CN101316664A - 用于泵的保护性涂层 - Google Patents

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Abstract

用来以高容量泵送高度研磨性液体的泵的叶轮、壳体、流路、入口流道与出口流道。流动表面被预备，底漆被施加，并且聚脲被施加在底漆的上面以提供相匹敌于极端硬质表面的保护性涂层。被这样施加的涂层至少具有对施加而言是昂贵的硬质涂层的耐久力，该硬质涂层比如碳化钨和siloxirane陶瓷与填充环氧树脂的陶瓷金属。此外，它减小了在泵壳体、流路和流道中的气穴现象的发生。

Description

用于泵的保护性涂层
发明领域
本发明涉及泵，和尤其是用来泵送用于灌溉和其它用途的水的高容量泵。
发明背景
在农业和城市地区的人类发展中，水是关键的元素。水被用于农业用途以及人类和动物的需要。在广阔的地区都必须使用灌溉系统来发展的中国，更像上个世纪美国的发展，这一点比起任何地方都更显而易见。在中国关键的河流是黄河。它之所以被这样命名是因为它的颜色，由于数量相当大的沙含量所导致。这条河流的泥沙含量在世界的主要河流中是最高的，如在下表中所示：
  河流   长度(km)   泥沙含量(kg/m3)
  尼罗河   6670   0.00
  亚马逊河   6570   0.14
  长江   6300   0.49
  密西西比河   5970   0.36
  叶尼塞河   5870   0.02
  黄河   5464   22.04
沙砾是显著的研磨性材料并且用来从底层结构处除去材料。当黄河材料被泵送时，沙砾被特意地使用来除去表面材料比如油漆和氧化微粒，而研磨沙粒也以几乎相同的方式持续作用在泵送的表面上。在黄河流域中，黄河沙砾的微观结构具有0.29微米的平均颗粒大小。该颗粒大小明显地小于平均沙砾。不是具有了更小的研磨性，而是具有了更加严重的研磨性，并且相比于世界上的其它主要河流，黄河提供了最严重的研磨环境中的一个。
当灌溉泵被设计用于泵送大量的液体水时，一般来讲，它们是离心泵。这种泵的典型容量粗略地将是2000usgpm到180,000usgpm。同样重要的还有包含细砂或泥沙微粒的水的流速。用来传送这种大量的水的泵典型地具有不小于50米/秒的水流速度。包含研磨微粒的这种水的组合速度和数量不用两个月就能将不锈钢铸件磨蚀完。没有任何专门的处理形式，运行在这些条件下的泵一般持续不会持续超过2个月。
为了延长这种类型的泵的寿命，前述的方法已经对表面施加了硬质材料，比如碳化钨。这种在许多情形下被使用在切削工具上的材料具有特别坚韧的表面。可是，在这种极端的环境中，碳化钨一般也只能持续不超过八个月。
尽管碳化钨由于它的硬度可抵抗磨损，但是它易受气穴现象的影响。气穴现象是在液动流体中的局部压力降到被泵送的流体的蒸汽气压之下的现象。结果是沿着流路或流道的表面产生了蒸汽和气泡。当这些气泡破裂时，水冲进去以填充该空隙并且通道壁受到相当高频率的压力波动的影响，引起了气穴现象发生。在通道表面上冲击的结果在某种意义上引起了退化，即该退化与来自于沙含量的磨损效果是相等的。
当碳化钨被磨蚀时，新的碳化钨必须被施加到泵表面上。由于碳化钨的施加是通过或者电弧喷涂、火焰喷涂和熔解或者高速氧燃料(HVOF)喷涂来完成的，所以表面的恢复变得极端地复杂和昂贵。在任一情形下，泵必须被拿回工厂或者发展技术以在原位处再次施加碳化钨。因为被这样施加的材料一般必须以直角被直接地朝向表面，所以在原位处对涂层的再次施加变得更加复杂。当用于泵的叶轮是具有闭合通道的闭式叶轮时，传统地以直角涂敷碳化钨的施加必须在极端限制的环境下来完成。在用于碳化钨的施加的方法中，不允许工具以直角被定位到表面的比如需要用于通道的方法提供了更少的用于这种通道的碳化钨的最佳施加。
因此，在本领域中存在着对至少与碳化钨和其它硬质材料的使用寿命一样长的材料的需求，而且同时要易于被施加。
发明内容
本发明一种涉及用于保护泵的方法和设备，该泵用来传递高度研磨性的流体。泵的流体流动表面被预备并且被这样预备的表面被涂附了聚脲涂层。
在本发明的优选实施例中，涂层在适度的温度下被施加(apply)，以致使在原位处的施加成为可能。
附图的简要描述
图1是叶轮的透视图，显示了根据本发明被涂附的流路和流路的一部分，其中涂层被部分地除去以图解在涂附过程中的中间步骤。
