舰船流体机械空蚀原因分析及控制方法浅析论文_胡一鸣1,吴洁2

1 武汉第二船舶设计研究所 湖北武汉 430200;2 武汉理工大学 湖北武汉 430063

摘要:舰船流体机械经常处于流体高速相对运动状态,因此流体机械零部件屡屡会碰到空蚀损害问题,空蚀一旦发生,将急剧缩短零件的使用寿命,同时还会引起设备的振动和噪声,严重影响舰船的正常运行。本文就舰船流体机械的空蚀原因进行分析,对抗空蚀方法进行简要介绍,为后续研究人员的空蚀研究提供参考。

关键词:舰船,流体机械,空蚀

1 舰船流体机械空蚀原因分析

舰船流体机械中的液体流动过程中,一旦流经某区域的流体压力降低至该处流体在当前温度下的气化压力时,一部分液体就会发生气化,然后气体将在溶液中形成,就会形成气泡,这个过程称为空化。气泡会随着液体流动、长大,当流到高压部位时,局部压力增加,超过气泡破裂临界点时,气泡就会相继破裂,冲击零件表面材料,该处零件表面不断面临着气泡破裂产生的高达几千标准大气压的冲击,导致材料表面氧化膜破坏,进而破坏材料表面的组织结构,不断将粒子从材料表面玻璃出去,接着零件表面将会发生损坏,这整个破坏过程就是空蚀。

舰船流体机械包括离心泵、螺旋桨、滤器、管路等部件,虽然空蚀的机理类似,但是每个部件出现空蚀的具体原因和部位有所不同。空蚀现象最早发现于螺旋桨上,由于螺旋桨桨叶尖端旋转速度非常快,极容易在该处产生连串的高温空泡,空泡破裂会产生释放出巨大的能量波,轰击螺旋桨桨叶,逐渐在桨叶外边缘形成蜂窝状的空洞,继而连接成片,逐渐向桨叶中心延伸,可能在较短的海洋航行中,使螺旋桨桨叶外边缘材料出现剥落,甚至发生破损,发出强烈的水下噪声且加剧船体振动。根据螺旋桨材质与形状的差异,空蚀程度也有所不同。一般铜质螺旋桨空蚀面积小,但空蚀洞穴深,而不锈钢材质的螺旋桨则相反。滤器除了自身流场设计不合理导致空蚀发生外,更多的是由于堵塞或滤孔较小,导致后面管道和设备发生空蚀。管道的空蚀多发生在设备出口、管径由大急剧变小的接管附近、管道流速较快且出现急弯的管段附近等部位。

舰船流体机械中最常发生空蚀的部位就是离心泵,下面以离心泵的空蚀为例详细分析空蚀产生的原因、部位以及影响。

离心泵在运转时,流体的压力从泵入口到叶轮入口处压力降低,在叶片如图1所示部位压力降至最低,同时,叶轮高速旋转对液体做功,可能会形成局部湍流产生压力不均匀地带,当压力降低至液体输送温度下的饱和蒸汽压力时,液体就会汽化,同时还可能有溶解于液体内的气体逸出,形成空泡,当空泡随液体流至叶道内压力较高处时,外界压力高于空泡内的压力,空泡将会瞬间溃灭形成空穴,以极高的速度冲击叶轮和壳体表面,若空泡内还夹杂某些活性气体(如氧气等),还能发出能量,产生较高的温度,形成热电偶并产生电解,加速金属表面的空蚀腐蚀。因此,离心泵最易产生空泡的部位是吸入管与叶轮进口处叶片的背面,而最先受到空蚀损害的部位是叶轮或叶片出口处,形成蜂窝状、连成片的孔洞,严重时会造成叶轮内外穿孔,甚至导致叶轮破裂、缺失等失效现象,如图2所示。

图1离心泵压力最低部位 图2 离心泵叶轮空蚀现象

2 流体机械空蚀控制方法

2.1 控制空蚀的产生

从空蚀产生的过程可知,要避免流体机械运行中空蚀的产生,必须针对该部件产生空蚀的具体原因对症下药,以离心泵为例,必须使叶轮入口处的最低压力高于输送条件下的液体汽化压力,即汽蚀余量。对于使用者而言,可以控制以下几点外部因素防止离心泵发生空蚀:1)降低输送液体的温度;2)改善流道,如增大吸入管的直径,减小接头数量,工作过程中不调节吸入阀门等;3)降低泵的安装高度,即泵的安装高度不能超过泵的最大允许吸入安装高度。对于螺旋桨及其他流体机械而言,同样可以通过优化工艺设计和合理选项控制空蚀的产生。

