顺丁橡胶装置碱洗系统碱液循环泵叶轮失效研究

秦开武

（中国石油四川石化有限责任公司，四川 成都 611930）

随着我国工业化水平的不断提升，离心泵在我国化工企业生产中应用的频率越来越高，并逐渐成为保障化工企业生产稳定运行的关键设备。因此，在化工企业的日常工作中，要重视离心泵的维护保养及故障处理，在离心泵故障发生后，能够及时查明原因并有效解决，确保离心泵稳定运行，进而保证化工企业生产安全稳定运行。顺丁橡胶装置碱洗系统碱液循环泵P-2020A/S是化工企业生产过程中常用的一种离心泵，其主要是用于输送、循环和提升装置纤维膜碱洗系统循环低浓度碱液。

1 碱液循环泵的构成及工作原理

1.1 结构组成

顺丁橡胶装置碱液循环泵为离心泵，主要由叶轮、泵体、泵轴、轴承、密封垫圈及填料函等组成。其中，叶轮是碱液循环泵内部的关键过流部件，也是其能量转换的核心部件，在叶轮高速转动的作用下，使得流体介质产生离心作用，进而实现输送液体的目的；泵体也称为泵壳，是用以固定泵轴及其他部件的功能性装置，也是连接叶轮与外部电机的传动部件；轴承主要是用以确保泵轴正常滚动、滑动的支撑构件；密封圈主要是设置在泵体与叶轮之间的间隙，起到预防泵壳渗水的重要作用；填料函主要是填入泵轴与泵壳之间的间隙，并使水泵处于真空状态。

1.2 工作原理

在碱液循环泵工作流程中，主要是利用叶轮所产生的离心作用来实现液体传输，其工作原理主要是：在外部电机提供电力后，碱液循环泵的叶轮在泵轴的带动下高速旋转，从而产生较强的离心力。而在叶轮离心作用下，叶轮上的液体随着叶轮的旋转进入压水管道中，同时，在叶轮中心区域形成一个真空区域，此时，在内外压力差的作用下，液体进入泵体中，通过如此反复来实现液体的传输。

2 碱液循环泵叶轮失效机理分析

叶轮是碱液循环泵中重要的过流部件，而泵类过流部件磨损失效是通常由多种因素相互影响导致，并且在不同的工况条件下，叶轮的磨损机理也不同。实际观察和分析磨损件，泵类过流件的磨损机理主要分为冲蚀磨损、空蚀损失和腐蚀这三大类。

叶轮是碱液循环泵内部关键部件之一，同时，也是运行过程中最容易出现损坏的部件。随着叶轮的高速旋转，所形成的离心力会使得泵内的碱液对叶轮产生强烈的冲刷，在达到一定条件时，碱液还可能会出现气化的现象，继而引起叶轮空蚀现象。

从性质上看，碱液循环泵叶轮所产生的空蚀现象，属于液体流动力学范畴。而导致这一现象产生根本原因在于碱液在流动时有局部压力降的情况出现，由此形成了低压区。当碱液循环泵吸入口出的压力与其温度下饱和蒸气压一致时，还会出现液体沸腾汽化的现象，从而产生大量的气泡。而在气泡从低压区流动至高压区时，又会受到周围高压液体的作用而迅速缩小凝结，最终完全破裂。由于这一过程非常迅速，在气泡破裂出还会形成局部真空，随着周围压力的变化，导致液体对这一局部真空形成较大的冲击力。通常气泡的体积并不大，所以会集中在与气泡接触到零件微小表面上形成冲击力。材料避免由于受到频繁的高压荷载作用，其表面出现呈现出疲劳损坏，同时，若形成的气泡中含有大量的氧气，还会对金属材料造成强烈的氧化腐蚀。除此之外，泵内液体所产生的强烈冲击力，还会转化为热能和气泡凝结的热能，这样一来，就会使得氧化腐蚀现象愈发严重，最终使得叶轮有严重的损坏继而彻底失效。

3 实证分析

为更加直观地对叶轮空蚀失效机理进行分析研究，对顺丁橡胶装置的碱液循环泵P-2020A/S进行分析。在定期大修时，发现碱液循环泵P-2020S的叶轮出现严重腐蚀，见图1。

图1 碱液循环泵P-2020S前后盖本损坏情况

该台碱液循环泵的叶轮为闭式叶轮，由前后盖板和4个叶片构成，叶轮的规格为Ф198mm，转速2390r/min；叶轮材质为铸钢，汽蚀余量2.9m，扬程35m于2017年年底纤维膜碱洗系统开车时同时投用。

3.1 检测分析

在进行泵类叶轮失效检测分析时，主要采用的检测分析方法有宏观分析及低倍显微镜观察、化学成分分析、无损探伤检测、金相分析、扫描电镜与能谱分析等。

（1）宏观分析及显微镜观察。通过观察图1可得知，该台碱液循环泵的叶轮有明显的腐蚀情况，具体表现为叶轮前后盖板及叶片因受到腐蚀作用而逐渐变薄，同时还出现了大面积的穿孔现象。其中，相对来说，叶轮前盖板及叶片的损坏程度要比后盖板的损坏程度轻一些。而观察叶轮表面的损坏情况，发现其损坏形式主要呈蜂窝状蚀坑。随着时间的推移，这类蚀坑不断发生、发展，势必会使得叶轮损坏程度进一步加剧，进而导致叶轮呈现出流体空蚀和冲蚀的失效状态。另外，在叶轮高速旋转的作用下，若已经出现空蚀，叶轮的腐蚀速度还会进一步加快，此时，叶轮表面更加粗糙，又会使得液体空蚀和冲蚀作用增强，在如此恶性循环的作用下，最终导致叶轮损坏而彻底失效。

