减轻流程泵叶轮的磨蚀--数字化计算结合专业试验

图1 尤其是在泵送含有固体颗粒和铁屑的液体介质时，会产生很高的、导致流程泵叶轮和泵体金属材料的磨蚀现象，能够导致流程泵的失效、流程泵和流程设备的停产

流程泵叶轮的磨蚀是流程泵生产企业亟待解决的问题。在使用了合适的材料后能够进一步提高流程泵叶轮的使用寿命。为此，流程泵生产企业尝试了各种不同的涂防腐涂层材料和防腐涂层涂覆工艺，研发设计了确定颗粒/流程泵内壁交替作用的模拟软件。

输送腐蚀性介质是流程泵金属零部件被腐蚀的主要原因。在流程泵的使用过程中，通过对流程泵泵送效率的下降得知流程泵叶轮的磨蚀情况，可以通过对泵送出来液体介质的观察了解泵体的磨蚀情况。而处于干燥环境中的流程泵则不易发现其磨蚀情况。

一般情况下，流程泵的转速为2900r/min（双极电机）和1450 r/min（四极电机）。由于在转速、磨蚀和噪声之间有着直接的关联，因此，通过优化流程工艺降低流程泵的转速以及流速都是减少磨蚀的有效方法。另外，也可通过加大输送管道直径的方式减少磨蚀、降低噪声。但即使在采取了上述措施之后，它们的磨蚀性也非常高，因此有必要对这些零部件的表面涂覆耐磨涂层。

涂覆方式

基于不同的创新性涂层材料和贴近实践的试验研究，并借助于微结构特性化处理和数字化的模拟计算，能够对输送含有固体颗粒介质的流程泵的磨蚀情况进行试验和模拟。从而对不同涂层类型和不同涂层工艺技术进行准确的观察和了解。被检测的涂层系统包括了薄壁硬质涂层、TiN涂层、热喷镀涂层、电化学涂层直至很厚的激光焊接的合成材料涂层。

图2 试验前灰铸铁材料表面新涂覆的防护涂层

表格中给出了所试验涂层和重要的涂层工艺技术的概况。在这些方案中，最难的是灰铸铁材料零部件的涂层，尤其是薄壁硬质涂层，它往往不具有足够的防护作用，防护层也容易提前剥落。同时，散布在零件表面的片状石墨也严重的影响涂层材料的附着性能。

有一定硬度的涂层材料的特性化处理需要采用微硬化工艺技术——纳米压痕技术，或者被称之为深度敏感压痕技术。在专门研发的磨蚀试验台上可以在非常接近实际应用的条件下对不同涂层材料的耐磨蚀性能进行检测，与不同的流程泵叶轮进行比较。

建模

为了更好地理解流程泵叶轮特定部位出现的磨蚀现象，与斯图加特大学的研究所CFD（计算机流体模拟技术实验室）合作进行了模拟试验，这使人们能够更加清楚地了解流程泵内部的液体流动情况。为此，专门建立了一个完整的流程泵数字化模型。

短时流动状态的模拟计算所需的计算工作都是在斯图加特大学的高性能计算中心HLRS进行的。模拟计算时，对一个流程泵在多种不同的工作条件下的流量和压力情况进行了详细的分析和计算。这一模拟计算的结果为颗粒－泵壁相互影响下叶轮和泵壳特定磨蚀痕迹的计算提供了最基本的资料。

试验时，在后续利用粒子滤波算法（Particle-Tracking Methode）对各个颗粒的数据处理过程中，利用欧拉－拉格朗日运动方程对各个颗粒进行运动求解，以便描述在介质流内各个颗粒的运动情况。除了对流体介质中颗粒的运动轨迹进行运动分析计算外，还对它们的运动速度、与泵零部件表面接触时与面法线之间的角度也进行了模拟计算。各个颗粒与表面之间的相互作用都在规定的变量范围内被一个个求积。通过对碰撞速度和碰撞角度的评估分析，并结合使用磨蚀模型，就不仅仅是简单的颗粒输送情况的模拟了，而是考虑了被磨蚀材料特性条件下的颗粒输送情况模拟。从而在流体介质中颗粒物的输送和磨蚀模型之间建立了内在的联系。

