常用耐磨材料在工程船舶的应用与探讨

赵理志 王家友 于仁臣

(中交烟台环保疏浚有限公司,山东烟台 264000)

常用耐磨材料在工程船舶的应用与探讨

赵理志 王家友 于仁臣

(中交烟台环保疏浚有限公司,山东烟台 264000)

耐磨材料种类繁多,且不同耐磨材料的材质、力学性能、抗磨原理等不一致,适应于不同的范围和工况。本文针对工程船舶的自身特点,探讨引进适合于工程船舶的耐磨材料,并总结归纳了常见耐磨材料在工程船舶中试用的结果,旨在降低工程船舶磨损部件的磨耗,延长使用寿命并提高性价比。

工程船舶 哈道斯耐磨板 耐磨焊条 橡胶衬板 复合衬板

图1-图3是天虎船换板前后的照片。

从单金属耐磨板的本质上看,因为是调质钢,此种材料在切割、加工焊接时应注意以下问题：(a)因是调质钢,切割时避免和减少热影响,(理想的切割方式是用高压水切割、水下切割),其次是等离子切割,氧气—乙炔火焰可完成切割,但对材料有一定热影响,使热影响区的耐磨性下降;(b)由于耐磨板强度较高,弯曲变形时抗力及回弹性较强;(c)耐磨板是易焊接的,在板的厚度超过一定厚度时,同样需遵循焊前低温预热(200～250℃)、焊间保温、焊后缓冷这一规律。可用结构钢(中、低)碳焊条,如J506、J507、也可选用奥氏体焊条,如：A102、A302焊接。焊接方式可多样选择(如手工、气体保护焊等),同时要注意：用结构钢焊条将耐磨板焊接牢固后,条件许可时还应在焊缝表面敷盖耐磨焊层,以防止焊缝不耐磨而造成耐磨板焊缝开裂。但用奥氏体焊条焊接耐磨板后,焊缝不易敷盖耐磨焊层。

复层耐磨板的应用也是近几年发展起来的,就复层耐磨板的耐磨复层的材料而言,是用耐磨焊条堆焊而成,焊条芯的为普通结构钢焊条芯,其核心技术是焊条的药皮。堆焊后耐磨复层的微观组织是高硬度的硬质颗粒嵌布在相对较软的基础合金中,宏观表现为高硬度和耐磨性。而且二次焊接的热影响不会降低耐磨复层的硬度。我公司通过耐磨实验对比(采用三盾复层耐磨板制作的耐磨衬管与瑞典的HARDOX450板制作的耐磨衬管进行对比,同样土质,磨损率仅为HARDOX板的1/3),三盾复层耐磨板具有更高的性价比,借鉴此对比效果,我公司也正计划将复层耐磨板制作800WN泥泵的衬板,(原800WN泥泵衬板是由高铬铸铁制作,当磨损量达到10～15mm时即报废,这对铸造价格每千克40多元的高铬铸铁来说是一种浪费),用复层耐磨板制作衬板的具体作法是：将复层耐磨板(6+8)粘敷在用ZG35制作的基础板上。初步分析,即使三盾复层耐磨板与原高铬铸铁有相同的磨损率,则由复层耐磨板制作的衬板价格也比高铬铸铁制作的衬板价格低廉,ZG35制作的基础板也可重复使用。两者间的对比效果日后将有结果。

1 橡胶在泥泵上和应用

橡胶作为耐磨材料已使用多年,但真正用于疏浚领域是在上世纪七十年代未,由于它具有较高的抗磨粒磨损、抗冲击、抗穴蚀、耐腐蚀的特点,主要用于制作泥泵的衬板、输泥管和输泥弯头的内部耐磨衬料、小型矿业用泵和疏浚用泵的泵壳内腔耐磨(耐蚀)衬料。有文选资料记载：美国俄勒冈州波特兰港疏浚部门曾作过一项对比试验,用镍硬质合金(硬度为≥500HB)制作的泥泵前衬板与采用胶制作的泥泵前衬板的耐磨效果进行对比,同样工况下,镍硬质合金前衬板的寿命为138(万方)/件,胶制作的泥泵前衬板的寿命为334(万方)/件。使用橡胶制作泥泵的衬板还有以下优点：重量轻、不易碎,易运输和安装、易对磨损的间隙进行调整(对有此形式的泥泵,衬板可随着其磨损量增加时,可适当向叶轮方向调整以改变前衬板与泥泵叶轮之间的间隙使之减小,以提高泵效。采用橡胶衬板,既使此调整过程中衬板与叶轮少许的擦碰也无大碍。而不象用高铬铸铁材料制作的衬板那样,在运行中产生不规则的磨损而无法调整,或可调整但又必须避免与叶轮擦碰,调整难度较大。如果衬板与叶轮擦碰,叶轮转动时的轴向振动可能击碎擦碰部位)。疏浚用橡胶衬板目前国家没有统一的制作的材料标准,但对球磨机橡胶衬板国家有相应的标准GB/T18241．2-2000可以借鉴,该标准的技术性能该指标有：硬度(邵尔A/度65±5)、拉伸强度Mpa≥18、扯断伸长率%≥400、扯断、久变形%≤15、阿克隆磨系数≤0．18cm3/1．61km、回弹性%≥39。因各厂家在橡胶件制作时材料配比不同,因此,对制作泥泵衬板所用橡胶材料应更加注重拉伸强度、扯断伸长率、阿克隆磨系数三项指标。