图2是背对背叶轮的透视图，显示了关联的流路的不完整的视图。
选定实施例的描述
为了促进对本发明原理的理解，现在将参考在本文中所图解的实施例并且特定的语言将用来描述该实施例。可是，将被理解的是并没有因此意在对本发明范围的限制。对所描述的过程、系统或装置中的任何备选和进一步的修改，以及对如在本文中所描述的发明原理的任何进一步的应用，都是可预期的，正如是本发明所涉及的领域中的一个技术人员通常将能想到的。
参考图1，所示为包括壳体12(为了简化对本发明的理解仅仅图示了该壳体的一部分)的泵组件10。泵壳体12具有叶轮14，该叶轮由穿过中心开口16延伸的轴支撑并且绕着该轴被轴颈住(journaled)。开口16被适当地固定在轴上，该轴用来提供动力使叶轮旋转并且因此泵送液体，尤其是水或盐水。为了简化本发明的描述，将轴装配到开口16中的细节和用于驱动叶轮14的机构或马达的细节并没有被包括。然而，对本领域中那些技术人员将显而易见的是许多可提供动力的不同形式可被使用于旋转叶轮14。如先前所讨论的，泵10被设计以提供高的液体流率。这一般在2000usgpm以上到大约180,000usgpm。泵叶轮14具有多个由箭头18指示的流路。流路18在轴向定向的中心环形入口20处开始并且以卷轴状的方式延伸到绕着叶轮14的圆周24置位的外围出口22。如在本文中所图示的，叶轮14以由箭头26所指示的逆时针方向旋转。进入到叶轮14的入口20中的液体进入到每一个流路18中并且被转动和朝着环绕圆周24的出口22被径向加速。叶轮14具有支撑板28和一般以直角延伸的叶片30，以致形成流动通道18。叶轮14还具有使得叶轮成为领域中所公知的闭式叶轮的盖板32。然而，应该显而易见的是本发明的益处可应用于闭式以及除去了盖板32的开式叶轮。到叶轮14的液体流动穿过形成在壳体12中的通道34和开口进入到叶轮14的入口20中。壳体12还具有也形成在壳体12中的出口室36。出口室36可呈涡形以用于穿过通道有效地泵送流动。然后，出口室36连接到分配管道，以用于像灌溉和其它适当的利用目的水的用途。
如先前所讨论的，泵10出于两个原因在富有挑战性的环境中运行。第一是相当数量的液体流动被用于泵送。第二是将被这样泵送的液体的研磨性包含物是特别地高。在这些极端不利的环境下，流路18和/或流动通道34与流动通道36根据本发明被涂附以提供惊人的耐久力，其可相匹敌于先前的通过使用像碳化钨的硬质材料涂附这些通路和通道的尝试。
为了实行本发明，流路18和流动通道34与流动通道36被适当地预备。通过确保所有的油脂或油被除去来预备表面。一旦表面是清洁的和干燥的，那么它在100psig到125psig的气压下使用60砂砾或粗砂被喷砂。如果表面要被再涂附，那么重要的是所有的污染物都要从将被涂附的表面处除去，包括先前的环氧底漆和聚脲的残留物。对于钢、铁或电镀材料，在最小100psi的压缩气压下，表面由喷砂40微米到70微米大小的清洁Al2O3砂砾进行研磨。表面应该被冲击以暴露出清洁的金属表面。应该注意的是如果泵和流动表面要被再涂附，那么要应用适当的溶剂以除去先前涂附材料的痕迹。
然后，被这样清洁的表面通过使用底漆来预备。如在本文中所图解的，粘合底漆是由Reltek有限责任公司制造的两部分环氧底漆。它包含专有的(proprietary)双酚A型树脂和环脂族胺硬化剂，该硬化剂被彻底地混合直到合成混合看起来是平滑的和均匀的一致。这可或者通过手或者通过商业上可获得的静态混合喷嘴来完成。环氧底漆的施加通过商业上可获得的粘合涂附系统来实现，该系统可从比如TAH Industries的制造商处获得。底漆还可通过刷子或辊子被施加，该辊子使用短到中等的绒毛辊(nap roller)。根据下表环氧底漆被固化：
  温度范围(℃)   固化时间(小时)
  10-15   12-18
  21-27   6-10
  32-38   3-5
五天后可获得环氧底漆的完全固化。
该底漆被施加到金属表面上并且它产生了促进在底漆和将被施加到底漆上的材料之间的分子化学联接的表面。为了获得最大的联接，在底漆被完全固化之前就要施加随后的材料。在施加聚脲之前底漆的整体固化将不会使得在底漆和保护性聚脲面漆之间发生显著的联接成为可能。如所需要的，底漆可通过刷涂或喷涂(先前所提到的)被施加以获得相对薄的大约0.1mm或更薄的涂层。
