NKG150-125化工离心泵设计（含12张CAD图纸）
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设计外文翻译 院（部）： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起止日期： 原文译文第五章结构的材料5.1节 泵结构的金属材料(以及他们的损伤机制) 一台成功的泵装置需要的是它的性能和寿命。性能就是泵头的额定功率,容量和效率。寿命就是在需要更换一个或者多个泵部件以保持有效的性能之前总的运行小时数。最初的泵性能是泵制造者的责任,并且包含在泵设计当中。 寿命是当泵在运行时,结构材料对腐蚀、冲蚀、磨损等影响材料因素的抗性的主要衡量方式。最大限度地提高泵的可靠性和延长泵的使用寿命的需求，使得选择合适的结构材料至关重要。 选择既符合成本效益,在技术上又宜应用的材料需要的知识不仅在于泵的设计和制造工艺，而且包括材料的工程性质，特别是当材料处于泵运行环境中时其耐腐蚀性和耐磨损性。在腐蚀和冶金文献中以及从泵制造商的经验里已经有足够的信息使我们能够为几乎所有应用环境中的泵选择适当的材料。 众所周知,有很多因素能够保证泵的使用寿命。这些因素包括: 在接近环境温度下的中性液体。 在恶劣的运行环境中选择合适的泵材料。 去除会造成磨蚀的小颗粒。 在接近最大效率点处持续运行。 根据制造商提供的工作曲线要求的汽蚀余量预留充分且有效的余量 低速率（扬程/转速）。 符合这些条件的泵装置将会有一个长的寿命。供水泵就是一个典型的例子。一些用铜叶轮和铸铁壳体的供水泵有50年的寿命或者更长。另一个极端就是处理热腐蚀性并带有悬浮颗粒液体的化工泵。这种泵的寿命就应该以月来衡量而不是以年。尽管事实上这种泵的结构采用了最耐受的材料。 大多数的泵应用处于上述这两个极端之间。泵的设计者需要熟悉各种影响泵部件以及它的使用寿命的剥蚀类型。这些剥蚀一般可以分为腐蚀，磨损和疲劳，其中腐蚀和磨损是影响寿命的主要机理。腐蚀的类别 普通腐蚀 普通腐蚀在发生时没有明确可预知的地点。这种类型的腐蚀发生于表面没有涂有效钝化膜的金属或者合金上。通常，腐蚀机理是伴随着金属氧化物腐蚀产物形成的氧化作用。普通腐蚀大多数时候经常发生在用碳钢和铜合金的泵中。铸铁也会有一种需要被单独列出的普通腐蚀形式，称为石墨化腐蚀。 碳钢不会产生保护性氧化膜，而是会根据水或其他液体的一些特性,包括温度、含氧量、pH值以及流体的化学性质以一定的速率腐蚀。有一些基于水的化学成份的经验指标可以用来计算自然水体对碳钢以及类似的铁合金的相对腐蚀度。朗格利尔指数(Langelier Index)是最有名的。腐蚀率也很大程度上取决于速度并且随速度的增加而增加。在大多数的泵应用中，显然碳氢化合物除外，碳钢的腐蚀率太高以至于不能够提供一个有效的寿命。然而，碳钢却被频繁应用，特别是在立式泵中，用一些形式的保护涂层来避免腐蚀。煤焦油环氧树脂是许多水运行环境下的理想涂层。 铜合金，包括黄铜和青铜，也在最常使用他们的泵工业中遭受着腐蚀。水中少量硫化物的存在会增加腐蚀速率。铜合金在大多数情况中逐渐形成一种保护性的氧化铜腐蚀膜。随着这个薄膜的不断形成，腐蚀速率逐渐减小。不同的合金种类,不同的等级,他们的腐蚀速率也各不相同。在泵常用的合金中，镍铝青铜腐蚀率最低,对高速度的耐受最好。 图1中展示了一个立式泵中镍铜铬耐蚀铸铁壳体的普通腐蚀。金相截面局部图显示了腐蚀的深度图1 某立式泵的下壳体镍铜铬耐蚀铸铁的碎片。右图中展示的微观结构显示了腐蚀渗入的深度。此为普通腐蚀的典型的例子（右图放大倍率为100倍）脱合金成分腐蚀 脱合金成分腐蚀会优先腐蚀掉多相合金中的某相，或者金属中的一种元素。在泵工业中，脱合金成分腐蚀的发生有很多形式。其中最常见的是灰铸铁的石墨化腐蚀。这种材料价格低，易于加工，而且非常适于各种应用情况，尤其是在供水系统工业。可以说是泵工业中应用最为广泛的一种材料。 与碳钢或球墨铸铁相比, 灰铸铁腐蚀有着本质上不同的机理。灰铸铁的结构是在一个主要是铁的晶阵中由石墨薄片互相连接而成。在电解液的存在下,通常是水, 在铁和石墨之间建立了一个原电池。铁腐蚀,腐蚀产物绝大部分随着介质液体流过泵被冲刷带走。 最初的铸造体会逐渐减少变成包含一些氧化铁的腐蚀产物的多孔石墨结构。这通常被称为石墨化。灰铸铁表面的石墨腐蚀不会改变其原来的形状和尺寸，但表面大部分将会变成可以用小刀切割的石墨。铸件将丧失其部分机械性能，并逐渐变得容易受到轻微的冲击或冲击载荷而造成脆性破坏的影响。 这也是在海水中镍铜铬耐蚀铸铁的腐蚀机制。图2展示了金属中完好基本金属和它石墨化的前端的交界面。 石墨的腐蚀率会随水化学性质的不同而变化,而且这种类型的腐蚀在淡水和盐水中均会发生,这一点至关重要。盐水的高电导性越好,腐蚀率越高。在高矿物质含量的水中,石墨化腐蚀会以缓慢的速度进行。矿物会堵塞在石墨层的表面上，封闭基本金属使其不暴露在流体中，从而降低腐蚀速率。 随着铸铁件，如泵壳的表面逐渐石墨化，与泵内其他部件的电偶关系将会被改变。