图3 在试验台上完成100h试验后灰铸铁叶轮磨蚀的情况

在将CFD和磨蚀计算两种模型结合在一起考虑之后，就成功的为输送含有颗粒物液体介质流程泵的叶轮设计提供了一个有用的工具。除了对现有的流程泵叶轮以及新设计叶轮进行流体技术的复查、审核之外，利用这一工具在同一模拟过程中还考虑了固体颗粒的输送情况。通过对流体介质中固体颗粒与泵壁之间的相互作用的模拟计算和分析，可以对流程泵局部磨蚀点、不同基础材料以及表面防护涂层、耐磨性能等都结合在一起考虑。通过对这一系列影响因素的优化改进能够模拟计算设计出更加耐磨、更加符合流体力学技术要求的流程泵；也能够明显的降低高昂的试验费用。

涂覆过程

研究显示，灰铸铁表面涂层的附着性能问题较大。在强力喷砂或者喷射玻璃珠的表面处理之后，能够为涂覆操作创造良好的前提条件。在完成这些喷射处理之后进行，有时必须再进行等离子氮化，以便提高灰铸铁材料表面的附着性能，尤其是在多层的防护涂层处理时。在薄层的防护涂层处理中，灰铸铁表面过于粗糙是影响防护涂层附着力的一个因素。只有通过附加的表面平滑处理方法，才能得到令人满意的结果。在进行实用性评估中，对不同使用时间的流程泵进行了测试。测试证明，要进一步提高流程泵的使用寿命就要投入较高的资金、购买价格较贵的产品，为减少停产时间投入一定的费用。

不同的防护涂层涂覆技术都是合适的防磨蚀技术。根据流程泵不同的使用情况和流体介质中所含固体成分（铁屑、磨粒、沙子、坚硬的固体材料等等）的不同，必须选择不同的涂覆工艺技术和涂层厚度。有选择的涂层，尤其是激光焊接的防护涂层，可以说是适合于各种应用的有效防护涂层。

故障早期识别

通过对流程泵泵体和叶轮的流体力学模拟分析，并经过了大量的对比试验和模拟，能够得出几乎完全相同的结论，流速较高的部位磨蚀也最严重。

速度因子表示的是叶轮和叶轮介质输入处流体的最大速度差异。在叶片背面形成的涡流对叶轮内面的磨蚀影响最大。在叶轮的涡流处，会因叶轮的螺旋型叶面而产生回流。此处的流体流动曲线明显的表示出了涡流的形成。由涡流形成的、产生在各个不同叶面处的压痕清楚地表示了涡流的影响状况。

沿叶轮表面的液体流动反复的造成叶轮叶面和蜗壳的磨蚀。为了能够早期识别这种磨蚀，及时、有效的进行维护保养，在最易受到磨蚀部位的泵体处安装了磨蚀监控传感器；利用传感器对导电性能变化的监控来检测叶轮的磨蚀情况。腐蚀性的介质按照叶轮相同的磨蚀情况对传感器的防护涂层进行腐蚀，并又通过被泵送的液体介质与泵体形成电气回路。当这一电路的电压超过规定的极限值时，将会通过声光报警系统发出磨蚀报警提示。

总寿命周期费用

从TCO总拥有成本和LCC产品的总寿命周期费用的角度考察时，重点考察流程泵的使用时间长短。许多流程设备生产、制造和使用者所介绍的购买目标清楚的表明：他们希望的流程泵在8~10年的时间内有一个明确的、包括采购费用、使用运行费用和维护保养费用之内的总体费用数字，以便计算一下自己是否能够承受得起。

LCC总寿命周期费用中的金额包括了采购成本、维修费用，同时也突出的表示了流程泵的可用性以及在流程设备因事故停产时的损失。即在TCO总拥有成本的框架内，可以直接计算出该泵的经济性能。在流程泵购买时较高的投入一般情况下都能带来更高的经济性。因为流程设备的维护保养费用和停产损失费用都是相当昂贵的。