备选地，表面可用溶剂型底漆来上漆，该底漆确保所有金属的可用表面都可获得联接。这种底漆将含有溶剂型酒精、丁醇和甲苯。溶剂型底漆可从大量的制造商处获得，比如Sherwin Williams和PPGIndustries。
一旦底漆被施加，被这样覆盖的通道就涂附有了100％固体多种成分聚脲。聚脲是一类含有胺基的聚合物，然而，预聚合成分可包括纯聚脲或混合单元二者，其可包含聚醚、聚四亚甲基二醇(polytetramethyleneglycol)、聚氨酯或相似的预聚合合成物。
从Adiabatics股份有限公司可获得聚脲的类型，该类型的聚脲在要经历所提到的严重的微粒磨蚀和气穴现象的内部泵零件上产生了最佳的性能。在从20°F到150°F范围的温度下，以大约30psi到80psi的低压喷涂形式可施加聚脲。较高的温度允许有较短的固化时间。优选地，环氧底漆被施加的厚度是大约0.1mm，而聚脲被施加的涂层厚度是大约0.25mm到10mm，并且更优选地为大约1.5mm到3mm。聚脲弹性体的典型特性是抗拉强度高达5,000psi，并且计示硬度的范围是从肖氏硬度A30到肖氏硬度D80。
令人满意的基于聚合涂层的聚脲还可通过商业上可获得的高压多种成分施加设备被施加，该设备可从Graco股份有限公司或GlasCraft股份有限公司处购买。这种类型的设备控制施加压力和温度二者以提供非常一致的聚脲涂层，该涂层比那些典型地由低压设备施加的涂层固化地更快。由高压设备施加的聚脲聚合涂层的最低可获得的计示硬度典型地不和通过使用低压施加设备来获得的计示硬度一样软。从测试结果中，显而易见的是对于水或盐水的泵的应用场合，中等到较高范围的肖氏硬度A(60到70)的硬度计涂层比较软和较硬的硬度计涂层二者耐用。然而，并不是说令人满意的涂层不能通过使用高压施加设备来获得。
在图1中，流路18中的一个具有被向后拉的材料以图解在流路18中所图解的环氧底漆和聚脲。环氧底漆由参考字符38指代而聚脲由参考字符40指代。同样地，在出口室36中，图示了环氧底漆38和聚脲40被涂附在它的上方。相似地，进口通道34具有环氧底漆38和聚脲涂层40。
图1图解了将本发明应用到单个闭式叶轮。对本领域中的那些技术人员显而易见的是本发明可被同等成功地应用到开式叶轮中，在该开式叶轮中盖板32和入口20被除去了以致流路18的通道由从轮轴28处延伸的邻近叶片30来形成。在这种情形下，流路的相应边界将是马达14以足够紧密的间隙被轴颈住的壳体，以维持正确的液动条件。对于用于高容量和速度输出的具有一对背对背马达类型的泵，本发明具有相等的适用性。
在图2中图解了这种布置。一般由参考字符42来指代的泵组件包括一对入口壳体44与入口壳体46、叶轮壳体48和公共的正切定向的出口50。成双的背对背叶轮组件52包括中心轮轴54，该轮轴具有邻近的流路56与流路58，每一个都从它们各自的入口处引导。入口60被图示用于流路56。为了简化对本发明的理解，用于流路58的入口没有图示。流路56由公共的轮轴54和具有完整的轴向入口部件64的盖板62被部分地界定。流路58由中心轮轴54和盖板66和关联的轴向入口(也图未示)来界定。
图2中所图解的泵的类型特别地易于被磨蚀，这是因为它所需的用以推进液体穿过出口的较高容量和较高功率。如在图1的情形中，入口通道44与入口通道46、出口通道50和流路56与流路58可选择性地或全体一致被涂附。这些表面被清洁，底漆被施加并且最后聚脲被施加。
聚脲不是防水性材料。由于水将最终渗透和移动到底层并且可导致涂层从基材处分离，所以聚脲不能被指定长期地用于在液体的应用中。在上面所图解的极端的环境中，其中在要被泵送的液体中具有高度的研磨性材料，在液体的移动导致聚脲从基材处分离之前，聚脲可保护基材，但是会机械地磨蚀。因此，通过使用通常不会被考虑用于这种研磨环境的材料可获得协同作用。
还要注意的是弹性聚脲的施加减少了气穴现象。气穴现象是由于在液动条件下，邻近流路的表面处局部的蒸汽压力降到了液体处于蒸汽形式的点上的现象。被这样引起的气泡的破裂导致了液体以非常集中的方式用很大的力撞击。此外，气穴现象导致了流路表面的磨蚀。当被泵送的液体具有研磨性材料时，气穴现象的作用被加剧了。通过提供弹性聚脲材料，气穴现象被减小了。在涂层在原位处的恢复中，聚脲的相对低温的施加是非常可行的，因此避免了为了涂层的施加而从工地处将泵移去和运输到制造地以及从制造地处运回的需要。因此，可以看出的是，在保护苛刻地从泵送具有极端的研磨含量的液体(比如黄河)的泵中，聚脲的使用提供了协同的和非常意外的益处。