相比于被安装在已经工作很多年的泵中的青铜叶轮,一开始就被安装在用于处理海水的铸铁泵中的青铜叶轮会有更长的寿命。更换叶轮后其寿命的减少是因为改变与泵壳的电偶关系。最初,壳体是铸铁,相对于青铜叶轮它是阳极。随着时间的推移,当壳体逐渐石墨化,由于石墨的影响而渐渐变成阴极。青铜叶轮现在就成为了阳极并且以一个高的速率腐蚀。 这个例子突显出石墨腐蚀对泵内其他部件的影响以及谨慎选择用于导电流体如盐水中的材料的重要性。 其他一些类型的脱合金成分腐蚀也会在泵中发生。含有超过14%锌的黄铜和青铜合金遭受的脱合金成分腐蚀称为脱锌。锌被优先从材料的基体上腐蚀掉,留下一个有弹性的富铜渣。 脱锌能够均匀地发生在一个铸件表面的浅层或作为一个局限在一个小区域独立的塞头上发生。塞头处脱锌是更严重的问题，因为塞头很薄弱,而且如果穿过边界压力则会造成泄漏，但应该强调的是，锌含量小于14%的铜合金不容易受到这种形式的腐蚀。因此,在无锌青铜上的需求通常强加于泵制造商来避免脱锌,这是没有技术理由的。图3展示了一个叶轮的脱合金成分腐蚀。图2 石墨化前和可靠的基底金属之间的交界面。石墨化腐蚀沿着石墨片的路径发生和传播(50)图3 一个立式泵叶轮的脱合金成分腐蚀。注意横截面颜色的变化。未受影响的铜(浅色)材料被脱锌层包裹着(1.3) 最后一种偶尔会发生在泵中的脱合金成分腐蚀是铝铜合金中脱铝。 这些都是冶金复合材料。某些组成成分可以形成一个富铝相并且会在有侵蚀性的液体中优先腐蚀,特别是海水。 一种特殊的热处理可以减轻有害相。这种热处理被称为回火退火。这种热处理必须由设计者指定易感成分，因为它不是国家材料规格的强制性要求。欧洲的一些铝青铜合金的化学成分已经被调整以去除富铝相的形成而不需要回火退火热处理。 回火退火可以作为焊接的铝青铜结构的一种应力消除操作，这是一个产品在这一类的二次受益。电化学腐蚀 电化学腐蚀这种腐蚀是发生在当一种合金被电偶合到另一种合金上而且暴露在一种导电液体中时。通常,相比于未形成电偶暴露情况下,越是贵金属合金的腐蚀率会越低,而非贵金属的腐蚀率越高。 这两种金属的电化学腐蚀率受多种因素的影响。这种腐蚀很大程度上受液体导电性的影响。例如在导电性较低的清水中,电化学腐蚀将不那么严重，一般只限于金属互相接触的位置。 然而，在导电性很高的流体中，如海水，电化学腐蚀将更严重并且发生在更广泛的区域中。泵的设计者需要考虑当在一种导电性液体中使用不同的金属时这种腐蚀发生的可能性。 谨慎选用材料可以避免在海水或者其他导电液体中的电化学腐蚀问题。电化学腐蚀与偶和金属的接触区域比率相关。它总是发生在阳极区域,或者低贵金属区域,不常发生于贵金属所在区域。因此，非贵金属的额外腐蚀将被传播在一个相对比较大的区域，因为被耦合,所以并不会过度。 一个有效利用这种电解关系的例子就是在离心泵中采用镍铜铬耐蚀铸铁壳体而内部部件采用奥氏体不锈钢。具体来讲这种组合经常被应用于海水工况下。当泵停机并含有积水时, 镍铜铬耐蚀铸铁相对于不锈钢就是阳极,从而保护它不受局部腐蚀。 镍铜铬耐蚀铸铁的面积明显比不锈钢大。 镍铜铬耐蚀铸铁电化学腐蚀的增加会覆盖一个大的区域,而且可以忽略不计。 在电偶中发生的腐蚀程度也取决于耦合金属的自由腐蚀电位。低耐腐蚀金属,如锌、铸铁和钢当相对于参考电极测量时通常会有更多的负电位。高耐腐蚀金属，如不锈钢，则负电位较少。 常用工程合金在缓慢移动海水中的腐蚀电位见表1。这些合金以它们在流动的海水中展现出来的电位的顺序列出。某些合金（固体颜色框标出的合金名称）在低速或低碳酸水以及在屏蔽的区域可能会变得活跃，并表现出一个近-0.5伏的负电位。当两种金属电耦合时电化学腐蚀发生的程度将取决于两种金属的电位差。由于锌与不锈钢这两者之间巨大的电位差，锌与不锈钢耦合的腐蚀率会大大增加。镍-铝青铜耦合奥氏体不锈钢时电化学腐蚀程度很小，因为这两者的电位是彼此接近的。泵设计者需要注意用于导电液体中的不同金属的腐蚀电位,以避免预料不到的电化学腐蚀问题。 涂料的使用可以决定性的改变泵中的电位关系。如果像钢壳体这样的阳极部件被涂上涂层,预计在这些位置会有一个高的腐蚀率, 而这些位置的涂层最终将会脱落。这将由一个非常不利的面积比造成,一个小面积暴露的碳钢与一个大面积的一些贵金属耦合,如不锈钢或者青铜。因此,当泵处理具有不同金属的导电性流体时,应谨慎使用涂料。在这些应用中通常不建议在阳极部件上涂涂层。图4 统计了连接在不锈钢罩上的碳钢法兰内径的电化学腐蚀。加速腐蚀是由在这个部件的不锈钢相对于碳钢的不当比例造成的。应力腐蚀开裂 应力腐蚀开裂（SCC）是一个特别危险的腐蚀形式,因为在其发展到可以引起突然严重破坏之前不易被察觉。虽然应力腐蚀开裂在泵中相对比较少见，但它可能在几类材料中发生。泵的设计者应该警惕可能引起应力腐蚀开裂的材料和环境的组合。 应力腐蚀要求几个因素的存在。这些因素包括拉伸应力，它既可以是残余的拉引力也可以加载的，敏感材料，足够导致应力腐蚀的环境和时间。 在水泵行业有应用且可能导致应力腐蚀开裂的材料包括奥氏体和马氏体不锈钢，某些铜基合金，偶尔会有镍铜铬耐蚀铸铁。