（2）化学成分分析。化学成分分析也是金属材料试验检测分析中常用的一种方法。在具体的分析中，先进行叶轮区块试样，之后依据GB/T23942-2009《化学试剂电感耦合等离子体原子发射光谱法通则》这一技术标准，使用光谱仪进行叶轮材质的化学分析，分析结果见表1。从表1中可得知，叶轮材质为铸钢，并符合ZG230-450钢的标准要求。

表1 叶轮材质化学分析（质量分数%）

（3）无损探伤检测。通过宏观观察发现，叶片的表面具有明显的腐蚀坑，为进一步判断叶片内部的缺陷，先对损伤的叶片进行清洗，将表面腐蚀物质去除后，采用超声波无损探伤检测法进行叶片检测，结果发现，其内部存有许多深浅不一、大小不一的孔洞。同时，切开部件后发现内部剖侧面存有许多密密麻麻黑色的铸造孔洞。

（4）金相分析。金相分析是金属材料试验研究过程中重要手段之一，在检测分析碱液循环泵叶轮过程中，也采用了金相分析这一研究方式，主要用于分析叶轮前盖板的状况。首先，是在叶轮的前盖板上取金相样品，之后通过预磨、抛光腐刻等工序后，将其放在显微镜下进行观察分析。图2为碱液循环泵P-2216S叶轮金相组织，其主要是由白色块状铁素体和黑色珠光体组成。通过金相分析可得知，叶轮的前盖板内外表面未有明显的腐蚀物质附着，但是，存在许多大小不一的腐蚀坑，正因为这些腐蚀坑的存在，使得叶轮前盖板表面凹凸不平，而且非常粗糙。这些腐蚀坑的存在，主要是由液体的空蚀和流蚀引起的。

图2 碱液循环泵P-2216S叶轮前盖板金相组织

（5）扫描电镜与能谱分析。扫描电镜主要是用于分析叶轮前盖板内外表面的损坏情况。具体的情况可见图3所示。从图3中可得知，在叶轮前盖板表面上，有着许多大小不一叶的腐蚀坑，且磨损形式为蜂窝状。同时，从能谱分析中可得知，在叶轮前盖板表面上主要存在Fe、O、C、Na、Mg、Mn、Cr这些元素，这些元素均为铁的氧化物。即便在叶轮表面并没有如CI、S这些较强腐蚀性的元素，但是却有较高含量的氧。伴随着溶解氧的作用，会使得叶轮金属表面的化学腐蚀作用进一步加剧，进而导致叶轮金属表面发生及发展麻点。

图3 碱液循环泵P-2216S叶轮前盖板外表面的情况

3.2 检测结论

通过上述的检测分析得知，导致叶轮失效的原因，主要是材料抗腐蚀性较差。一方面，表现为叶轮的材质为铸钢；另一方面，则是叶轮金相组织为白色块状铁素体和黑色珠光体，而在叶轮工作期间，泵内流体介质（碱液）会对叶轮产生空蚀和冲蚀破坏，此时，就会导致叶轮的前后盖板和叶片等受到严重的化学腐蚀作用，而且在腐蚀作用下，材料会逐渐变薄直到穿孔而失效。另外，在表面高含量的溶解氧作用下，会进一步加剧流体介质的空蚀破坏。

4 建议

基于碱液循环泵叶轮失效的机理及失效原因的基础上，以下从提高泵体抗空蚀性能、提高叶轮本身抗空蚀性能这两个方面提出具体的建议。

4.1 提高泵体抗空蚀性能

从上述分析中得知，空蚀破坏是导致碱液循环泵叶轮失效的主要原因之一。因此，为确保碱液循环泵叶轮得以正常运行，有必要提高碱液循环泵本身的抗空蚀能力。具体可以通过改变叶轮入口流速、优化设计叶轮入口尺寸以及调整叶片数量的方式，从而提高泵体的抗空蚀性能。

4.2 叶轮材质升级

从碱液循环泵叶轮失效的原因来看，还需要进一步提高叶轮的抗空蚀性能，降低空避破坏。在上述分析中，叶轮材质为铸钢，较容易受到化学腐蚀的作用。为此，可通过更换为不锈钢或双相钢，来增强叶轮的抗空蚀性能。同时，也需要加强叶轮表面的处理，在上述分析中得知，该碱液循环泵叶轮损坏主要发生在表面，为此就需要采用表面工程技术来强化叶轮的修复，这既能够节约大量贵重的材料，也能够让腐蚀损坏程度严重的部位得以很好的保护，同时，还能够有效解决设备制造过程中的工艺问题。具体可以通过表面喷涂、镀覆耐磨腐蚀层等方法来进行修复处理。其中，可以在叶轮表面涂刷高分子陶瓷材料，不仅能够有效解决机械磨损、化学腐蚀和汽蚀的问题，也能修复叶轮表面质量，从而改善叶轮的运行状态，延长叶轮的使用寿命。这是因为陶瓷材料本身具有天然的优秀物理和化学性能，不会受碱液中腐蚀性成分的腐蚀，而且耐腐蚀性能要优于合金材料，另外，陶瓷的硬度也非常高，如此一来，也能有效缓解流体的冲蚀作用，不至于出现胶结涂层整块脱落的现象，进而从根本上保证材料的工作能力。

另外，考虑空蚀过程涉及材料、流体力学及电化学等多个学科，为有效应对空蚀破坏，未来还需要进一步加强新型抗空蚀材料的研究，由此进一步提高金属材料的抗空蚀性能。