應(yīng)用于黃河水介質(zhì)的水泵選型思路

徐 林 曾繼軍通訊作者

寧夏寧東水務(wù)有限責(zé)任公司 寧夏 銀川750002

引言

黃河流域的大部分區(qū)域都存在著水資源短缺的現(xiàn)象,為了促進經(jīng)濟社會和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展,提高人民生活水平,促進新型能源和工業(yè)基地發(fā)展,興建了許多大型引黃工程。但因黃河水介質(zhì)含沙量比較大,所用水泵運行中零部件損壞快,致使水泵效率下降、汽蝕性能惡化等問題對泵站運行管理帶來了諸多不便。因此選用水泵時應(yīng)考慮以下幾方面的因素,從而保證應(yīng)用于引黃工程中的水泵高效率、高抗磨蝕、長壽命的運行。

1 水泵主要設(shè)計參數(shù)的確定

1.1 比轉(zhuǎn)速 比轉(zhuǎn)速是在相似定律的基礎(chǔ)上導(dǎo)出的一個包括流量、揚程和轉(zhuǎn)數(shù)在內(nèi)的綜合特征數(shù),它是計算泵結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)。

比轉(zhuǎn)速Ns=3.65*n*Q^0.5/H^0.75(其中:n-轉(zhuǎn)速r/min,Q-流量(雙吸泵為Q/2)m3/s,H-揚程m)

比轉(zhuǎn)速的用處:

利用比轉(zhuǎn)數(shù)對葉輪進行分類:比轉(zhuǎn)數(shù)的大小與葉輪形狀和泵的性能曲線有密切關(guān)系。比轉(zhuǎn)數(shù)確定以后,葉輪形狀和性能曲線的形狀就大致地確定了。

比轉(zhuǎn)數(shù)是編制離心泵系列的基礎(chǔ):在編制離心泵系列時,適當?shù)剡x擇流量、揚程和轉(zhuǎn)速等的組合,就可以使比轉(zhuǎn)數(shù)在型譜圖上均勻地分布。

比轉(zhuǎn)數(shù)是離心泵設(shè)計計算的基礎(chǔ):無論是相似設(shè)計法,還是速度系數(shù)設(shè)計法,都是以比轉(zhuǎn)數(shù)為依據(jù)來選擇模型或速度系數(shù)的。

為保證水泵高效率,建議引黃項目選擇水泵比轉(zhuǎn)速在80-140之間。選型時綜合考慮兼顧水泵效率、水泵成本、抗磨蝕性能的情況下,選擇低轉(zhuǎn)速的水泵,有效提升水泵使用壽命。

1.2 轉(zhuǎn)速 高轉(zhuǎn)速的水泵,在同參數(shù)下,要滿足同樣的流量、揚程等參數(shù),在同樣的時間內(nèi)實際上與介質(zhì)接觸的次數(shù)增加,所以壽命就會相對短一些。在引黃項目中,在保證水泵高效率的條件下,可以考慮適當降低水泵轉(zhuǎn)速,從而提高水泵的抗磨蝕性能。

1.3 汽蝕余量 同樣的參數(shù)下,低轉(zhuǎn)速的水泵汽蝕余量相對低些,汽蝕余量的大小會影響泵房的下沉深度及土建工程量。而汽蝕余量低的水泵運行相對平穩(wěn),水泵的抗磨蝕性能相對較好。

1.4 出口線速度U=(n*pi*D)/60(轉(zhuǎn)徑比),(其中:n-轉(zhuǎn)速r/min,D-葉輪直徑,pi=3.1 415926)

水泵葉輪出口線速度大小對于葉片出口的磨蝕有很大的影響,由于此處介質(zhì)的流速是最高的,所以往往葉輪的磨蝕是發(fā)生在此處的。

在高揚程水泵的選型中原則上建議出口線速度不高于40 m/s。本項目中水泵揚程為中、低揚程水泵,故水泵的葉輪出口線速度值較小,更具有高抗磨蝕性能。

2 水泵各部件材料配置

黃河流域的提水泵站水泵多存在嚴重磨蝕問題,磨蝕問題縮短了水泵的壽命,降低了水泵的效率,對于高轉(zhuǎn)速、高揚程的水泵,磨蝕更加嚴重。磨蝕問題縮短了水泵的壽命,降低了水泵的效率,達不到水泵原有的設(shè)計要求,因此必須對其進行抗磨、抗氣蝕處理,從而解決磨蝕問題,延長水泵的使用壽命,保證泵站的高效率,從而獲取良好的經(jīng)濟效益。

經(jīng)過多年的研究與實踐證明,水泵經(jīng)過抗磨蝕處理后,能夠保證長期穩(wěn)定、高效的運行。

2.1 水泵零部件推薦材料配置

(1)泵殼體:25#鑄鋼(ZG230-450)+泵殼內(nèi)流道噴涂進口改性聚氨酯耐磨涂層;(2)水泵葉輪:雙相不銹鋼1.4474(GX4Cr Ni Mo N26-5-2)+葉片進、出口堆焊硬質(zhì)合金及噴涂碳化鎢涂層;(3)水泵密封環(huán):雙相不銹鋼