奥氏体不锈钢在水溶性氯化物中,当温度超过140F（60C）时易于发生应力腐蚀。铸造合金在微观组织中包含部分铁素体,相对于锻造件来说,明显的更耐应力腐蚀。开裂的可能性会在氯化物通过蒸发而浓缩的情况下增加。高残余应力，往往存在于焊接结构，也提高了开裂的可能性。奥氏体不锈钢中镍含量的增加提高了其抵抗SCC的性能。高品位镍，一般称为20合金，通常在最需要抵抗应力腐蚀的化学应用中使用。奥氏体不锈钢在泵体中的应力腐蚀开裂相对较少见。 马氏体不锈钢容易在硫化氢存在下开裂，通常被称为硫化物应力腐蚀开裂（SSC）。这些钢,特别是CA-15和CA-6NM,通常应用在有硫化氢存在下的石油和炼油产业的泵中。通过给这些材料一种特殊的热处理，使其可以降低硬度低于某一临界值的水平，从而避免腐蚀开裂。这也与材料的屈服强度有关。通常在文献中可以看到,应用在这些工况下的含铁材料应该硬度不大于22 的钢筋混凝土或者屈服强度不高于90000磅/平方英寸（620MPa）。技术标准,包括API 610和NACE MR-01-75，在含硫化氢环境中，可用于指定为马氏体钢的相应要求。图4 在该泵剖面上的电流腐蚀是明显的。注意在不锈钢罩上连接的碳钢法兰的内径的高腐蚀速率。表1 流动海水中的腐蚀电位(813 ft/s, 5080F/2。44。0 m/s, 1026C)。伏：饱和甘汞电极作为参考电极 铜合金在氨的存在下易发生应力腐蚀开裂，不同种类的青铜易受应力腐蚀开裂的耐受程度不同且相差特别大,而铝青铜是耐性是最强的。受污染的自然水域可能含有氨，因此，这些场合下青铜材质的泵通常不是一个很好的选择。 高强度锰青铜很容易在自然水域中开裂。这种合金铸造叶轮已经被发现会遭受严重的侵蚀。铸件残余应力也足以引起开裂。这些合金由于在这些问题中的敏感性而不应该用于泵中。 镍铜铬耐蚀铸铁是含15%至20%镍的奥氏体铸铁。在大型的海水立式泵中通常应用这种材料。经验表明，它是倾向于应力腐蚀，特别是在这些泵的扩散管部分，除非铸件进行了炉内的应力消除。这必须由买方指定，因为这不是国家材料标准的要求。氢脆化 氢损伤是一种环境辅助失效的形式，这是氢和残余或外加拉伸应力的综合作用造成的。特定的合金或组成合金的氢损伤表现在许多方面，如开裂、起泡、氢化，或拉伸塑性的失效。总的来说，这些各种形式的损坏通常被称为作为氢脆化。 在泵中偶尔遇到由氢造成的损坏。一些电镀工艺，如镀铬，通常用于再次加工泵轴，会产生氢气。这种情况下氢可以进入金属表面。微观裂纹会发生于高强度钢中（屈服强度大于90000磅/平方英寸或620 MPa）。过度研磨可以使低强度钢表面硬化，但会增加氢导致裂纹的几率。氢损伤产生的微观裂纹会形成应力集中,通过机械疲劳不断延伸失效从而产生灾难性的故障。这个问题可以在电镀前通过使用适当的研磨工艺加以避免。高强度钢在电镀后应该立即烘烤以去除氢。 在焊接过程中，也可以将氢引入金属中。为了避免与焊接相关的氢损伤，铁素体和马氏体钢应该用低氢电极焊接。涂层电极应根据制造商的指示，在使用前进行烘烤，以使其脱落水分，因为这是焊接中氢污染的主要来源。微生物腐蚀 生物体可以在很多不同的环境中促进腐蚀。在好氧和厌氧环境中都有多种生物有机体的生长。由微生物活动引起的腐蚀最常发生在因泵较长时间停机而滞留在其中的水中。 在许多水域会发现硫酸盐还原菌。它们将会形成粘稠的红色半球聚集物附着在铸铁或碳钢上。这被称为结节。如果把结节刮下来，在结节下总会有一个碟形坑。坑内将包含一个湿的，黑色的沉淀。点蚀是由细菌分泌的硫酸的痕迹引起的。这种类型的腐蚀通常不会导致过早失效。 不锈钢遭受着许多更严重类型的微生物的腐蚀。一类金属离子浓缩/氧化微生物出现在精矿铁和锰的氯化物，这两者都是有效的腐蚀剂。这些细菌优先在奥氏体不锈钢焊缝形成附着，并能够在一个相对短的时间内造成严重的点蚀。这个问题已经在应用于盐水和淡水的各种设备中遇到了。只有当焊缝开始泄漏时才发现这个问题。如果对留滞的水不管是淡水还是盐水长时间放任不管,采用不锈钢的焊接的泵就会受到这个问题的困扰。在特定情况下杀菌剂可以用来减轻这个问题。 最后，生物有机体的衰变会产生硫化氢，对铜基合金的保护性氧化膜产生不利的影响。温暖的热带水域会强化生物活性，尤其是水停滞的条件下，可以影响青铜的腐蚀抗性以及降低会发生加速腐蚀地方的阈值速度。在有可能有微生物活跃的地方以及有长时间停机可能的情况下, 青铜应该谨慎使用。晶间腐蚀 这种不常见的腐蚀类型优先攻击的是材料的晶界。这是由局部化学性质差异造成的，如奥氏体不锈钢的铬缺乏区。青铜合金易受这种类型的腐蚀,包括铝黄铜、硅青铜、熟铜、海事金属。晶间腐蚀所需要的两点是：一种致敏材料和腐蚀性介质，如海水。在焊接修复过程中，热处理过程中可能会出现增敏作用。当循环荷载时，这种类型的腐蚀往往会导致腐蚀辅助疲劳裂纹 300系列奥氏体不锈钢的热处理不当会导致对晶间腐蚀的敏感。当不锈钢含有超过0.03%的碳，并且温度在800和1550C（425至850之间）时，会发生致敏作用。在这种温度下，铬的碳化物沿晶界析出，导致在相邻区域中的铬消耗。