海水泵泵轴腐蚀分析与改进

张培杰，董方龙，任利东，张志权，刘井年，张金芳

潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061

0 引言

船用海水泵为柴油机润滑系统、冷却系统提供海水作为冷源，保证柴油机稳定工作。海水泵泵轴腐蚀致使海水泵漏水、不上水，无法给柴油机提供足够的海水换热，可导致柴油机停机，威胁船舶及乘客的安全。本文旨在通过对海水泵泵轴材料耐海水腐蚀能力的研究，提升海水泵可靠性，保证船舶安全行驶。

1 背景

投放钓鱼船细分市场的23条船舶，搭载40 L柴油机，使用过程中频繁出现海水泵漏水、不泵水故障。海水泵结构如图1所示。拆检故障海水泵发现，海水泵泵轴在与叶轮配合及与水封配合位置，均出现严重的腐蚀、剥落，如图2、3所示。

图1 海水泵结构图 图2 泵轴水封位置腐蚀照片 图3 泵轴叶轮位置腐蚀照片

海水泵叶轮与泵轴为过盈连接，通过金属过盈产生的摩擦力为叶轮提供转矩，实现叶轮的泵水功能[1]。与叶轮配合位置的海水泵泵轴腐蚀、剥落，造成叶轮与泵轴相对转动，海水泵的泵水功能丧失。海水泵水封由动环、静环、波纹管及弹簧组成，动环安装在泵轴上，与泵轴之间通过波纹管(橡胶)实现过盈密封。海水泵泵轴与水封配合位置腐蚀、剥落，造成水封与泵轴之间的密封失效，发生漏水。

2 腐蚀原因分析

2.1 结构分析

海水泵进水口位置较低，如图4所示。当发动机停机后，海水泵内的海水在重力作用下流出海水泵。钓鱼船的停泊时间与运行时间不规律，通常是使用一天、靠港停泊数天后再次使用，海水泵内频繁交替充满海水与空气，加速海水对于金属件的腐蚀。

图4 海水泵进出水口位置示意图

2.2 材料分析

海水泵涡道、叶轮材料为ZCuAl10Fe3，泵轴材料为3Cr13，泵壳材料为ZCuAl10Fe3，叶轮、泵轴、泵壳均为退火热处理后加工。

将海水泵轴清洗后，采用电火花直读光谱仪检测海水泵泵轴材料化学成分，结果如表1所示。海水泵泵轴硬度检测结果如表2所示。

表1 泵轴材料3Cr13化学成分质量分数 %

表2 泵轴硬度(HV0.5)检测结果

由表1、2可知，海水泵泵轴材料符合3Cr13成分要求，硬度符合要求。

观察故障海水泵，泵轴端面、轴颈表面存在明显剥落、腐蚀凹坑[2]。对腐蚀严重处进行电镜扫描，结果如图5所示。轴颈表面附着一层腐蚀产物，对其进行能谱分析[3]，分析点如图6所示，能谱分析结果如表3所示。

a) 观测位置 b) 电镜分析 c) 泵轴表面形貌 图5 海水泵泵轴表面磨损形貌

图6 泵轴表面腐蚀产物及能谱分析点

表3 泵轴表面腐蚀产物各成分质量分数 %

由图5、6和表3可知：泵轴表面发生严重的电化学腐蚀，表面材料组织疏松，泵轴腐蚀到一定程度后，叶轮与泵轴产生相对转动。

经测量，海水泵泵轴材料与叶轮材料的电位差超过50 mV[4]，电偶腐蚀速率为自腐蚀的13倍[5-6]。综合海水泵泵轴与叶轮装配孔所处海水浸泡工况及表面腐蚀形貌，海水泵泵轴端面与叶轮接触位置首先发生接触腐蚀，后期伴随缝隙腐蚀和全面腐蚀，最终导致海水泵轴与叶轮发生相对转动。