尽管在附图和前述描述中详细地图解和描述了本发明，但是上述的将被认为在特性上是图解性的而不是限制性的，可被理解的是仅仅优选的实施例被图示和描述了，而所有来自本发明的精神中的变化和修改也希望被保护。

Claims (20)

1.一种用于涂附泵的流路的方法，所述泵用来泵送包含高度研磨性材料的液体，所述方法包括步骤：
预备所述流路的至少一部分的表面；
用聚脲或混合聚脲涂层涂附被这样预备的所述流路。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流路的所述表面的所述预备包括涂附环氧底漆。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述表面的所述预备包括清洁所述表面和然后磨蚀所述表面的步骤。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述磨蚀通过氧化铝或硅砂来执行。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面选自钢、不锈钢和铁的材料。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚脲涂层在中等温度下被施加。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述聚脲涂层的施加的温度是从20°F到150°F。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述泵是闭式离心叶轮并且在所述叶轮中的所述流路被涂附。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述泵是开式离心叶轮并且所述开口通路被涂附。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述泵包括可旋转的叶轮和关联的被固定的流路，所述涂层被施加到所述叶轮和所述被固定的流路的至少一个上。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述泵包括被固定的壳体，所述壳体具有水入口与水出口并且还环绕着包括关联的被固定的流路的可旋转的叶轮。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚脲涂层超过0.25mm厚。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述聚脲涂层厚度在0.25mm和10mm之间。
14.一种用于泵送具有高研磨料数量的液体的设备，所述设备包括：
可旋转的叶轮，所述可旋转的叶轮具有用于接收和加速所述液体的流路，所述流路大小设置成用以提供不小于大约50米每秒的流体输出速度，
壳体，所述可旋转的叶轮被轴颈在所述壳体中，所述壳体具有用于接收和排出所述液体的流路，
所述流路的至少一个，并且所述流路具有它被预备和涂附有聚脲或混合聚脲的表面的至少一部分。
15.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述叶轮被预备和被涂附有聚脲或混合聚脲。
16.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述叶轮是无盖板的。
17.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述转子是有盖板的。
18.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述叶轮和通路被涂附。
19.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述预备包括环氧底漆。
20.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述聚脲涂层具有在0.25mm和10mm之间的厚度。
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