这些相邻区域的耐腐蚀性已经降低。奥氏体不锈钢含有约16%至18%铬。碳化铬周围区域的铬含量可以降到低于12%个的范围内以保持一个钝化的状态。一个大的阴极（颗粒）和一个小的阳极（晶界）建立了一个原电池。在这种不希望的情况下，腐蚀沿阳极晶界发生。腐蚀损伤程度取决于处在敏化温度范围内的时间长度。敏化的程度是碳含量的一种功能。碳含量越高，材料在这个范围内不发生致敏存在的时间越短。图5中的温度随时间变化的曲线图，说明了这一点。图6中展示了一个不恰当热处理的填料箱盖的晶间腐蚀。 奥氏体不锈钢也可以在正常焊接过程中致敏化。在焊接过错中必须非常小心以避开致敏范围，如果有需要,随后可以进行适当的焊后热处理。 通过一些方法可以避免或改正致敏： 将材料加热到足够高的温度，以溶解铬的碳化物，通常为1900至2100F（1040至1150C），随后通过感光范围随后快速冷却。焊接区局部热处理不会使材料脱敏。 使用添加铌或钛的不锈钢。这两个元素将与碳捆绑在一起，从而防止铬的碳化物。 将碳含量降低到一个较低的水平（小于0.03%）。碳含量越低，碳化铬产生所需要的时间越长。 当奥氏体不锈钢在泵行业中必须使用时，材料通常应该用在可以预料到晶间腐蚀的地方，包括304L，316L，CF-3，和CF-3M。含25%或更多铬的合金的晶间腐蚀是不用担心的。汽蚀 汽蚀本质上是一个机械的过程，尽管它与腐蚀协同作用而且通常被认为是其他形式的腐蚀。汽蚀可以被定义为流体中由于蒸汽气泡的溃裂而引起的高压而造成的表层金属的脱落。当流体的局部压力降为蒸汽压力时，将会发生空化现象。在多级泵中，在叶轮入口的低压区中形成气泡，并被流到更高压力的地区，在那里他们溃破。许多气泡可能会产生并在一个区域破裂，产生许多高动能的微射流。由气泡溃破释放的能量以冲击载荷的形式被消耗在金属表面上。如果保护氧化层缺失,这种情况是具有破坏性的,因为保护氧化层被破坏从而将金属直接暴露在腐蚀液中。这种循环加载最终导致微观疲劳裂纹的形成。这些裂缝的传播和交叉，导致从表面上金属的脱落和独特的海绵状或多孔外观的气蚀损坏。图7展示了一个受汽蚀破坏的叶轮的例子。图5 18-8不锈钢的由斯特劳斯试验确定的时间温度敏感曲线。注意一个低碳等级的不锈钢（0.03%）需要5至10小时的曝光，而一个标准级（0.08%）只需要几分钟的曝光时间。图6 一种填料箱盖的表面，由于敏化作用，有晶间腐蚀。颗粒在孔的内部也很明显图7 一个叶轮的汽蚀破坏，通过表面空化区域的多孔状显示出来。 尽管在设计和应用中应该尽各种努力去避免离心泵汽蚀的发生,但在容量低于最大额定效率容量的泵中实现时这个并不总是可行的。必须注意到的是，在低流量运行时，所要求的NPSH曲线通常是不足以抑制所有的空蚀破坏的。规定的汽蚀余量是满足流量特性曲线中的扬程、容量和效率所需要的汽蚀余量。在低流量时，应该考虑会有一定的汽蚀破坏。可以在低流量时抑制空化是不切实际的，因为最佳效率点的需求，它可能发生多次。因此，空蚀破坏成为选择叶轮材料时一个频繁被考虑的因素。 扬程超过35英尺（10.7m）的开放式混流叶轮在旋转叶片和静止的壳体的间隙之间特别容易产生汽蚀。这通常被称为叶尖侵蚀，是由于叶片和壳体之间间隙的空化涡流引起的。在这种情况下提供足够的汽蚀余量去消除空化也是不切实际的。这种类型的泵的叶轮和壳体的任何评估都应包括对叶片尖端侵蚀可能性的考察。 近几年来泵行业一致认为材料的抗汽蚀性与它的硬度直接有关。近几年又有了一个更深的理解，并且已经促成了一类具有优异抗汽蚀性的非标准不锈钢的发展。 在二十世纪七十年代，当发现有一定硬度的钴基合金能够形成一个很高的抗汽蚀破坏能力时，抗汽蚀性与硬度之间的关系在此时第一次被精密计算。抗汽蚀能力与当遭受汽蚀时，材料表面向更硬、更具有抗性的晶相阶段的转变能力有关。这个过程和奥氏体不锈钢有关，奥氏体不锈钢的化学成分在空化作用下的应力会诱发马氏体的形成。最初的新合金被开发出来作为焊接填充金属修复气蚀损坏而使用，后来作为泵的叶轮铸件的材料。这些合金在退火情况下具有比标准的奥氏体等级相对低的硬度，但当其暴露在空化载荷下在表面会转变成一个更硬的马氏体。硬表层会抵抗疲劳裂纹的产生。如果材料持续暴露于空化气泡中最终形成了裂纹，裂纹想传播到软韧性基底金属也是困难的。抗蚀性奥氏体不锈钢铸件与铬和锰的合金，有与钴基合金相似的抗蚀性机理。 大量材料空化腐蚀抗性的实验测试已经为所以常用于离心泵部件中的材料提供了一套数据。可以在实验室数据和现场经验之间做出一个好的相关性联系以制定出泵材料抗空蚀性能特性列表，表格中的材料按抗空化性能逐渐降低排列：钨铬钴合金铬锰奥氏体不锈钢渗碳12%铬不锈钢铸件钛合金6Al - 4V铸造镍铝青铜铸造双相不锈钢铸造沉淀硬化不锈钢球墨铸铁耐蚀镍合金铸造cf-8m铸造CA6-NM铸造CA-15蒙乃尔合金锰青铜 碳钢（铸） 铅青铜铸铁 选择合适的抗空蚀材料，将使泵设计人员在泵可以操作的条件下，在工况范围内留有更大的操作余地。它还允许可以在更高的速度运行得更小、更轻的泵的设计。明智地使用的材料能显著的延长汽蚀破坏造成的停机之间的时间，可以大大降低维护成本。