2.2 减小空蚀对材料的破坏

2.2.1 流体机械材料的选择

为了减少空蚀损伤,材料的选择也是非常重要的。目前常用于舰船管路、设备制造的材料有较多碳钢和低合金钢,这两种材料的加工、焊接、机械性能优良,价格较低,但是它们的抗空蚀性能较差;虽然高强度不锈钢材料价格比较高,但是与空蚀造成的直接维修费用和间接经济损失相比就微不足道了,所以它仍然是流体机械零件的最佳选择。同时,随着材料科学的发展,一些新的抗空蚀材料也被开发出来,比如铝铁青铜、2Gr13、稀土合金铸铁、高镍铬合金,但是抗空蚀材料由于价格较高,因此仅在一些关键零件上应用。考虑空蚀破坏只是在材料表面发生,所以可以采用价格较低廉的碳素钢或低合金钢作为母材,然后对表面进行处理,不仅经济有效而且可以对于空蚀破坏区域得到很好的保护。

2.2.2 材料的表面防护

(1)涂覆高分子材料粘结层

目前常用的高分子材料有:聚氨脂,复合尼龙,环氧树脂,橡胶及陶瓷等[1]。涂覆高分子材料的优点主要为:涂覆时工作温度低,克服了堆焊和喷涂过程中可能引起的热应力和变形,同时也避免了双金属腐蚀的影响;另一方面施工工艺简单,技术要求低。聚合物材料本身具有良好的韧性和良好的抗空蚀性能。但是由于高分子材料粘结层普遍存在与基体结合强度低,容易脱落和磨损,从而影响使用效果,此外,这类涂层易受机械损伤,所以拆卸机械部件的吊装过程中,必须采取措施防止机械损伤的涂层,对运输和现场安装要求较高。

用于水电厂中的高分子材料涂覆在零件表面,运行较短时候就可能出现脱落等失效性能,但非金属涂层比金属涂层更耐腐蚀,可有效降低空蚀过程中电化学腐蚀的协同作用,这是金属涂层材料无法比拟的[2]。

(2)热喷涂

目前常用的热喷涂方法主要有:火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂、冷喷涂、高速火焰喷涂[3]。

采用火焰粉末喷熔不管是喷涂过程还是形成了涂层之后,都是重结晶的冶金过程。这种方法的优点是投资少,工艺简单,操作方便,但相对于其他热喷涂而言离子飞行速度慢,温度较低,形成孔隙较多,通常在某些使用工况要求不高的情况下使用。电弧喷涂涂层性能优异,喷涂效率高,能量利用率高。等离子喷涂技术的显著特点是等离子体射流温度高,粒子速度较快,与基体结合强度较高,但是等离子体火焰温度过高(10000℃),因此等离子喷涂适合制备对温度不敏感的Al2O3等陶瓷粉末,适合制备电绝缘防护涂层。爆炸喷涂由于其效率低、噪音大,涂层制备过程中容易产生微小的粉末颗粒,需要专门防尘,且不能喷涂复杂形状的工件和腔内不易喷涂等缺点,正逐渐被超音速火焰喷涂所取代。冷喷涂在低温环境下将粒子加速至高速后撞击基体表面,与基体结合,由于其喷涂温度低的特性,能保证基体对基体无热影响,且可以保留粉末自身的结构特性,特别适合制备纳米涂层,但是目前冷喷涂有几个技术难点有待解决:1)控制金属陶瓷复合涂层中的颗粒分布、含量和粒度;2)提高涂层粉末的沉积率;3)增强涂层与基体的结合强度;4)优化喷涂的工艺参数,控制喷涂的工艺对涂层性能的影响。

参考文献

[1].丁彰雄等.水轮机抗空蚀材料及表面防护技术的应用现状及趋势[J].水利电力机械,2006,28(4):31-35.

[2].刘成龙,刘英英等. 金属材料表面抗空蚀涂层的研究进展[J].材料导报,2011,25(1).

[3]丁彰雄,万文晨,赵辉,刘霁. 热喷涂WC-Co复合涂层的研究现状及展望[J].热喷涂技术,2012,02(1):5-15.

论文作者:胡一鸣1,吴洁2

论文发表刊物:《基层建设》2017年第27期

论文发表时间:2018/1/12

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舰船流体机械空蚀原因分析及控制方法浅析论文_胡一鸣1,吴洁2
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