渣漿泵磨損原因及解決措施

張樹(shù)森

(中煤邯鄲設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，河北 邯鄲 056031)

在煤礦、選煤廠工藝過(guò)程中，渣漿泵是利用流體運(yùn)輸固體及提供輸送介質(zhì)動(dòng)能和勢(shì)能的最主要設(shè)備。渣漿泵磨損將導(dǎo)致工況惡化，效率下降，能耗增加，使用壽命縮短等不良后果，且影響到選煤廠的生產(chǎn)成本。因此，磨損是影響渣漿泵使用壽命的最主要的因素[1-2]。

1 磨損的定義、分類(lèi)以及階段過(guò)程

1.1 磨損的定義

磨損是人們所熟知的現(xiàn)象，在日常生活中的各種領(lǐng)域都會(huì)出現(xiàn)，然而很難對(duì)磨損做出比較精確而又全面的定義。前蘇聯(lián)對(duì)磨損定義為：“摩擦副節(jié)點(diǎn)間反復(fù)接觸而產(chǎn)生的材料破壞”；《摩擦術(shù)語(yǔ)及定義匯編》對(duì)磨損定義為 “在材料上作用某種作用力，使組成其表面層的微小薄片連續(xù)脫落，這種不理想的現(xiàn)象”[1]，用力是由固體、液體、氣體及其復(fù)合體給材料以機(jī)械作用或機(jī)械與化學(xué)的組合作用而產(chǎn)生的力。

1.2 磨損的類(lèi)型

磨損通常可以分為以下幾類(lèi)。

(1)磨料磨損。由于硬顆粒或者硬突起物使材料產(chǎn)生遷移而造成的磨損。

(2)疲勞磨損。由于循環(huán)交變應(yīng)力引起疲勞而使材料脫落的一種磨損。

(3)腐蝕磨損。由于與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的磨損過(guò)程。

(4)沖蝕磨損。含有固體顆粒的液體沖刷固體表面，使固體表面造成材料流失的磨損過(guò)程。

(5)氣蝕磨損。流動(dòng)液體在過(guò)流固體表面因發(fā)生湍流引起空泡，在空泡破滅時(shí)，液滴沖擊過(guò)流固體表面造成材料流失的磨損過(guò)程。

由于磨損從來(lái)都不是單一種類(lèi)現(xiàn)象，因此實(shí)際磨損是各種磨損類(lèi)型同時(shí)發(fā)生，即產(chǎn)生組合式磨損。

1.3 磨損的發(fā)展階段

機(jī)械零件在使用過(guò)程中，正常磨損過(guò)程大致分為3個(gè)階段[1](圖1和圖2)。

圖1 磨損發(fā)展過(guò)程

圖2 磨損過(guò)程示意

由圖2可知，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的磨合階段，零件表面逐漸磨平，磨損速度減慢，逐漸過(guò)渡到正常穩(wěn)定磨損階段。正常磨損階段屬于機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定磨損過(guò)程，這時(shí)的磨損量比較穩(wěn)定。為了提高零件使用壽命，應(yīng)采取各種有效措施，盡可能使這個(gè)階段零件的磨損率最小，并盡量延長(zhǎng)其正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。正常磨損達(dá)到一定時(shí)間或者由于偶然的外部因素影響，零件尺寸發(fā)生較大變化，材料表面品質(zhì)惡化，使磨損量大大增加，造成零件較快失效或者破壞。因此，磨合階段的磨損是一種有利的磨損過(guò)程。

2 渣漿泵的磨損

渣漿泵是一種特殊的離心泵，其選用材質(zhì)、葉輪流道結(jié)構(gòu)都異于普通清水泵。由于輸送的介質(zhì)是含金屬、礦石、煤炭及泥沙顆粒等的固—液混合物料，顆粒形狀各異、粒徑組成復(fù)雜、濃度不斷變化，造成渣漿泵的磨損量遠(yuǎn)大于清水泵，過(guò)流部件的使用壽命也遠(yuǎn)低于清水泵。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者從理論上對(duì)輸送固—液混合物的渣漿泵磨損機(jī)理、磨損規(guī)律進(jìn)行了分析研究，也進(jìn)行了大量試驗(yàn)，提出了渣漿泵磨損的防護(hù)措施和泵現(xiàn)場(chǎng)使用方法等有價(jià)值的資料。