磨损类型 旋转设备，包括泵，会遭受与腐蚀无关的机械损伤。当这些组件接触到另一个组件时，它们之间彼此接近的相对运动会产生磨损。如果在高载荷条件下或当异物被包裹在旋转和固定部件之间，可能会出现灾难性的损伤。这些组件材料的加速损失或部件严重性的脱落，可以导致昂贵的维修或更换费用。侵蚀，由于在液体中的固体颗粒的存在，也会限制泵内部组件的寿命。 磨损机理已被分为20多个单独的过程。然而，只有几个机理经常被认定为可以损伤一个泵： 粘着磨损：材料与材料接触 磨料磨损：与内部元件相互作用的固体 侵蚀：固体颗粒撞击 微动：引起氧化损伤的小幅度运动 确定磨损机制有时是困难的，因为泵内的磨损或材料的脱落，可能同时由一个以上的机制所导致。 摩擦和磨损的研究作为一门学科，被称为摩擦学，在二十世纪三十年代末开始。这些早期的研究加强了对磨损损伤机理的认识，这种磨损损伤机理是除了腐蚀和材料的疲劳之外对泵寿命有影响的因素。在目前的行业杂志和文章中，可以找到关于磨损研究的许多资料。粘着磨损 在一个介质为清水（没有夹带固体的液流）的泵中，旋转部件材料损失的一个主要的原因就是粘着磨损。这种材料的损失是由于材料表面接触产生破坏，材料出现缺口，材料转移，以及可能的磨损。考虑一对可能接触到的材料的两个重要特点是粘着磨损特性及其磨损阈值。材料的磨损被认为是一个严重的粘着磨损的后果。 相对运动的两个表面的磨损是复杂的。除了粘着磨损模型之外，一些其他的滑动磨损理论还被提了出来。它们是分层理论，氧化理论，表面分层理论，疲劳模型，以及前面提到的几个理论的组合。然而，只有粘着磨损理论提供了一个一般的磨损方程来定量的预测磨损，从而提供了一种以它们磨损特点为手段的材料分类方法。 存在很多的粘着磨损试验，包括环块、销钉和V形块，4-球，和钉在圆盘上。进行磨损试验，以筛选潜在用途的材料组合。因此，磨损试验的目的是模拟，尽可能接近实际的工作条件和参数。 粘着磨损条件下，材料的磨损试验得出了几个概论，以便在那些可能在运行中经历接触的情况下保障材料的正确选择。由EPRI支持，美国海军研究和私人企业的研发出了一系列被认为当接触发生时它们磨损的兼容性是可以接受的材料。根据测试，材料的硬度被认为是成功的运行组合的关键参数。当预计会有粘着磨损发生的工况下，下面的指导应该被用来选择材料： 1、如材料在粘着磨损条件下预计不会良好运行（除专为antigalling电阻设 计的材料，如氮60和肖88材料）。 2、组合硬度低于45的钢筋混凝土需要硬度差别至少为10的钢筋混凝土。 3、组合硬度高于45的钢筋混凝土可以有相同的硬度。 在广泛的经验测试和现场经验的基础上，多年来，在选用泵口耐磨环材料时，已经开发出了一些经验丰富的经验法则。有三个因素用来选择在干净液体环境中的磨损表面的材料： 流体的腐蚀性 允许磨损量 磨损应力 腐蚀决定了所使用的材料的类别。这些类一般分为三个分组：非腐蚀性，轻度腐蚀性和腐蚀性。当然，在腐蚀性材料组中选择一个正确材料时的附加约束需要通过实际经验来处理。 其他的材料特性，如添加剂，可以显著影响与粘着磨损和擦伤相关的性能。例如，添加铅的铜合金被认为是耐磨损合金因其为接触面之间铅能提供润滑性能。目前正在评估以取代含铅青铜合金的替代品，以避免使用铅而产生的健康问题。锡铋和镍基合金的添加也同样如此。 几种环境中材料的大致使用指南如下：环境材料硬度无腐蚀、轻度腐蚀铸铁/加铅青铜的马氏体不锈钢（局部或者彻底变硬）低于45钢筋混凝土时不重要，高于45钢筋混凝土时应有10个点的差别，相同硬度是接受的腐蚀抗腐蚀，无磨损的奥氏体不锈钢（氮50/氮60或者 88/氮50）不适用严重腐蚀高合金奥氏体不锈钢和硬面材料，例如钨铬钴合金或者铬化硼系化合物不适用 使用这些全行业公认的经验法则将有助于避免通常导致昂贵的维修的灾难性的损害。 一些特殊的应用已经为特定的环境产生了独特的材料应用。这些应用包括由于流体的非润滑特性而偏好使用机械碳材的特定重力应用。如果特定的重力是0.5或更小，通常的做法是制造固定成分的金属填充石墨。固定的机械碳组件也可用于液体二氧化碳和其他潜在的干启动应用，如轴流泵的上部轴承。目前，非金属耐磨元件，如先进的聚合物和陶瓷，正在被加以研究以解决各种应用中遇到的困扰。通常，这些玻璃填充的聚合物或陶瓷复合材料含有各种添加剂以提高他们的耐磨性。微动磨损 微动磨损可以被认为是一种特殊情况下的粘着磨损。它发生在当接触两部分的紧贴表面经历重复、小幅度振动的相对运动时，比如在轴上一个松动的叶轮。研究人员把微动损伤分为四个阶段： 1.在配套材料上粗糙处的粘着磨损 2.在第一阶段中产生的磨粒造成的磨料磨损 3.磨损颗粒填充粗糙的凹坑 4.表面和微点蚀的弹性连接产生的冷作工 在泵中，在松配合的叶轮处有小振幅运动的可能性，比如在松配合轴承下，叶轮耐磨环与叶轮轮毂之间。设计工程师并没有刻意地创造将产生这种类型的运动环境，但当它发生，微动损伤可以导致其他问题。 沿着磨损表面形成的微动磨损可以由红色粉末状氧化物鉴定。在泵中，红色的碎片经常被冲走，但明显损坏的表面会在侵蚀的表面上发展。