橡膠降低污水泵運行成本

　　德國Entsorgungsverband Saar（EVS）位于Saarbrucken-Brebach的污水處理廠(chǎng)內，含有大量沙子和泥土的水對泵造成了嚴重的磨蝕。這些由鉻合金-鑄鐵制成的泵僅僅在一年之后就要被替換掉。長(cháng)此以往，成本會(huì )非常昂貴。因此，該水廠(chǎng)對兩臺不同類(lèi)型的泵進(jìn)行了測試。一臺帶有硬質(zhì)陶瓷涂層，另一臺帶有軟質(zhì)橡膠襯里。

　　兩臺泵在實(shí)際條件下同時(shí)作耐久性試驗，連續7個(gè)月每天6-8小時(shí)地輸送污水廠(chǎng)砂石通道內相同的磨蝕性極高的污水。這段時(shí)間內，陶瓷涂層有明顯的磨蝕跡象并徹底磨損，而橡膠襯里沒(méi)有變化就像新的一樣。橡膠既沒(méi)有溶解也沒(méi)有從泵的金屬主架上脫落。此外，橡膠襯里泵比目前所用的鉻合金-鑄鐵泵價(jià)格更低。

測試地點(diǎn)

　　EVS擁有129座污水處理廠(chǎng)，是德國最大的污水處理公司。該公司位于Saarbrucken-Brebach的第二大污水處理廠(chǎng)每年要凈化大約25000立方米的混合污水。這些污水通過(guò)一條55公里長(cháng)的主集水河道被輸送到處理廠(chǎng)內（圖1）。這條運河周?chē)�居住�?zhù)大約13.5萬(wàn)人。

圖1. 位于Saarbrucken-Brebach的污水處理廠(chǎng)

　　因此，污水處理廠(chǎng)會(huì )接收到大量的砂石（有時(shí)是間歇性的）。7立方米/周是很平常的，有時(shí)三天內即可累積14立方米。這些砂石很大一部分會(huì )在處理廠(chǎng)的雙通道砂石管道內分離出來(lái)。毫無(wú)疑問(wèn)，這對于泵是一個(gè)重大挑戰，特別是泵的流量會(huì )導致很高的流速。由于砂石數量多，泵必須承受砂水混合物的高度磨蝕。而且，每個(gè)通道內的泵必須保持穩定。

原來(lái)的泵送概念

　　通常，在這樣的磨蝕場(chǎng)合中，泵的材質(zhì)通常會(huì )選擇比灰鑄鐵還要硬的材料，大多是特殊的鉻合金-鑄鐵。這實(shí)際上也是Saarbrucken-Brebach處理廠(chǎng)的第一個(gè)選擇。

　　該污水處理建成后于2001年3月試運營(yíng)。在最初的計劃和安裝階段，選擇了當時(shí)已經(jīng)成熟的泵系統。對于兩條砂石通道， 所選用的潛水泵的水力部件均采用特殊的鉻合金-鑄鐵制造。這本該可以承受連續的應力，但是僅僅一年之后，這些泵就已經(jīng)磨損，無(wú)法修復。唯一的選擇就是徹底替換。接下來(lái)幾年，幾乎每年都要進(jìn)行替換。終于，在2005年，EVS發(fā)現這種頻繁的替換非常昂貴，必須尋找其他解決方案。

尋找其他解決方案

　　一個(gè)專(zhuān)家小組對污水泵市場(chǎng)進(jìn)行了調查，并提出了兩種有前景的解決方案。第一個(gè)是帶有硬質(zhì)陶瓷涂層的泵，第二個(gè)是帶有特殊的軟質(zhì)橡膠襯里的泵。相對而言，第二種方案是一種較新的概念，但已在某些含有沙礫的場(chǎng)合和污水處理廠(chǎng)中得到了證實(shí)。雖然這種泵已經(jīng)上市兩年，但在德國的應用并不普遍。

　　當鉻合金-鑄鐵泵再次更換后，他們將兩臺新的泵放在一起進(jìn)行了對比試驗。Brebach處理廠(chǎng)內恰好有兩條相同的砂石通道，輸送著(zhù)相同數量的砂石。

　　供應商在制造這兩臺不同的泵時(shí)，并不知道它們將用于做對比實(shí)驗。此外，兩臺泵的設計流量與原來(lái)的鉻合金-鑄鐵泵相同。兩臺泵需要保持同步運轉，所以它們的運行時(shí)間相同。橡膠襯里泵安裝在1號砂石通道內，陶瓷涂層泵安裝在2號通道內。

　　從2005年的9月到2006年的3月，整整七個(gè)月兩臺泵每天平均連續運轉6-8小時(shí)。測試期間（包括冬季），砂石的含量經(jīng)常是非常高的。在整個(gè)測試期內泵都沒(méi)有出現停機。測試結束后，泵由處理廠(chǎng)的運營(yíng)經(jīng)理打開(kāi)。即使到這時(shí)，泵的供應商仍未得知比較實(shí)驗的事情。