2.1 磨損種類(lèi)

2.1.1 氣蝕磨損

氣蝕磨損屬于腐蝕磨損的一種。液體中球形氣蝕空泡的破壞不是瞬時(shí)產(chǎn)生的，而是一個(gè)多次衰變過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，液體以很高的速度沖向空泡中心，其大部分動(dòng)能在形成新空泡的瞬時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚋鱾€(gè)方向傳播的球形沖擊波，作用于過(guò)流部件表面上的沖擊波的機(jī)械作用力是氣蝕磨損的主要原因。而設(shè)計(jì)選型不當(dāng)、使用不當(dāng)是造成氣蝕磨損的主要原因。

2.1.2 磨料磨損

除了上述原因外，渣漿泵過(guò)流部件的磨損都屬于磨料磨損。具體表現(xiàn)為：選煤廠輸送介質(zhì)中的硬質(zhì)顆粒與葉輪水流通道內(nèi)表面相互作用或介質(zhì)與葉輪水流通道內(nèi)表面的粗糙突出物相互摩擦作用，產(chǎn)生接觸應(yīng)力，導(dǎo)致葉輪水流通道的內(nèi)表面疲勞破壞而磨損。鑄鋼鑄造的葉輪還會(huì)因高壓力下硬質(zhì)沙粒的壓入，產(chǎn)生壓痕，并從葉輪水流通道內(nèi)表面擠出，剝離顆粒而磨損。

根據(jù)磨損特性，離心泵泵件可以分成兩大類(lèi)：第一類(lèi)包括葉輪和壓水室，其流道磨損最嚴(yán)重；第二類(lèi)是懸浮液流從高壓腔向低壓腔回流時(shí)使泵體、葉輪外蓋板、密封件和軸封零件受到的磨損。根據(jù)試驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，磨損件磨損速度排序?yàn)椋罕皿w隔舌—葉片入口邊—葉輪密封環(huán)—軸封—吸人側(cè)泵腔—泵體擴(kuò)散管。

除上述兩種磨損之外，還有屬于腐蝕磨損中的氧化磨損、酸堿鹽化學(xué)反應(yīng)磨損、沖洗等物理運(yùn)動(dòng)引起的磨損、葉輪與軸之間的微動(dòng)磨損及微裂紋引起的電化學(xué)磨損等。

2.2 磨損機(jī)理與規(guī)律

磨損的機(jī)理主要是由固體顆粒從不同角度對(duì)材料表面撞擊、顆粒旋轉(zhuǎn)(向前旋轉(zhuǎn)、向后旋轉(zhuǎn))、塑性變形、疲勞破壞等因素引起材料裸露表面的脫落。

根據(jù)大量生產(chǎn)實(shí)例統(tǒng)計(jì)，渣漿泵輸送固—液混合物時(shí)，磨損最嚴(yán)重的零件是葉輪，其次是泵體、護(hù)套及護(hù)板等過(guò)流部件。渣漿泵的磨損取決于以下各個(gè)參數(shù)和因素之間的內(nèi)在關(guān)系：

(1)輸送介質(zhì)即固—液混合物流變特性；

(2)介質(zhì)中固體顆粒粒徑級(jí)配、粒形、硬度和密度等；

(3)泵的結(jié)構(gòu)形式與參數(shù)；

(4)渣漿泵的轉(zhuǎn)速；

(5)渣漿泵所用材料的性能，如硬度、強(qiáng)度、延伸率及耐酸堿性等。

3 磨損件更換周期

渣漿泵的使用壽命是由泵的水力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)、材料選用及現(xiàn)場(chǎng)使用等綜合因素決定的。對(duì)于其使用壽命，目前還沒(méi)有一種準(zhǔn)確的理論計(jì)算方法。

3.1 泵件更換原則

泵過(guò)流部件磨損到一定程度，因達(dá)不到功能要求就必須更換或者修復(fù)。到目前為止，泵的易損件沒(méi)有統(tǒng)一公認(rèn)的更換原則和標(biāo)準(zhǔn)，只能根據(jù)渣漿泵在現(xiàn)場(chǎng)使用具體條件而定。

