑的沙粒则对先期形成的汽蚀坑形成“往复式”破坏，结果是汽蚀坑不断扩大、合并，两个汽蚀坑的交错使坑壁顶端形成刀刃状结构，并且汽蚀坑内壁光滑。 : r" C9 z, L+ |) P2 g

    4、改进方案及有效措施： 0 A5 q+ J# `/ U, u5 a6 _- n! k, @) E; x

    从以上的分析可见，影响叶轮使用寿命的主要因素是叶轮的设计参数和材料。在不降低叶轮材料耐蚀性的前提下，提高其耐磨损腐蚀性能，优化叶轮的设计参数，是延长叶轮使用寿命最有效的办法。 ) x6 h8 H' Q3 e5 |# I

      (一)在设计方面，由于固体颗粒对过流表面的磨损过程是复合磨损，即切削磨损和变形磨损同时存在，其磨损总量为：

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图2

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图3

    由上式可知，速度越大，被磨损材料塑性越小，则总磨损量就越大，因而在设计过程中，在保证流量、扬程不变的情况下，加大了叶轮进口直径，减少水流相对速度，改善流动条件，减少湍流以及适当加厚了叶轮前后盖板的几何尺寸。

     (二)是提高叶轮的表面光洁度，以减少空泡和气穴的形成。

    (三)是采用抗磨耗腐蚀性能好的材料，因为金属材料的磨耗腐蚀是机械力引起的磨损和介质的腐蚀共同作用的结果。因此采用既耐蚀又抗磨耗的材料将是行之有效的预防措施，根据综合分析后，选用马氏体型不锈钢2Cr13，经淬火后，硬度较高，耐腐蚀性良好。

    (四)在叶轮上喷涂环氧金刚砂面层防护，由环氧树脂、固化剂、增韧剂、稀释剂及填料等拌制成砂浆，涂抹在叶轮和蜗壳表面上。底层与母材结强度400～450kg/cm，中层抗拉强度130kg/cm2,抗压强度500kg/cm2，剪切强度300kg/cm。以金刚砂为辅剂，环氧树脂为主剂配成的粘结材料，而金刚砂的耐磨性较好，所以二者结合呈现出粘接力强、耐水性及抗泥沙磨损性好，且具有较强的抗冲击性能。 " ]0 H! a$ c; }) E

    5、结论 " |: Y" G; Z0 `+ k- K

    按此方案对该泵进行综合改造后，运行半年后，解体后如图3所示，叶轮整体无明显腐蚀，效果良好，仅在叶轮表面局部有防护涂层的脱落，但不影响泵的正常使用，达到了预期的效果。综上所述，潜水排污泵产生磨蚀的主要原因是高速固体颗粒水流对过流部件的磨损破坏，其次是汽蚀和磨损的联合破坏。因此，防治该泵磨蚀的根本措施是设法降低过流部件表面固体颗粒水流相对速度。再辅以必要的抗磨蚀材质及防护涂层，则效果更为明显。对于汽蚀破坏，可通过优化水力设计得以防