我公司先后已经在津航浚212、219、105、216使用过橡胶衬板

(注：这此船用泥泵在衬板与叶轮间均有封水),目前已对3500绞吸船的800WN泥泵的高铬铸铁衬板进行橡胶衬板改造,因800WN泥泵的结构特点(注：此泥泵叶轮与前衬板间没有封水),橡胶衬板应用到该型泥泵上还是首创,新型的橡胶衬板第一次使用在天羚船(1#舱内泵),只工作了不足10天即磨穿(见图4)。

从第一次使用的图片中可以看出,橡胶外衬板(肩甲环)表面均有刀割样划痕且外缘磨损较严重,这种现从泥泵结构来看,外衬板表面划痕归结于较大有尖角颗粒塞在叶轮与前衬板之间形成较大划伤。而局部面积较小的深坑可能是橡胶材料本身性能不良或更小的带尖角的颗粒在局部涡流较严重时的冲蚀磨损(即切割、冲刷、磨粒、接触共同作用而导致的磨损)。肩甲环外缘磨损应归结于废弃养殖物缠绕或更大颗粒卡滞在此处造成的磨损(这种现象依据是在对泥泵检查时,停泵后盘车较困难,每次检查都有废弃养殖杂物,因橡胶衬板较软,无法对废弃杂物进行粉碎,只能将其慢慢磨耗掉),而橡胶前护板(前内衬板)磨损更为严重(已磨穿),归结为因没有前封水,在泵壳内高压的作用下,含泥砂、石块的疏浚物在前护板处倒灌到泥泵叶轮吸口,较大颗粒无法通过前护板与叶轮吸口之间的狭缝,便沉积在这里,导致更严重的磨损(这一点,结合泥泵结构图及前护板与叶轮相对运动的线速度最小而磨损最严重中不难推断)。

经过第一次试用效果后,再次与橡胶衬板制作厂家共同分析,重新调了橡胶衬板的胶料配方后,其橡胶材料阿克降磨耗实验值为0．12cm3/1．61km。第二次试用在天虎船(水下泵肩甲环),使用日期从2011年8月10日至2012年8月1日。期间挖泥运转约4600小时,工程量约在550万方,(龙口工地挖泥运转2000小时,土方量300万方,莱州工地挖泥运转2600小时,土方量250万方);新橡胶衬板的原始厚度为115mm,磨损后为90mm,前端面挂胶层磨损量在25mm,衬板外沿局部磨损量较大。从使用结果可看出,其寿命已超过高铬铸铁。使用后的衬板照片见图5和图6。

橡胶衬板在800WN泥泵上应用目前不足主要是养殖废弃物缠绕问题而造成过大的外缘磨损,我们将对叶轮进行局部改造来消除此现象。

2 耐磨敷焊技术

耐磨敷焊技术已使用多年,也就是在基础材料上堆焊(敷焊)合金耐磨层,一般耐磨层厚度在4~8mm。就敷焊材料而言,近几年敷焊耐磨层的焊条又有新的产品,各焊条厂家的焊条牌号各有不同。而且根据使用场所的温度、磨损性质、磨损应力、施焊方法等分类更细化。焊敷耐磨层的硬度在HRC30~66之间。用户在选择耐磨焊条时,应针对使用场合的温度、磨损性质等因素而正确选用,对工作条件苛刻耐磨焊层,有时还需在母材与耐磨焊层之间焊接过渡层以增强耐磨焊层的附着效果。耐磨层覆盖方式有网状覆盖和全部覆盖两种方式。高硬度的堆焊(敷焊)焊条在施焊后,可能出现耐磨焊层龟裂,并不影响正常使用。

我公司已采用威海三盾FW-2103耐磨焊条对3500绞吸船的绞刀进行耐磨防护处理,焊复后材料的条特点是：硬度较高、抗高应力碾压、抗冲蚀磨损。

从耐磨敷焊应用过程,我们也总结了以下几点经验：(a)全面积敷焊,可对绞刀有最好的耐磨防护,但大面积施焊的焊接热将导致焊后残余应力增加,严重时可诱发刀臂或大圈裂纹;(b)施焊时,焊条运动走向应是被焊部位的长轴方向(如刀臂的长度方向、大圈的圆周方向),这样可最大限度地减少施焊时产生的热应力;(c)网格状敷焊也可有效地对绞刀进行耐磨防护,因其施焊面积较小,焊接热影响较小,焊条运动走向不作严格限定。

3 结语

总之,磨损是疏浚企业共同面临的问题,相信在此领域将会有更多的新材料、新工艺、新经验诞生并供我们借鉴。