这种损坏经常被描述为具有斑驳的外观，通常是被描绘成一个平面，被腐蚀的表面对损伤是没有方向性指导的。虽然氧化物可以从表面清洗，一些染色的相邻组件可以在拆卸泵后被观察到。这导致了微动磨损是一个腐蚀机理的误解，但它实际上是一种特殊的磨损现象。 图8显示了一个泵轴的微动损坏，以及在叶轮安装区域，一个松散的配合使叶轮在操作运行中产生振动。由于微动所需的运动可以是一个小幅度的运动，在泵的大振动可能不存在。这使得在任何运行过程中的微动检测是不可能的。在这个例子中，叶轮沿着孔可能会有类似的损坏。 用一些相对简单的措施就可以避免微动损坏。通过更小的间隙，或收缩装配，从而增加夹紧力以达到消除或阻止两个组件之间的运动的可能性。如果微动损坏在某个特定的设计中不可避免的话，可以使用缓解方法。这些措施包括各种涂层或在接触区域提供适当的润滑剂。可以使用的涂层包括火焰喷涂高镍合金、镀银，或可能在一个或两个接触的面中加入一个薄而密集的镀铬层。磨料磨损 磨料磨损通常被分为两个主要的类型：二体磨损与三体磨损。这个名字即显示了磨损的机理。对于大多数情况而言，三体磨料磨损是离心泵损坏的主要机理。这可以发生于当在坚硬的固体颗粒在流体进入口环配合面或叶轮键槽之间的区域的时候。在高浓度固体的液体中，产生了另一种三体的磨损形式。在流体流中携带的固体会撞击到内部泵表面。这通常称为侵蚀。这种类型的损伤在叶轮和壳体的分水处观察到。由于这种磨损机制造成的材料的损伤程度,取决于材料的体积硬度，碳含量，和固体的特性。重要的颗粒特性包括大小，形状，硬度和质量。图8 经历小幅度的运动的叶轮下方一处的微动损伤。该斑驳的外观是典型的微动所造成的损害（2.2）壳体口环 叶轮口环A 壳体口环叶轮口环B壳体口环叶轮口环C图9 固体颗粒尺寸和表面间隙之间的三种可能情况。情况A有利于最严重三体磨料磨损。 要尽量减少三体磨料磨损，必须考虑几个变量。口环间隙可以影响损伤。在流体中的颗粒大小和它们可以进入的间隙的大小之间的关系是很重要的。图9已图示表明，展示了三种类型的粒子和间隙之间的关系。逻辑上情况A是最具破坏性的三体磨料情形。由于这些粒子被截留在两者之间，会造成很高的损伤率。在情形B中，与口环间隙相比较大的颗粒将不会进入和产生破坏。这种情况使粒子随液流通过叶轮流出泵。在情形C下，非常精细或相对较小的颗粒不会在口环之间被截留和研磨，不会导致组件的间接损坏。 在大多数情况下，在一个流体工况中的粒子将有一系列的大小，所以上述所有情形都将存在。通常情况下，颗粒大小和分布的分析可以表征导致情形A存在的颗粒的量。通过提取流体样品中的固体并进行筛选分析实现这是相对简单的。在流体中存在的固体百分比是非常重要的，因为固体所占百分比用于确定适当的材料和设计时所需注意的事项。这将在以后给合适的材料选择作指导。 磨粒硬度也非常重要。如果颗粒质软易碎，如滑石粉，由于三体磨料磨损,金属泵部件将会发生微小损伤。如果粒子是非常坚硬的，预计损失的量将是更大的。这些颗粒包括焊皮或二氧化硅，也就是沙子。颗粒的几何形状也会影响导致三体磨料磨损的程度。通常，二氧化硅的颗粒在一个圆形的环境中能被发现。用于处理河流的水或海水的泵经常遇到这些结构。硬的圆形的颗粒比同等硬度的锋利的有棱角的颗粒破坏力小。飞尘，非常坚硬、锐利、棱角分明的颗粒，是泵工业中遇到的最具研磨性的工况之一。 材料的抗磨料磨损的性能可以通过一个标准的ASTM标准测试程序来标定。每个测试程序都试图模拟最合理地表示出磨损等级。在一般情况下，能够抵抗两体磨料磨损的材料也耐三体磨料磨损。 测试结果表明，负责增加抗磨料磨损的主要属性是金属合金的硬度。Zum Gahr提供了测试结果以说明这一事实。合金族群显微结构的不同,合金化处理,以及表面状态的差异也能影响材料的抗磨损性能。这些结论包括以下几条:耐磨性随着材料宏观硬度的增加而增加。在相同的宏观硬度下，含碳量较高的钢具有较高的耐磨性。冷加工，从而提高材料的表面硬度，并不能显著提高合金的耐磨性。沉淀硬化增加合金体材料的硬度和耐磨性能。灰铸铁的耐磨性在高硬度下呈降低状态。柔软，奥氏体白口铸铁具有超过马氏体的优良的耐磨性。硬质合金对钢和铬合金白口铸铁的耐磨性很重要。碳化物体积分数为30%最大限度地提高软基体材料的耐磨性。 三体磨料磨损的一个例子如图10所示。它显示了激光淬火轴套在矿山工作将近一年后的情形,在那里磨料磨损引起其他材料组合明显的磨损。磨料磨损是由这个金矿应用中矿渣造成的。为了增加在这种状况下的寿命,使用硬化耐磨环是一个好的开始。这就是泵生产商在预料到有明显磨损的地方使用有涂层口环的原因。然而,这取决于工况的严苛程度, 选择含有碳化物的口环材料的可能是必须的。 轻度研磨工况下，应考虑下列材料：镍铜铬耐蚀铸铁-它的耐蚀性是由晶格中铬的碳化物造成的,它也有较好的抗粘着磨损性能。有针对性的选择硬化AISI 420表面(激光表面硬化混凝土5055) ,表面硬化不易受氢脆或SCC的影响。渗碳淬火12%的铬不锈钢。 