收集業(yè)內(nèi)一些原則性意見(jiàn)和看法，主要為以下幾點(diǎn)：① 泵體和護(hù)板磨穿；② 泵性能如流量和揚(yáng)程不能滿足運(yùn)行的要求；③ 嚴(yán)重的內(nèi)部環(huán)流或者護(hù)板嚴(yán)重粗糙度引起電動(dòng)機(jī)電流過(guò)高；④ 葉輪不均勻磨損或者葉輪局部堵塞引起過(guò)度振動(dòng)。

國(guó)內(nèi)研究人員通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，提出了用低耐磨性材料制造的渣漿泵過(guò)流部件在高速磨損條件下的磨損形貌和泵性能與磨損之間的變化規(guī)律。在磨損運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為18 h時(shí)，葉輪和泵體相對(duì)磨損量分別為總磨損量的52.5%和62.2%。說(shuō)明總磨損時(shí)間為3/7時(shí)，過(guò)流部件磨損量超過(guò)總磨損量的1/2以上；葉輪和泵體的磨損率在總磨損時(shí)間的1/7～3/7之間時(shí)為最高，即磨損最快；在總磨損時(shí)間的3/7時(shí)，揚(yáng)程下降26%，在磨損結(jié)束時(shí)揚(yáng)程下降45%。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都為更換周期提供了很重要的參考數(shù)據(jù)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于更換周期主要形成了以下兩種更換原則：

(1)渣漿泵在極限磨損的情況下，葉片磨損為原始長(zhǎng)度的30%～40%，質(zhì)量磨損量為20%～30%時(shí)，就應(yīng)該更換葉輪；還有學(xué)者提出，在渣漿流動(dòng)狀態(tài)恒定時(shí)，可以將泵出口壓力降低到初始?jí)毫Φ?5%～75%作為更換葉輪的參考數(shù)，但缺點(diǎn)是上述意見(jiàn)沒(méi)有結(jié)合具體材質(zhì)和行業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)。

(2)葉輪葉片長(zhǎng)度磨掉30%時(shí)，葉輪失重量為原始重量的50%、揚(yáng)程下降30%，作為更換件的指標(biāo)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用壽命試驗(yàn)結(jié)果，提出不同材質(zhì)和量、件的更換原則：選煤廠用渣漿泵，如采用N1、Ni4、C27和Crl5Mo3制造葉輪和護(hù)板，在葉輪失重量達(dá)到50%、30%、10%和50%時(shí)就應(yīng)更換，而護(hù)板失重量達(dá)到30%、20%、10%和35%時(shí)就應(yīng)更換，此意見(jiàn)對(duì)于選煤廠更具針對(duì)性和可操作性。

因此，建議選煤廠結(jié)合上述原則因地制宜，重點(diǎn)參考第二條原則。

3.2 泵件更換周期

在生產(chǎn)實(shí)際中，提前更換、滯后更換磨損件是一種普遍現(xiàn)象，尤其是提前更換，例如：一般選煤廠設(shè)備集中大修期間，在磨損量還未達(dá)到更換的周期，就與其他設(shè)備一起更換，造成了浪費(fèi)；而滯后更換的影響更為明顯，往往是在運(yùn)行明顯不正常，直接影響了系統(tǒng)生產(chǎn)，甚至在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生嚴(yán)重故障。因此，針對(duì)選煤廠，應(yīng)根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀況和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置一個(gè)適宜于本廠的更換周期。

4 防止和降低磨損的措施

為了降低渣漿泵的磨損，延長(zhǎng)渣漿泵的使用壽命，可以從不同角度采取措施，主要?dú)w納為以下3個(gè)方面。

4.1 設(shè)計(jì)制造

應(yīng)用固—液混合物動(dòng)力學(xué)原理和流變特性，進(jìn)行泵過(guò)流部件的水力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以便符合固—液混合物在泵流道內(nèi)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，減少渦流和局部損失，減輕磨損。主要為：

(1)根據(jù)固—液混合物中固體顆粒在流道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌線，設(shè)計(jì)葉片葉型和流道形狀；