1.4 474(GX4Cr Ni Mo N26-5-2)+超音速噴涂碳化鎢;(4)水泵主軸:雙相不銹鋼1.4 462;(5))水泵軸套:超低碳不銹鋼1.4 408(表面鍍陶瓷);(6))軸承:SKF或FAG,優(yōu)秀軸承鋼材質(zhì);(7))密封機械密封;(8)聯(lián)軸器:雙膜片聯(lián)軸器,膜片采用不銹鋼。

水泵葉輪、主軸、密封環(huán)等采用優(yōu)質(zhì)的雙相不銹鋼材料,雙相不銹鋼是在它的固溶組織中鐵素體相與奧氏體相約各占一半,具有以下性能特點:

有優(yōu)異的耐孔蝕性能,耐孔蝕和縫隙腐蝕性能超過了AISI316L;有優(yōu)異的耐腐蝕疲勞和磨損腐蝕性能;綜合力學(xué)性能優(yōu)異,有很高的強度和疲勞強度,屈服強度是18-8型奧氏體不銹鋼的兩倍;可焊性良好,熱裂傾向小。

3 水泵抗磨蝕處理措施

3.1 泵體耐磨涂層 主要分兩種:(1)硬耐磨涂層,如:等離子/超音速噴涂碳化鎢或其它合金、焊接耐磨材料等。優(yōu)點:硬度高,耐磨性能好,抗氣蝕性能好;主要應(yīng)用于局部流速高的位置。(2)軟耐磨涂層,如:涂刷復(fù)合聚氨酯涂層、復(fù)合樹脂砂漿涂層等

優(yōu)點:施工工藝簡單,可以現(xiàn)場施工,厚度可以做到3～5 mm,韌性好,耐磨性能好;主要應(yīng)用于局部流速較低的位置。

經(jīng)過對比改性聚氨脂復(fù)合樹脂砂漿涂層效果較好,主要包括多種樹脂、金剛砂、固化劑等材料,整個泵體內(nèi)流道涂層平均厚度3～5 mm,涂層要求平整光滑。該涂層經(jīng)過實踐證明,能夠有效提升水泵抗磨蝕性能,技術(shù)關(guān)鍵是解決涂層與金屬表面粘結(jié)力問題,經(jīng)過實踐積累,能有效解決此問題。涂層使用壽命:含砂量高的工況下,涂層使用壽命在3～5年。

3.2 葉輪耐磨處理方案(堆焊硬質(zhì)合金)葉輪主要的磨蝕部位為葉片的進口和出口處,所以為提高葉輪的耐磨性,采用在葉片進口和出口處堆焊硬度合金來提高其耐磨性。

合金材料:德國UTP61抗嚴重磨損鉻合金鑄鐵堆焊焊條。堆焊部件:葉輪每個葉片進口和出口處。

堆焊長度:每個葉輪進口位置、出水口外圓以及葉片工作面測距外圓50 mm,區(qū)域深度為3 mm。

焊態(tài)硬度為:55～60 HRC之間。

3.3 密封環(huán)(耐磨口環(huán))耐磨處理 泵體口環(huán)配合面易磨處超音速噴涂碳化鎢耐磨涂層,但熱噴涂工藝限制只能噴涂～0.2 mm 厚,預(yù)計耐磨壽命是沒做耐磨處理不銹鋼口環(huán)壽命的3～5倍。

泵體口環(huán)配合面易磨處抹涂～7 mm厚的耐磨性好的芳綸混合樹脂預(yù)計是沒做耐磨處理不銹鋼口環(huán)壽命的8～10倍。但考慮到加工進度沒有金屬材料高,設(shè)計理論間隙要稍微增大一些(單邊增加～0.3-0.5 mm)。

3.4 耐磨處理其他事項 為確保泵的水力及耐磨性能,泵體在做耐磨涂層前后均需注意上下泵體的流道結(jié)合面是光順過渡的;葉輪輪轂與葉輪耐磨環(huán)確保光順過渡,確保無臺階突變,以減輕介質(zhì)流向突變產(chǎn)生磨損;葉輪與軸鍵連接;耐磨環(huán)設(shè)計,無死角區(qū);葉輪設(shè)計,和耐磨環(huán)圓弧對接,葉輪蓋板和耐磨環(huán)結(jié)合處無死角區(qū)。

多年來,在黃河流域?qū)幭亩我S灌溉及工業(yè)供水方面都借鑒了以上水泵選型經(jīng)驗及思路,并成功示范于工程應(yīng)用。目前相關(guān)供水工程,通過綜合自動化系統(tǒng),適時監(jiān)測分析水泵的運行工況,水泵在一個大修周期內(nèi)運行效率基本穩(wěn)定在87-90%,最高運行效率可達92%,滿足設(shè)計要求。當然水泵各部件的抗磨蝕材質(zhì)的選擇、水泵效率的提高,許多學(xué)者及工程技術(shù)人員也做了大量的研究,本文通過實踐總結(jié)了相關(guān)的內(nèi)容,以供借鑒。