对于更具磨损性的工况,以下通常需要考虑:淬火AISI 440C（50-55 RC）钨铬钴合金或铬化硼系化合物涂层（硬面）奥氏体不锈钢实心钨铬钴合金碳化钨碳化硅部分稳定氧化锆（PSZ） 最近研究进展涉及使用陶瓷、金属基复合材料、激光表面合金化、激光表面修正于通常不能在研磨工况下生存的基地,这就是当前材料发展的例子。图10 激光硬化轴套在磨损工况下的三体磨损。注意硬表面的细小同心刻痕。螺旋形图案是激光工艺产生的激光束重叠区。腐蚀 大多数由泵处理的液体被认为是干净的液体，这意味着其中没有大量固体颗粒物的存在。这些液体的自身天然的腐蚀性决定了所需的泵材料。这些工况的指导方针体现在“泵中腐蚀”，亦即在第九届国际泵用户研讨会上发表的指南。 然而，许多流体处理应用要求泵抽送的介质比干净的液体差很多。固体颗粒可以用昂贵的过滤系统除去,而且需要一直完美的运行。制造的管道系统可能从焊渣和管道燃烧中引入悬浮的固体颗粒。在水源，如河水或海水中可自然产生悬浮物，正如前面提到的磨料磨损部分。 在采购过程中材料和泵的选择阶段应考虑以下因素：粒子的硬度颗粒量粒度分布自然（几何）该泵的转速流体冲击角度 以上前四项涉及悬浮的固体。这些变量因应用场合的不同而不同。为了使材料能满足泵寿命的要求，颗粒的硬度是需要着重考虑的。硬度可以从相对柔软的物质，如纸浆和造纸应用中的纤维素纤维，到非常坚硬的磨料颗粒,如采矿泵中的硅或岩石。Mille数量指标，如ASTM G75所描述的，是用来表征硬颗粒的耐磨性。 米勒数用于测定的相对耐磨性以及固体颗粒组成的浆料的消磨。在一个封闭的循环试验中, 由于颗粒的压裂和舍入（或脆碎度）当他们在泵或套管壁上互相磨损和/或妨碍, 颗粒的磨损性随时间变得越来越低。 因此，米勒数在报告中有两个参数。第一个数字表征颗粒的磨损性，第二个则是在研磨液试验期间颗粒的研磨损耗（磨损）。在实际用途中,米勒数的研磨部分是有用的,因为这更准确的展示了研磨液的破坏力。磨损的数量除了表征测试循环对浆液的影响并无其他用处。米勒数小于50的浆液在循环泵中并不认为有磨蚀作用。米勒数低于50的泥浆例子有石灰石、硫磺浆料的例子，和洗涤剂。研究表明，含有微小颗粒的泥浆比含大颗粒的泥浆具有更低的磨蚀作用。实验数据表明,金刚砂在200目时的磨损能力是同材料情况下在400目时的4倍。 泥浆泵中粒子的速度在损伤程度上起着重要的作用。在这种情况下，势能转化为动能，材料损失发生由于粒子的能量转移到组件上。对单个粒子尺度材料的伤害量取决于具体的粒子速度V，和质量m（动能，定义为MV2）。对硬质材料的范尼方程证明了这一点： 磨损率=(#冲撞颗粒数)*（平均颗粒质量）*（冲击速度）的平方*（冲击角度） 当然,吸收从粒子上传来的动能的泵的部分也发挥了作用。 在吸收颗粒的动能中材料的硬度和/或泵组件的弹性也会决定材料损失的量。 陈和胡这两人对材料进行了实验室测试，同时改变之前描述的粒子变量。他们的测试结果显示如下：增加颗粒硬度也增加物质损失高达1700公斤/平方毫米的显微硬度（大于75 RC）。超过这种硬度，磨损发生减少。这是最有可能是吸收动能的硬、脆的颗粒压裂的结果。 尖锐的、角粒子会有高于圆形颗粒的侵蚀速率。随着磨损颗粒浓度的增加腐蚀增大。液流（有颗粒）流速的增加会加大腐蚀速率最小的腐蚀发生在冲击角为0度时（与目标表面相切），在65度角时磨损量增加到最大。 文献回顾显示，几位作者绘制了固体颗粒撞击角与侵蚀量的关系。这些图绘显示，对于韧性材料，腐蚀性随冲击角的增加而增加，在25度角时材料损失达到最大。然后，腐蚀损伤将减小到先前提到的65度冲击角。脆性材料，如玻璃，是完全不同的。随着冲击角度从0度角增大到90度，材料损耗的体积不断增大。 由于固体颗粒撞击造成的冲蚀损伤的特征通常是容易识别的。然而，有侵蚀性的流体，固体颗粒撞击的影响可能不容易确定。这些作用可能看上去非常类似于腐蚀侵蚀，这是在之前所述的固体不存在的情况下，一个流体速度控制的损害机制。如果这种损害被误诊，一个不恰当的材料替代可能无法解决真正的问题。相反，更可能的情况是，观察冲蚀腐蚀损伤可能误认为是固体颗粒腐蚀。对泵的充分理解包括流体的流速、流体腐蚀性，流体的成分，和固体颗粒的性质，以上对于采取相应行动来提高已损坏的泵的寿命是必须的。 在泵中的固体颗粒侵蚀的一个例子展示在图11和12中。壳体严重腐蚀破坏是由流体中固体颗粒表面直接撞击或冲刷的偏斜的表面沟槽而引发的。该泵处理矿浆，对于碳钢壳体和CD4MCu叶轮来说氧化铝的百分含量和速率(Al2O3)太高。 图13显示了在煤粉工况下的一个CF3M叶轮。这表明，叶轮的最大损害是在外周，外周对应于浆料的最高速度。损坏的最小量在叶轮入口附近。图13也显示了叶轮入口孔的低速区域的损坏最小。这也证实了实验数据，显示出随着泥浆速率的增加，腐蚀也增加了。注意在接近入口孔外侧处损伤增加，在低流速的叶轮轮毂处几乎是不存在的。图11 在17%的铝土和沙子的工况下，碳钢壳体的严重腐蚀。注意由于浆液的局部动荡产生的刨削。图12 不锈钢CD4MCU叶轮在铝土矿服务中，一个双出口叶片尖端的侵蚀。图 13 一个显示严重侵蚀的磨料粉煤灰中的奥氏体不锈钢叶轮。