(2)流道斷面變化均勻，減少渦流和二次流；

(3)葉輪和泵體有關(guān)部位適當(dāng)加厚等。

4.2 材料選擇和表面噴涂處理

(1)根據(jù)固—液混合物特性和現(xiàn)場(chǎng)使用條件，合理選擇泵用材料；

(2)過(guò)流部件，尤其是易損件(如葉輪和泵體或護(hù)套、護(hù)板等)，采用抗磨材料；

(3)采用尼龍和各種高分子材料覆蓋過(guò)流部件的表面和部位，使泵件母體主材料表面不被磨損；

(4)采用噴涂技術(shù)，增加過(guò)流部件保護(hù)層，提高抗磨能力。

4.3 泵的合理選型

合理選型是降低泵磨損量，延長(zhǎng)使用壽命的重要途徑之一。

(1)根據(jù)有關(guān)泵的選型方法和手冊(cè)。合理選擇與現(xiàn)場(chǎng)工況條件相匹配的泵型；選煤廠渣漿泵的選型可以參考《選煤廠設(shè)計(jì)手冊(cè)》、《現(xiàn)代泵設(shè)計(jì)手冊(cè)》以及一些對(duì)于煤泥漿體物料輸送分析的資料，綜合計(jì)算確定。

(2)泵應(yīng)該在最佳工況區(qū)運(yùn)行，既對(duì)應(yīng)于泵的高效區(qū)，又在磨損量最小的區(qū)域內(nèi)[2]。

(3)在保證基本要求的情況下，合理降低泵的轉(zhuǎn)速，可以降低氣蝕和沖蝕磨損強(qiáng)度[3]。

5 泵的使用

(1)使用時(shí)應(yīng)保證輸送的漿體密度及最大顆粒在渣漿泵型號(hào)所規(guī)定的范圍內(nèi)，避免超限使用[4]。

(2)某些選煤廠在進(jìn)料管安裝了高壓風(fēng)管，以防止在泵啟動(dòng)前礦漿物料沉積。但是，使用中應(yīng)避免泵在高壓風(fēng)管沒(méi)有關(guān)閉的情況下運(yùn)行，否則會(huì)造成礦漿中帶有高壓風(fēng)。因泵的入口壓力低，入料管中的氣體會(huì)迅速膨脹，通過(guò)葉輪進(jìn)入高壓區(qū)后，對(duì)護(hù)板及蝸殼造成沖擊，加劇磨損。

(3)避免在灌注高度不足的狀況下使用渣漿泵，造成氣蝕。

(4)渣漿泵的軸封水的供應(yīng)不允許間斷，避免軸封磨損。

6 泵的安裝、制造

泵安裝不當(dāng)、制造質(zhì)量(尺寸精度、表面粗糙度、表面抗腐蝕性能)差、裝配精度低等原因，都會(huì)導(dǎo)致葉輪等運(yùn)動(dòng)部件的磨損，這些在業(yè)內(nèi)往往未得到充分重視[5-6]。應(yīng)該采取以下措施。

(1)提高制造標(biāo)準(zhǔn)要求，保證渣漿泵各部件的制造精度。

(2)安裝過(guò)程中安裝單位要嚴(yán)格遵循渣漿泵的安裝要求，主要為：臥式泵機(jī)組應(yīng)采用二次灌漿法進(jìn)行安裝。安裝后，機(jī)組的中心線應(yīng)與地基中心線一致；機(jī)組的中心高與設(shè)計(jì)值的偏差應(yīng)不大于±2 mm，機(jī)組的水平允差為0.1/1000；對(duì)于采用聯(lián)軸器直聯(lián)傳動(dòng)的泵機(jī)組，機(jī)組的同軸度一般靠聯(lián)軸器找正來(lái)保證；對(duì)于膠帶傳動(dòng)的泵機(jī)組，應(yīng)保證泵軸與電機(jī)軸的平行度，通常以膠帶輪進(jìn)行找正；正確安裝進(jìn)出口管道、閥門(mén)、儀表、軸承冷卻和軸封冷水。

7 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)渣漿泵的磨損機(jī)理、種類(lèi)、原因的分析和研究，提出了解決磨損問(wèn)題的方法和途徑，對(duì)于提高渣漿泵的耐磨性能、延長(zhǎng)渣漿泵的運(yùn)行壽命、降低選煤廠生產(chǎn)運(yùn)行成本，有一定的指導(dǎo)作用。