潛水排污泵的失效分析及改進措施|資料

通過對QW型雙流道潛水排污泵葉輪失效原因進行分析，得出潛水排污泵葉輪產生磨損的主要原因是因高速含固體顆粒的水流對過流部件的磨損破壞和汽蝕與磨損的聯合破壞的結果，根據分析結果提出相應的解決方案。按此方案對該泵進行綜合改造后，經運行半年后解體觀察，葉輪部分無明顯腐蝕，效果良好，達到預期效果。

引言

QW型潛水排污泵是一種泵與電機聯體，一起潛入液下工作的泵。與一般臥式或立式污水泵相比，潛水排污泵明顯具有以下優點：

(1)結構緊湊，占地面積小。該泵由于潛人液下工作，因此可直接安裝于污水池內，無需建造專門的泵房來安裝泵及電機，節省大量土地及基建費用。

(2)安裝維修方便。小型的潛水排污泵可以自由安置，大型的排污泵一般都配有自動耦合裝置可以進行自動安裝，安裝及維修相當方便。

(3)連續運轉時間長。潛水排污泵由于泵和電機同軸，軸短，轉動部件重量輕，因此軸承上承受的載荷(徑向)相對較小，壽命比一般泵要長得多。

(4)振動噪聲小，電機溫升低，對環境無污染。

正是由于上述優點，潛水排污泵受到人們的青睞，使用的范圍也越來越廣，由原來單純地用來輸送清水到現在可以輸送各種生活污水、工業廢水、建筑工地排水、液狀飼料等。在市政工程、工業、醫院、建筑、飯店、水利建設等各行各業中起著重要作用。

1、葉輪和殼體材料及工況

某污水處理廠用的QW型雙流道潛水排污泵使用7~9個月時，泵的運行效能明顯出現下降現象，經過解體發現，葉輪損壞嚴重，而殼體部分整個表面腐蝕尚不嚴重。泵的設計參數：轉速1450r/min、流量200mVh、揚程22m、功率22kW，葉輪和殼體的材料為HT200，實測的化學成分列于表1。運行工況時的工作介質為生活污水，微帶酸性；含有固體顆粒。

表1鑄鐵的化學成分(按質量計，％)

2、腐蝕特征

2.1、葉輪腐蝕

潛水排污泵葉輪的腐蝕情況如圖1所示，運行僅幾個月葉輪平均磨損深度已經達到3-5mm，汽蝕坑深4-6mm，葉片磨短5mm以上，葉輪導流部分減薄嚴重，減薄量2-4mm，兩面均有魚鱗狀花紋和蜂窩狀花紋交互出現，正面花紋大而深，背面花紋小而淺，魚鱗狀花紋的方向指向水流的流動方向。葉輪口環的徑向圓周面出現半圓形的沖刷坑。葉輪出水側葉片和隔板減薄嚴重，外緣呈參差不齊的刀刃狀。

2.2、殼體腐蝕

殼體內側有沖擊磨損的環狀溝痕，壁厚原為8mm，沖蝕后減薄到6mm，損壞不是很嚴重，但在進口處的沖擊磨損比較嚴重。在部分地方出現較深的溝狀條紋。殼體腐蝕如圖2所示。

3、葉輪失效原因分析

從宏觀上分析，葉輪失效的直接原因是葉片的嚴重減薄，通過對葉輪的工況及損壞情況分析可見，引起葉片減薄的原因，是由于出現了嚴重的磨損和腐蝕而造成的，即高流速污水中固體顆粒的磨削作用加速了材料表面的腐蝕，從圖1可以看出，葉輪存在明顯的磨削區、沖擊區和汽蝕區。由于葉輪不同部位的流速與流動狀態不同，因此介質對葉輪的機械作用力大小與方向也不周，導致表面出現不均勻的磨損腐蝕形態。在此主要表現為磨蝕和汽蝕兩種形式。

圖1葉輪磨蝕破壞實況圖

2泵體磨蝕破壞實況

3.1、固體顆粒對磨蝕的影響

污水中的固體顆粒是加速潛水排污泵過流部件磨蝕的主要原因，通過水流相對速度和汽蝕作用產生磨蝕破壞。在高速含固體顆粒水流中具有一定動能的硬質沙粒對過流部件表面反復沖擊和切削形成磨損，固體顆粒對過流部件的磨損量可用下式進行估算

方程式

由上式可知，固體顆粒對過流部件的磨損主要是通過水流相對速度的作用而產生破壞。固體顆粒增加汽蝕發生率，降低抗汽蝕能力。首先含固體顆粒的物化特性和流動性與清水有很大的差別，含固體顆粒水流的粘性降低，抗斷裂性差，增加了空泡產生概率。其次，固體顆粒中會夾帶氣泡植入水中增加水中汽核，使汽蝕發生概率上升。另外，固體顆粒與水的質量、慣性力有明顯的差異，固體顆粒的運動軌跡偏離水流流線使流場發生畸變，由于繞流阻力和慣性力引起固體顆粒的附加速度，水流回流發生旋渦，引起局部壓力降低，加重了汽蝕發生的概率。汽蝕坑會嚴重破壞過流部件表面的光滑度，使固體顆粒磨損加重。

