海洋平台海水泵泵头材料选择与应用研究

曾伟

（中海石油（中国）有限公司崖城作业公司，广东 深圳 518067）

海水泵泵头一般由泵碗、叶轮、吸头、泵轴等主要部件组成。海水泵泵头的主要部件材料应选择M30C、蒙乃尔K500 和C93700。查阅ASTM 标准可以看出，M30C、蒙乃尔K500 两种材料的化学成份中，镍和铜的占比最能起到耐腐蚀作用，而C93700（ZCuPb10Sn10）的润滑性能、耐磨性能好，三种材料的耐腐蚀性能都非常好。在海水泵泵头的选材和制造过程时，除了考虑材料的持久耐用性外，还应根据海洋平台的使用期限尽可能减少投入成本，为了有效地提升材料在海水当中的耐腐蚀能力，需要在制造阶段添加一些材料，例如镍合金、铜合金、蒙乃尔材料等，将这些材料应用到海水泵泵头的制造当中，能够有效地提升其耐海水腐蚀的能力。在实际的应用阶段，海水泵所表现出的机械性能与其材料当中所含的微量元素与制造工艺与有一定的关系，同时在加工阶段不同材料的价格差异也很大。基于此，在海水泵的生产阶段要将以上因素都考量在内，从而使海水泵在各个方面的性能都得到全方位的提升。

1 海水泵防腐

海水泵泵头通常由泵碗、叶轮、吸头、泵轴、铜套等部分构成，随后通过调查发现，在使用的阶段损坏较为严重的部位为海水泵泵头、叶轮、泵轴、口环、铜套等。

通过对于数据的整理分析得出以下三个方面容易造成海水泵的腐蚀：（1）由于海水的原因造成泵的氧化腐蚀；（2）由于材料本身的耐腐蚀性较低而发生腐蚀现象，例如，冲刷腐蚀、应力腐蚀、裂缝腐蚀等；（3）金属之间的点位列相差较大，进而使产生电偶腐蚀的现象。

在实际应用当中，针对于以上发生腐蚀的情况，需要采取相应的手段防止腐蚀现象的发生。经过试验与实践得知，通过阴极保护、热处理以及提高制造工艺等方面的手段能够有效的防止其在使用阶段发生腐蚀的现象。

2 选材分析

对某海洋平台海水泵泵头主要部件有泵碗、叶轮、吸头、泵轴化学成分和机械性能检测的对比发现，不同材料的海水泵泵头部件，国内产品上述机械性能抗拉、屈服、延伸、硬度、冲击、断后伸长远高于ASTM 标准，与国外产品相近，为今后海水泵泵头国产化提供一定的技术参考和理论支持。海水泵泵头主要各部件的材料可以按表1 进行选择。

表1 海水泵主体部件选材表

环境对海水泵的使用寿命也造成了一定的影响，同时对于这个方面的问题，相关行业也一直致力于海水泵腐蚀的研究，力求开辟出一条提升海水泵的方法，同时针对于如何攻克海水泵的腐蚀问题也逐渐的投入了大量的人力物力。在这个阶段，优质选材便是提升海水泵综合性能与质量的关键性因素。

2.1 蒙乃尔材料

在海上平台上，选用蒙乃尔材料的部位为泵轴、口环等方面，同时其相应的合金材料为M400、K500、R405 三种，在这之中，常用的为K500 与M400。对于合金的机械性能来说，K500 具有比M400 更高的强度和硬度，无磁。该合金中加入了Al、Ti 等元素，经特殊热处理，在基体中形成弥散金属间化合物γ′相；组织结构为单相奥氏体组织和弥散的Ni3（Al、Ti）沉淀相；其屈服强度约是M400 的三倍、抗拉强度约是M400 两倍，具有优良的耐蚀性。

2.2 M30C 材料

该材料的化学成份中，影响产品机械性能的主要元素为S、P、O 含氧量，能保证其机械性能的主要元素是Ni、Cu、Fe、Nb、Si,所有主要元素、材料中都含有S、P、O，为了降低熔炼合金中的S、P、O，需要选择高品质原材料。目前平台所应用的M30C 材料的泵碗、吸头、叶轮，其机械性能远超于ASTM A 494 标准。

2.3 不锈钢材料

（1）316L 不锈钢。对于抗海水腐蚀能力方面的性能来说，316L(00Cr17Ni14Mo2)奥氏体不锈钢在这一方面的能力较差，同时也比较容易发生裂缝以及腐蚀现象。在实践当中，由于316L 材料容易发生腐蚀现象。在其产生裂缝的情况下，会加速其局部的腐蚀程度，并且这种现象在实际的应用当中难以掌控。基于此，便可以通过阴极保护或者是表面涂层的方式提升不锈钢材料的抵抗腐蚀能力。通过这样的方式，能够使316L 不锈钢材料的抗腐蚀性全面提升，但是这种方法也存在一定的弊端，即该材料在设计阶段的复杂性提升。在实际应用当中，较为容易破坏的便是材料的表面涂层，所以便需要对其进行定期的检修保养，否则便会导致其在使用阶段的抗腐蚀效果降低，同时每次的维修与保养都会伴随着相应资金投入的增加。