在接近叶轮外圆处，腐蚀随流速的增加而增大。图 14 在煤矿泥浆工况中，美国钢铁协会类型，440C不锈钢球阀的腐蚀损伤。 在循环泵中也会遇到冲蚀损坏。图14展示了在煤矿泥浆工况中，美国钢铁协会类型，440C不锈钢球阀,在变得卡住不动而不能转动之后的大面积损伤腐蚀。这在一个集中的区域上造成泥浆的冲击。 粒子速度和冲击角度是可以用来减轻泵侵蚀的设计因素。在上世纪70年代能源部在煤炭液化项目中面临的挑战促成了处理煤矿和石油泥浆高速泵的研发。这仅仅是尝试，因为泥浆泵通常是很大、缓慢的机器，增加在那个时代实验工厂的资本和运行成本。大部分的泥浆泵行业都使用体积庞大的低转速单级泵，以解决固体颗粒侵蚀问题。这些泵很多都是利用橡胶衬来吸收粒子的冲击能量。 冲蚀损坏，一旦被确定，只有几种有限的解决方案来延长泵的材料寿命。这可以通过选择硬的、耐磨可更换衬垫，弹性衬垫，或者如果衬垫不能使用，采用硬质材料来实现。这样的金属材料包括铸铁（如镍硬），高铬（13 %-28%）的合金钢，钴基超合金（如镍基合金、钨铬钴合金）和镍基合金。疲劳 离心泵和循环泵都受到循环载荷的作用，如果在设计过程中不考虑循环载荷，由于材料疲劳，将引起寿命的限制。与腐蚀环境结合，由通常被称为环境辅助疲劳引起的材料疲劳将会被加速。 构件疲劳的一个重要参数是交变或循环载荷的存在。一般而言，泵是一种机器，既有流体也有机械引起的循环荷载作用于他的组件。虽然离心泵的大部分都是稳态旋转的设备,但是也会遇到脉动或波动造成的应力。这些循环应力的来源可以是叶轮出口和叶片扩压器叶片之间流体的相互作用，或者在蜗壳泵中，叶轮叶片与壳体分水处之间流体的相互作用。机械引起的力是由于弯矩作用于泵轴或可能是转子组件中的一个组成部分的不平衡。循环泵在机械的作用下，会经历内部和外部元件的循环加载。事实上，由于泵在运行过程中的脉动作用,可以被认为是大的疲劳试验机。 当循环力在被施加到泵中材料一段时间后，裂纹可能在组件的表面开始产生。产生裂纹后，裂纹将随持续循环加载而不断发展，直至该组件破裂。即使加载产生的应力远远小于材料的抗拉强度，也可能发生破裂。多年来,工程师们已经意识到这一潜在的组件断裂模式，并且制定了设计标准来考虑这种异常。基于循环应力历史和缺陷尺寸的循环加载和材料特性研究超出了本文的研究范围。但是，应该注意的是，断裂力学领域提供了一个可以预测设计组件的寿命的工程设计工具。 疲劳是由三阶段组成的:（1）裂纹的萌生，有时伴随先天缺陷的存在（2）裂缝传播（3）最终断裂，与裂纹不稳定有关，如沃勒所提出。所施加的应力水平，样品的几何形状，缺陷尺寸，和机械性能，决定了上述三个阶段的存在和程度。 在1852年,奥古斯特沃勒第一个研究了疲劳。沃勒的研究工作包括交替施加的应力，S，和周期数，n，施加于试样直至断裂发生。这项工作是现在设计工程师使用的S/N曲线的基础。实验室生成的S/N曲线如图15所示。这条曲线是由光滑的，旋转的梁样品测试出的。这些样品经过了小心的加工以避免在他们表面上产生冶金缺口，而缺口会降低外加应力而在测试时产生故障。 当引入腐蚀介质时，产生了许多裂纹萌生部位。较低的曲线显示了耐力强度的下降。由于腐蚀随着时间的推移会越来越多地损坏材料，耐久性极限随着曝光时间会相应减少。腐蚀环境中的材料不存在真正的疲劳极限。因此，腐蚀疲劳寿命通常以警示性声明来公布。如果有足够的时间，腐蚀可以完全穿透疲劳试验的试样，导致产生零负载和零周期的数据点。由于这个原因，腐蚀影响疲劳试验结果通常特别指出腐蚀介质，测试温度，样品预暴露的腐蚀性介质的细节，和相对于所施加的循环载荷的测试频率。 图 15 一种实验室生成的光滑杆旋转梁试样的S/N试验曲线合金UTSCFSTi-6Al-4V15488镍基合金71818960镍基合金62514950哈氏合金10832蒙乃尔合金K-50017626镍铝青铜（铸造）11515304不锈钢7915316不锈钢8514304L不锈钢7514316L不锈钢791317-4PH 铸件1070-30 铜-镍（铸件）839镍锰青铜829锰青铜738D-2抗蚀高镍铸铁7。5低碳钢2表2 合金在海水中的腐蚀疲劳强度*试验参数：环境温度，1750转每分钟，2 - 3英尺/秒（0。6 - 0。9米/秒）。腐蚀疲劳强度（CFS）在100000000转时给出。所有的值都在KSI中；1 ksi = 6。894759 MPa。UTS是空气中材料的极限抗拉强度）。 公布的数据各不相同，因为实验室施加应力使用的低频率增加了对测试样本腐蚀的影响。这是在和使用高频率下进行这些测试的实验室相比，减少了腐蚀介质的影响。表2显示了各种合金的极限抗拉强度和腐蚀疲劳强度的公布值。 沃勒的调查表明，机械缺口可以降低材料的疲劳。这个在图16中一个平滑的条形试样产生的S/N曲线的移位展现出来。缺口的严重性决定了从光滑的曲线上偏移的量。如图所示，一定数量的周期后，表面降解机制降低了产生试样故障的应力需要。这反过来又反
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