國內外學者就固體顆粒與汽蝕的關系做了大量試驗研究，模擬試驗表明，在其他工況相同時，含固體顆粒水流的汽蝕強度是清水汽蝕強度的4-16倍，國內同型泵在清水和渾水中的運行資料分析也證實了這一結論。在葉片導流部分，水流方向與葉片夾角小于45度，磨削作用明顯，該區域的特征表現為葉片均勻減薄，出現具有一定方向性的魚鱗狀條紋以及溝壁光滑的犁溝狀條紋；在葉輪入水側葉片的前端，水流方向與金屬表面的夾角大于45度，該區域的特征表現為葉片與前蓋板結合區的局部材料流失嚴重，這是由于在高速含固體顆粒水流的反復沖擊下，材料的薄弱部分將會首先被破壞形成孔、坑，或由于部分細小的片狀沙粒刺人晶界上的顯微裂紋沿晶擴展，最終發展成沿晶分布的疲勞裂紋，引起晶粒疲勞剝落，從而加劇了材料的流失。而葉片外緣呈參差不齊的刀刃狀，其原因有三個：一是高速運動的葉輪將污水中的固體顆粒拋向葉片尾部邊緣，造成葉片邊緣的固體顆粒濃度大于平均濃度；二是在葉輪尾部線速度更大，試驗表明，流體中固相顆粒相對于葉輪表面的運動速度越高，材料的流失就會越嚴重；三是在此區域受到了汽蝕的影響，近一步加速了葉片尾部區域的磨損腐蝕。

3.2、汽蝕的影響

汽蝕區分布在葉輪葉片出口區域的背水一側。此區域海綿狀蜂窩，存在密集的馬蹄型深坑和長條型深犁溝，坑壁光滑，頂端呈刀刃狀。葉輪高速轉動時，是由于葉片背面局部出現的負壓產生大量真空小氣泡，負壓降低后，小氣泡湮滅，釋放出能量，一部分直接傳給金屬基體，另一部分則傳給固體顆粒。傳給金屬的那部分能量不斷被材料吸收而使顯微裂紋發展成為疲勞裂紋，裂紋的擴展又造成晶粒松動和脫落，形成早期的麻點狀汽蝕坑。材料表層的顯微裂紋主要是由材料本身的缺陷、沖擊和固體顆粒刺入產生的。傳給固體顆粒的能量，使固體顆粒加速，部分加速后的固體顆粒以各種角度沖擊或滑過金屬表面，形成小角度磨削和大角度沖擊破壞；而進入汽蝕坑的沙粒則對先期形成的汽蝕坑形成“往復式”破壞，結果是汽蝕坑不斷擴大、合并，兩個汽蝕坑的交錯使坑壁頂端形成刀刃狀結構，并且汽蝕坑內壁光滑。

4、改進方案

從以上的分析可見，影響葉輪使用壽命的主要因素是葉輪的設計參數和材料。在不降低葉輪材料耐蝕性的前提下，提高其耐磨損腐蝕性能，優化葉輪的設計參數，是延長葉輪使用壽命最有效的辦法。

(一)在設計方面，由于固體顆粒對過流表面的磨損過程是復合磨損，即切削磨損和變形磨損同時存在，其磨損總量為：

圖2

圖3

由上式可知，速度越大，被磨損材料塑性越小，則總磨損量就越大，因而在設計過程中，在保證流量、揚程不變的情況下，加大了葉輪進口直徑，減少水流相對速度，改善流動條件，減少湍流以及適當加厚了葉輪前后蓋板的幾何尺寸。

(二)是提高葉輪的表面光潔度，以減少空泡和氣穴的形成。

(三)是采用抗磨耗腐蝕性能好的材料，因為金屬材料的磨耗腐蝕是機械力引起的磨損和介質的腐蝕共同作用的結果。因此采用既耐蝕又抗磨耗的材料將是行之有效的預防措施，根據綜合分析后，選用馬氏體型不銹鋼2Cr13，經淬火后，硬度較高，耐腐蝕性良好。

(四)在葉輪上噴涂環氧金剛砂面層防護，由環氧樹脂、固化劑、增韌劑、稀釋劑及填料等拌制成砂漿，涂抹在葉輪和蝸殼表面上。底層與母材結強度400～450kg/cm，中層抗拉強度130kg/cm2,抗壓強度500kg/cm2，剪切強度300kg/cm。以金剛砂為輔劑，環氧樹脂為主劑配成的粘結材料，而金剛砂的耐磨性較好，所以二者結合呈現出粘接力強、耐水性及抗泥沙磨損性好，且具有較強的抗沖擊性能。

5、結語

按此方案對該泵進行綜合改造后，運行半年后，解體后如圖3所示，葉輪整體無明顯腐蝕，效果良好，僅在葉輪表面局部有防護涂層的脫落，但不影響泵的正常使用，達到了預期的效果。綜上所述，潛水排污泵產生磨蝕的主要原因是高速固體顆粒水流對過流部件的磨損破壞，其次是汽蝕和磨損的聯合破壞。因此，防治該泵磨蝕的根本措施是設法降低過流部件表面固體顆粒水流相對速度。再輔以必要的抗磨蝕材質及防護涂層，則效果更為明顯。對于汽蝕破壞，可通過優化水力設計得以防止。