离心泵叶轮磨蚀损伤预测与寿命评估方法

夏博华

（大连西太平洋石油化工有限公司，辽宁 大连 116610）

摘  要：离心泵叶轮在输送含颗粒介质时面临严重磨蚀问题，直接影响设备运行效率和使用寿命。基于流体一颗粒-固体三相耦合理论，建立了叶轮磨蚀损伤预测模型，结合表面形貌演化规律和材料失效机理，提出了叶轮寿命评估方法。通过不同工况条件下的磨蚀实验，获得了颗粒浓度、粒径、冲击角度等关键参数对磨蚀率的定量影响规律。实验结果表明颗粒浓度在0.5%-2.0%范围内磨蚀率呈指数增长，流速从15m/s提升至24m/s时磨蚀率增加40%~60%，粒径200~500μm的颗粒造成最严重损伤。建立的预测模型平均精度达到89.2%，为离心泵叶轮设计优化和维护策略制定提供了理论依据。

关键词：离心泵叶轮；磨蚀损伤；寿命预测；颗粒磨蚀；数值仿真；实验验证

0 引言

离心泵作为流体输送的核心设备，在石油化工、矿物处理、污水处理等工业领域发挥着重要作用。叶轮作为离心泵的关键部件，在输送含固体颗粒介质时，会遭受严重的磨蚀损伤，导致泵效降低、振动加剧、使用寿命缩短等问题，磨蚀损伤机理复杂，涉及颗粒与叶片表面的冲击、切削和疲劳破坏等多种形式。传统的寿命评估方法主要基于经验公式和统计分析，缺乏对磨蚀过程物理机制的深人理解。随着计算流体力学和材料科学的发展，建立准确的磨蚀损伤预测模型成为可能，这对提高离心泵设计水平、优化运行参数、降低维护成本具有重要意义。

1  磨蚀损伤机理分析

离心泵叶轮在输送含颗粒介质过程中，磨蚀损伤机理表现为多种物理过程的复合作用。颗粒冲击磨蚀构成主要损伤形式，当固体颗粒随流体高速撞击叶片表面时，产生局部应力集中和塑性变形，导致材料微观裂纹萌生和扩展。冲击角度决定磨蚀模式，低角度冲击以切削磨蚀为主，颗粒沿表面滑移造成犁沟状损伤；高角度冲击则引发冲蚀磨蚀，形成坑状凹陷。疲劳磨蚀在循环载荷作用下逐渐积累，重复的颗粒撞击使材料发生疲劳破坏，表面硬度逐步降低。腐

蚀与磨蚀的协同效应进一步加剧损伤程度，化学腐蚀削弱材料表面保护层，增强机械磨蚀的破坏作用。磨蚀过程中材料去除机制包括微切削、微疲劳断裂和表面剥落等形式。颗粒特性、流体动力学参数和材料性能共同影响磨蚀损伤的发展速率和分布模式，形成复杂的多物理场耦合损伤机理”。

2 损伤预测模型与寿命评估方法建立

2.1 损伤预测模型

2.1.1 基于Finnie理论的磨蚀预测模型

Fimnie磨蚀理论作为预测颗粒磨蚀损伤的经典模型，通过分析颗粒与材料表面相互作用的力学过程，建立了磨蚀率与冲击参数的定量关系。该理论基于单颗粒切削机制，将磨蚀过程简化为颗粒在材料表面的切削和变形过程，针对离心泵叶轮复杂的三维曲面结构和多颗粒冲击环境，对传统Finnie模型进行修正和完善，引人冲击角度修正系数和材料硬度影响因子。

修正后的磨蚀预测模型见式（1）。

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