測試結果

　　圖2和圖3是一臺鉻合金-鑄鐵泵運轉一年后的狀態(tài)圖�？梢钥闯�，泵殼已經(jīng)不止一處出現了破裂。葉輪葉片也明顯磨損了。

圖2. 鉻合金-鑄鐵泵的泵殼已經(jīng)出現裂縫　圖3. 鉻合金-鑄鐵泵也出現了磨損

　　陶瓷涂層泵的狀態(tài)如圖4所示。經(jīng)過(guò)7個(gè)月的運轉，陶瓷涂層磨損嚴重。有幾個(gè)部位涂層已經(jīng)完全脫落，因此砂石直接磨蝕了灰鑄鐵的襯里材料。這臺泵雖然仍能運轉，但涂層已經(jīng)磨損，因此壽命不會(huì )太長(cháng)。

　　橡膠襯里泵的入口表面、葉輪和泵殼幾乎沒(méi)有磨損的痕跡（圖5）。僅在葉輪葉片的末端橡膠襯里出現了破損，這可能是由于大塊的鋸齒狀石頭試圖通過(guò)泵造成的。然而，此處的橡膠襯里仍具有耐磨性能。雖然邊緣有些破損，但裂縫沒(méi)有蔓延。橡膠襯里既沒(méi)有分解，也沒(méi)有從基材上分離（圖6）。

圖4. 泵的陶瓷涂層也嚴重磨損　　圖5. 橡膠襯里泵狀態(tài)良好　　圖6. 葉輪的橡膠襯里有兩處破損，但裂縫沒(méi)有蔓延，橡膠也沒(méi)有從金屬基材上脫離

物理原理

　　通過(guò)泵的砂石以及相伴其中的小石塊具有堅硬的表面。當堅硬的物體撞到另一個(gè)堅硬的表面（就本案例而言是鉻合金-鑄鐵或陶瓷涂層），兩個(gè)表面都會(huì )受到磨損。

　　兩個(gè)物體表面的硬度差越大，較脆弱部件的磨損越快。因此，灰鑄鐵泵比由更堅硬材料（例如鉻合金鑄鐵）制成的泵或表面更堅固的（陶瓷涂層）泵磨損得越快。然而，即使后者最終也會(huì )磨損。

　　當堅硬的物體遇到柔軟有彈性的表面時(shí)，相互作用會(huì )截然不同。此時(shí)，軟的表面（本案例中為橡膠）是部分壓縮的，暫時(shí)被橡膠吸收的能量會(huì )返還給介質(zhì)，因此介質(zhì)就被推開(kāi)。如此一來(lái)，橡膠表面就免受破壞了。只有動(dòng)能非常大的大塊石頭無(wú)法被推開(kāi)，才會(huì )破壞橡膠。硬的物體（沙子或小的石頭）被推開(kāi)后不會(huì )沿著(zhù)軟的表面滑動(dòng)，因此再次大大避免了磨損。

橡膠襯里的限制

　　如前所述，如果通過(guò)橡膠襯里泵的石塊過(guò)大，它們不大可能被推開(kāi)，從而造成橡膠的破損。這種情況在遇到邊緣尖銳的物體時(shí)同樣存在。但好在裂縫不會(huì )蔓延。此外，即使破損蔓延到基底材料上，破損處周?chē)�的橡膠也不會(huì )與基底材料脫離。否則，泵會(huì )很快磨損。

測試后的測試

　　試驗完成后，橡膠襯里泵的葉輪在2007年6月被一個(gè)帶有橡膠襯里的葉輪替換。這一改進(jìn)是為了避免測試階段可能發(fā)生的微小磨損。2008年2月，泵的性能得以證實(shí)。經(jīng)過(guò)8個(gè)月的運轉，橡膠襯里依然如新。目前，這臺橡膠襯里泵正與另一臺硬質(zhì)鑄鐵泵進(jìn)行對比試驗，目前還未收到測試結果。

結束語(yǔ)

　　在7個(gè)月的現場(chǎng)試驗中，砂石通道中的橡膠襯里泵比鉻合金-鑄鐵泵具有更長(cháng)的使用壽命，也超過(guò)了陶瓷涂層泵。這大大減少了運行成本，一個(gè)原因是壽命的延長(cháng)，另一個(gè)是初期的采購成本較低。

　　對于橡膠襯里泵的壽命比硬質(zhì)材料泵的壽命長(cháng)出多少，目前還沒(méi)有統計數據。泵類(lèi)制造商根據經(jīng)驗推測，其實(shí)際使用壽命取決于水中所含有的物體類(lèi)型。大的石塊或邊緣尖銳的物體可能會(huì )破壞橡膠，因此應該用硬質(zhì)材料泵來(lái)輸送。

　　然而，經(jīng)驗表明，在大多數應用中，沙子或砂石會(huì )導致磨損，橡膠襯里泵具有使用壽命更長(cháng)、初期成本更低的顯著(zhù)優(yōu)勢。