海水泵泵軸腐蝕分析與改進(jìn)

張培杰，董方龍，任利東，張志權(quán)，劉井年，張金芳

濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

船用海水泵為柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)提供海水作為冷源，保證柴油機(jī)穩(wěn)定工作。海水泵泵軸腐蝕致使海水泵漏水、不上水，無法給柴油機(jī)提供足夠的海水換熱，可導(dǎo)致柴油機(jī)停機(jī)，威脅船舶及乘客的安全。本文旨在通過對海水泵泵軸材料耐海水腐蝕能力的研究，提升海水泵可靠性，保證船舶安全行駛。

1 背景

投放釣魚船細(xì)分市場的23條船舶，搭載40 L柴油機(jī)，使用過程中頻繁出現(xiàn)海水泵漏水、不泵水故障。海水泵結(jié)構(gòu)如圖1所示。拆檢故障海水泵發(fā)現(xiàn)，海水泵泵軸在與葉輪配合及與水封配合位置，均出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕、剝落，如圖2、3所示。

圖1 海水泵結(jié)構(gòu)圖 圖2 泵軸水封位置腐蝕照片 圖3 泵軸葉輪位置腐蝕照片

海水泵葉輪與泵軸為過盈連接，通過金屬過盈產(chǎn)生的摩擦力為葉輪提供轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)葉輪的泵水功能[1]。與葉輪配合位置的海水泵泵軸腐蝕、剝落，造成葉輪與泵軸相對轉(zhuǎn)動，海水泵的泵水功能喪失。海水泵水封由動環(huán)、靜環(huán)、波紋管及彈簧組成，動環(huán)安裝在泵軸上，與泵軸之間通過波紋管(橡膠)實(shí)現(xiàn)過盈密封。海水泵泵軸與水封配合位置腐蝕、剝落，造成水封與泵軸之間的密封失效，發(fā)生漏水。

2 腐蝕原因分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析

海水泵進(jìn)水口位置較低，如圖4所示。當(dāng)發(fā)動機(jī)停機(jī)后，海水泵內(nèi)的海水在重力作用下流出海水泵。釣魚船的停泊時(shí)間與運(yùn)行時(shí)間不規(guī)律，通常是使用一天、靠港停泊數(shù)天后再次使用，海水泵內(nèi)頻繁交替充滿海水與空氣，加速海水對于金屬件的腐蝕。

圖4 海水泵進(jìn)出水口位置示意圖

2.2 材料分析

海水泵渦道、葉輪材料為ZCuAl10Fe3，泵軸材料為3Cr13，泵殼材料為ZCuAl10Fe3，葉輪、泵軸、泵殼均為退火熱處理后加工。

將海水泵軸清洗后，采用電火花直讀光譜儀檢測海水泵泵軸材料化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示。海水泵泵軸硬度檢測結(jié)果如表2所示。

表1 泵軸材料3Cr13化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表2 泵軸硬度(HV0.5)檢測結(jié)果

由表1、2可知，海水泵泵軸材料符合3Cr13成分要求，硬度符合要求。

觀察故障海水泵，泵軸端面、軸頸表面存在明顯剝落、腐蝕凹坑[2]。對腐蝕嚴(yán)重處進(jìn)行電鏡掃描，結(jié)果如圖5所示。軸頸表面附著一層腐蝕產(chǎn)物，對其進(jìn)行能譜分析[3]，分析點(diǎn)如圖6所示，能譜分析結(jié)果如表3所示。

a) 觀測位置 b) 電鏡分析 c) 泵軸表面形貌 圖5 海水泵泵軸表面磨損形貌

圖6 泵軸表面腐蝕產(chǎn)物及能譜分析點(diǎn)

表3 泵軸表面腐蝕產(chǎn)物各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

由圖5、6和表3可知：泵軸表面發(fā)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕，表面材料組織疏松，泵軸腐蝕到一定程度后，葉輪與泵軸產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。

經(jīng)測量，海水泵泵軸材料與葉輪材料的電位差超過50 mV[4]，電偶腐蝕速率為自腐蝕的13倍[5-6]。綜合海水泵泵軸與葉輪裝配孔所處海水浸泡工況及表面腐蝕形貌，海水泵泵軸端面與葉輪接觸位置首先發(fā)生接觸腐蝕，后期伴隨縫隙腐蝕和全面腐蝕，最終導(dǎo)致海水泵軸與葉輪發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。

圖7為海水泵泵軸金相組織照片。由圖7可知，泵軸組織為退火態(tài)的球粒狀珠光體和呈斷續(xù)網(wǎng)狀分布的二次碳化物[7]。鋼中的Cr與C形成較多(Cr、Fe)23C6碳化物[8]，使固溶體中的Cr大為減少，這些碳化物顆粒在腐蝕介質(zhì)中起到微電池的作用，加速腐蝕。

a) 圖像1 b) 圖像2 圖7 海水泵軸金相組織圖像

通過分析，確認(rèn)海水泵泵軸材料3Cr13退火狀態(tài)下力學(xué)性能較低，耐海水腐蝕能力較弱，長期在海水中使用腐蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致葉輪脫落、水封漏水等故障。