（2）双相不锈钢。对于双相不锈钢来说，主要便是固溶组织中铁素体相与奥氏体相这两个成分各占50%的一种不锈钢。并且在实际当中，两者的成分也会有稍微的差异性，然而这两种成分当中较少的一相也不会低于30%。从理论上来说，22Cr 双相不锈钢并不能偶有效的抵御海水的腐蚀，所以其并不适用于福建的水域。但是，其在抗腐蚀性方面相对于316L 来说要稍强。不过，在应用阶段，裂缝腐蚀与点蚀这两个现象是其中较为容易发生的现象。

（3）超级双相不锈钢。针对于超级双相不锈钢来说，其相对于316L 不锈钢与双相不锈钢来说，其含有更多的合金元素，在一般情况下，超级不锈钢当中铬含量为25%、镍含量为7%、氮含量为0.22%～0.30%，基于此，相对于以上两项不锈钢来说，其抗腐蚀方面的性能更强。

在实际的应用当中，超级双相不锈钢的牌号也有许多，例如S31803、S32205、S31500、S32304、UNSS32001、S32760、S32750 等，且在其中的合金含量相对于以上两种材料来说也较多，在超级双相不锈钢当中高镍、高铬、高氮这三个方面的平衡设计，也能够使超级双相不锈钢的耐腐蚀性等方面的性能得到全面提升，同时也能够使其抗点蚀量的系数大于40。

2.4 铅青铜-C93700（ZCuPb10Sn10）

铅青铜-C93700（ZCuPb10Sn10）通过其化学成分（表2）和机械性能（表3），C93700 的润滑性能、耐磨性能和耐腐蚀性能好，适合用作双金属铸造材料。由于其表面的压力较高，同时在其滑动轴承方面也含有侧压力，例如,轧辊、车辆轴承、摩擦片以及活塞销套等。

表2 C93700 化学成分

表3 C93700 机械性能

2.5 盐雾试验

取蒙乃尔K500 与M30C 试样。进行铜加速乙酸盐雾试验，考察两种材料的耐腐蚀性能。采用标准为GBT10125-2012 人造气氛试验—盐雾试验。所采用的溶液为50g/L 的NaCI 溶液。用冰乙酸调整喷雾溶液的pH 值范围在3.1 ～3.3，试验周期24h。根据24h 铜加速乙酸盐雾试验后试样的形貌和称重结果判断，试样发生了很轻微的腐蚀，质量发生变化很小。

2.6 主要材料性能综合分析

在上文中，针对于316L 不锈钢、双相不锈钢、超级双相不锈钢等三种不锈钢材料做出了分析，通过分析结果可知：这三种材料在应用阶段都具有一定的抗腐蚀能力。这三种材料在微量元素以及制造工艺方面的差异性，也使其在机械性能方面有所不同。在实际中这三种材料的价格也不尽相同。基于此，在对于材料选择的阶段，便需要对于三种材料的机械性能、抗腐蚀能力、材料价格等方面做出充分的考量，进而提升海水泵的综合性能。

（1）在海水泵制造的阶段，要对于海水泵制造阶段的材料选择做出充分的考虑、并且对于其抗腐蚀性能、机械性能以及相应的价格等方面的因素进行衡量，同时，材料选择的原则为在保证质量的前提下，尽可能地对于成本进行控制。基于此，2205 双相钢的性能比316L 不锈钢要强上一些，并且其在价格方面也比较合理，所以在材料选择阶段选取2205双相钢更为合理。

（2）在铜合金材料的选择阶段，同样需要对于耐腐蚀性、机械性能以及市场价格等三方面的性能进行考量。而铝青铜在应用阶段的机械性相对来说较好，并且其在生产阶段的成本控制相对来说也较为容易，所以在选择阶段需要选择铝青铜。

（3）针对于蒙乃尔材料的选择来说，在其用作泵轴的阶段，由于其成本较高的原因，所以在材料选择的时候，若是没有特殊的需求，便可以使用其他方面的材料将其替代，进而实现生产阶段的成本控制。

3 结语

在海水输送过程中，海水泵是其中一项较为重要的设备，同时这种设备也被广泛的应用到实际当中，所以在对于海水泵进行选择时，要对于综合的因素进行考量，例如，材料的抗腐蚀性、机械性能以及成本价格等，只有这样才能够使海水泵的质量得到全面的提升，进而使其在投入使用阶段发挥出更大的功效。