图7为海水泵泵轴金相组织照片。由图7可知，泵轴组织为退火态的球粒状珠光体和呈断续网状分布的二次碳化物[7]。钢中的Cr与C形成较多(Cr、Fe)23C6碳化物[8]，使固溶体中的Cr大为减少，这些碳化物颗粒在腐蚀介质中起到微电池的作用，加速腐蚀。

a) 图像1 b) 图像2 图7 海水泵轴金相组织图像

通过分析，确认海水泵泵轴材料3Cr13退火状态下力学性能较低，耐海水腐蚀能力较弱，长期在海水中使用腐蚀严重，导致叶轮脱落、水封漏水等故障。

3 改进措施

3.1 泵轴材料改进

3.1.1 材料性能分析

选取4个国外知名品牌海水泵，编号为1#～4#，对国外海水泵和故障海水泵的泵轴材料进行对比分析，如表4所示。综合考虑材料抗腐蚀性、抗拉强度以及在国内使用情况，确定选取05Cr17Ni4Cu4Nb作为海水泵泵轴材料，热处理方式为固溶处理及620 ℃时效处理，叶轮及泵壳保持ZCuAl10Fe3退火处理不变[9]。

表4 泵轴材料性能对比

3.1.2 材料耐腐性能对比

对故障泵泵轴材料3Cr13、新泵轴材料05Cr17Ni4Cu4Nb进行盐雾试验和海水浸泡试验，对比它们的耐海水腐蚀能力。试验对象为原泵轴组合件(3Cr13泵轴配合ZCuAl10Fe3叶轮)、新泵轴组合件(05Cr17Ni4Cu4Nb泵轴配合ZCuAl10Fe3叶轮)，叶轮与泵轴结合端面涂防腐涂料。

1)盐雾试验

盐雾试验配用质量浓度(60±5)g/L的氯化钠溶液， pH值为6.7～7.2(35 ℃±2 ℃)。试验时长96 h，24 h喷盐雾和24 h干燥交替进行。

盐雾试验完成后晾干泵轴。新泵轴组合件未出现腐蚀现象，泵轴表面保持初始光泽，如图8所示；原泵轴组合件在泵轴与叶轮配合位置及泵轴截面位置出现生锈、点蚀，泵轴表面金属光泽消失，如图9所示。

图8 05Cr17Ni4Cu4Nb泵轴盐雾试验结果 图9 3Cr13泵轴盐雾试验结果

2)浸泡试验

对盐雾试验后的泵轴组合件继续进行浸泡试验，采用质量浓度和pH值与盐雾试验相同的氯化钠溶液，试验时长1920 h，72 h氯化钠溶液浸泡和48 h空气中晾晒交替进行。

浸泡试验完成后洗净晾干。05Cr17Ni4Cu4Nb泵轴未发生腐蚀现象，泵轴表面保持初始光泽，如图10所示；3Cr13泵轴表面出现较严重的锈蚀、剥落，如图11所示。

图10 05Cr17Ni4Cu4Nb泵轴浸泡试验结果 图11 3Cr13泵轴浸泡试验结果

图12 改进后海水泵进出水口位置示意图

根据泵轴材料对比验证结果，确认选用05Cr17Ni4Cu4Nb作为海水泵泵轴材料，对其进行固溶处理及620 ℃时效处理，提升材料性能。

3.2 海水泵结构改进

3.2.1 进出水口位置改进

将海水泵进水口由朝下改为朝上，保证海水泵进、出水口均朝上，保证海水泵停机期间仍能存满海水，以减弱对海水泵的腐蚀。改进后海水泵进出水口位置如图12所示。

图13 喷涂示意图

3.2.2 防腐涂层

作为辅助防腐措施，在泵轴与叶轮配合位置断面喷涂JOTUN 0R5耐磨环氧漆防腐涂层，如图13所示。一方面，避免该位置因电势差造成的电化学腐蚀；另一方面，避免泵轴与叶轮配合位置发生缝隙腐蚀。

召回市场上的钓鱼船，更换海水泵。运行10个月，未再发生类似海水泵腐蚀故障。

4 结论

海水泵输送介质为海水，因此海水泵零部件的防腐性能至关重要，直接影响海水泵的可靠性、耐久性。

1)泵轴对材料的刚度、耐腐蚀性能都有较高要求，退火状态的3Cr13材料泵轴无法满足耐海水腐蚀要求。

2)固溶、620 ℃时效处理的05Cr17Ni4Cu4Nb作为泵轴材料，同时在端面涂耐磨防腐涂料，满足耐海水腐蚀要求。