3 改進(jìn)措施

3.1 泵軸材料改進(jìn)

3.1.1 材料性能分析

選取4個(gè)國外知名品牌海水泵，編號為1#～4#，對國外海水泵和故障海水泵的泵軸材料進(jìn)行對比分析，如表4所示。綜合考慮材料抗腐蝕性、抗拉強(qiáng)度以及在國內(nèi)使用情況，確定選取05Cr17Ni4Cu4Nb作為海水泵泵軸材料，熱處理方式為固溶處理及620 ℃時(shí)效處理，葉輪及泵殼保持ZCuAl10Fe3退火處理不變[9]。

表4 泵軸材料性能對比

3.1.2 材料耐腐性能對比

對故障泵泵軸材料3Cr13、新泵軸材料05Cr17Ni4Cu4Nb進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)和海水浸泡試驗(yàn)，對比它們的耐海水腐蝕能力。試驗(yàn)對象為原泵軸組合件(3Cr13泵軸配合ZCuAl10Fe3葉輪)、新泵軸組合件(05Cr17Ni4Cu4Nb泵軸配合ZCuAl10Fe3葉輪)，葉輪與泵軸結(jié)合端面涂防腐涂料。

1)鹽霧試驗(yàn)

鹽霧試驗(yàn)配用質(zhì)量濃度(60±5)g/L的氯化鈉溶液， pH值為6.7～7.2(35 ℃±2 ℃)。試驗(yàn)時(shí)長96 h，24 h噴鹽霧和24 h干燥交替進(jìn)行。

鹽霧試驗(yàn)完成后晾干泵軸。新泵軸組合件未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，泵軸表面保持初始光澤，如圖8所示；原泵軸組合件在泵軸與葉輪配合位置及泵軸截面位置出現(xiàn)生銹、點(diǎn)蝕，泵軸表面金屬光澤消失，如圖9所示。

圖8 05Cr17Ni4Cu4Nb泵軸鹽霧試驗(yàn)結(jié)果 圖9 3Cr13泵軸鹽霧試驗(yàn)結(jié)果

2)浸泡試驗(yàn)

對鹽霧試驗(yàn)后的泵軸組合件繼續(xù)進(jìn)行浸泡試驗(yàn)，采用質(zhì)量濃度和pH值與鹽霧試驗(yàn)相同的氯化鈉溶液，試驗(yàn)時(shí)長1920 h，72 h氯化鈉溶液浸泡和48 h空氣中晾曬交替進(jìn)行。

浸泡試驗(yàn)完成后洗凈晾干。05Cr17Ni4Cu4Nb泵軸未發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，泵軸表面保持初始光澤，如圖10所示；3Cr13泵軸表面出現(xiàn)較嚴(yán)重的銹蝕、剝落，如圖11所示。

圖10 05Cr17Ni4Cu4Nb泵軸浸泡試驗(yàn)結(jié)果 圖11 3Cr13泵軸浸泡試驗(yàn)結(jié)果

圖12 改進(jìn)后海水泵進(jìn)出水口位置示意圖

根據(jù)泵軸材料對比驗(yàn)證結(jié)果，確認(rèn)選用05Cr17Ni4Cu4Nb作為海水泵泵軸材料，對其進(jìn)行固溶處理及620 ℃時(shí)效處理，提升材料性能。

3.2 海水泵結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.2.1 進(jìn)出水口位置改進(jìn)

將海水泵進(jìn)水口由朝下改為朝上，保證海水泵進(jìn)、出水口均朝上，保證海水泵停機(jī)期間仍能存滿海水，以減弱對海水泵的腐蝕。改進(jìn)后海水泵進(jìn)出水口位置如圖12所示。

圖13 噴涂示意圖

3.2.2 防腐涂層

作為輔助防腐措施，在泵軸與葉輪配合位置斷面噴涂JOTUN 0R5耐磨環(huán)氧漆防腐涂層，如圖13所示。一方面，避免該位置因電勢差造成的電化學(xué)腐蝕；另一方面，避免泵軸與葉輪配合位置發(fā)生縫隙腐蝕。

召回市場上的釣魚船，更換海水泵。運(yùn)行10個(gè)月，未再發(fā)生類似海水泵腐蝕故障。

4 結(jié)論

海水泵輸送介質(zhì)為海水，因此海水泵零部件的防腐性能至關(guān)重要，直接影響海水泵的可靠性、耐久性。

1)泵軸對材料的剛度、耐腐蝕性能都有較高要求，退火狀態(tài)的3Cr13材料泵軸無法滿足耐海水腐蝕要求。

2)固溶、620 ℃時(shí)效處理的05Cr17Ni4Cu4Nb作為泵軸材料，同時(shí)在端面涂耐磨防腐涂料，滿足耐海水腐蝕要求。