鎖斗循環泵的改進

孫韜

摘 要：鎖斗循環泵普遍存在葉輪、導葉、耐磨板等易損件壽命短，機封泄露，檢修頻繁等問題；一種新的葉輪設計方案可以減小液體流速，有效減少葉輪，導葉和耐磨板等過流部件的磨損，提高葉輪等零件壽命，增強機組可靠性對整個氣化裝置的可靠運行具有重要意義。

關鍵詞：鎖斗循環泵；背葉片；軸向力；密封腔壓力

中圖分類號：U173.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）23-0123-03

Abstract： There are many problems in the lock bucket circulating pump， such as short life of the vane， guide vane， wear-resistant plate， leakage of seal， frequent maintenance， etc. A new impeller design scheme can reduce the flow rate of liquid and effectively reduce the impeller. The wear and tear of guide vane and wear-resistant plate， prolonging the life of impeller and other parts， and enhancing the reliability of the unit are of great significance to the reliable operation of the whole gasifier.

Keywords： lock bucket circulating pump； back vane； axial force； seal cavity pressure

在德士古工藝氣化裝置中，鎖斗循環泵是氣化爐可靠、高效運行的重要設備。它的作用是將鎖斗上部的灰水泵送到氣化爐底部，然后將灰渣沖入鎖斗中。鎖斗循環泵通常采用OH2結構形式，單級單吸臥式離心泵。泵進料中灰渣最大含量為5%，并含有NH3、CO2、H2S和CL-。由于介質中固體顆粒含量高，對過流部件的磨蝕非常嚴重，葉輪、導葉、耐磨板及機封等易損件的壽命都很短，通常小于6000小時，遠低于API610的要求。

如圖1所示結構的鎖斗循環泵，參數如下：流量Q=70m3/h；揚程H=62m，轉速n=2980rpm。

半開式葉輪，徑向導葉，環形蝸殼；葉輪、導葉采用Ni-Hard材料。經過2000小時的運轉，泵性能下降較大，葉輪、導葉和耐磨板磨蝕嚴重，葉輪出口葉片厚度損失超過2mm，并存在斷裂現象（見圖2）。導葉片進口邊中部出現V型缺口，兩邊的蓋板上出現沖蝕坑。同時機械密封泄露嚴重。

分析失效原因，除零件本身存在一些質量問題，主要原因為含固體顆粒的液流磨蝕和腐蝕開裂。

我們從以下幾個方面進行分析及改進：

（1）改善葉輪、導葉等材料的綜合性能。Ni-Hard為耐磨材料，硬度大于55HRC，零件在熱處理中容易產生裂紋，在沖擊和腐蝕等作用下容易破裂，影響使用壽命。要提高韌性，控制裂紋，通常需要降低零件硬度，然而降低硬度又會降低耐磨性。在材料熱處理中要平衡韌性和硬度，盡量減少微觀裂紋的產生。

（2）從結構上增強零件強度。葉輪改為閉式葉輪，實踐證明在應對固體顆粒介質時，閉式葉輪不比開式葉輪差，同時由于前后蓋板對葉片的加強作用，葉片的強度大大提高。

（3）減小葉輪導葉受到的沖擊。增加葉輪外徑與導葉基圓間的間隙，原來間隙為1.5mm，增大間隙至9mm，可以減小葉輪出口的壓力脈動，減小液流對葉輪出口和導葉進口的沖擊。同時可以減小泵的振動和噪音。對機封的壽命有積極的影響。

（4）減小液流中顆粒對零件的磨損。解決磨損的兩個關鍵措施是提高耐磨性和減小磨損。零件選用的材質硬度已經很高，耐磨性提高空間有限。減小磨損主要通過降低介質顆粒含量和降低流速。降低顆粒含量需要用戶在氣化工藝及介質處理上做改進，泵上能做的是降低液體流速。通過適當增加葉輪出口寬度和導葉流道寬度，降低介質流速以減小對葉輪、導葉和耐磨板的沖涮。

（5）對機封壽命的改善主要通過改善機封的工作環境。如降低機封腔壓力，溫度等。由于已經配有泵蓋水冷腔及plan32沖洗，現在能做的就是降低機封腔壓力。通過設置葉輪背葉片可以降低機封腔壓力，同時背葉片能驅使顆粒向葉輪的出口移動，減少機封腔顆粒濃度，從而增加機械密封壽命。由于該泵為高壓泵，泵進口壓力6.5Mpa。作用在輪轂上指向軸承箱的軸向力高達18500N，閉式葉輪有一個大約4000N的軸向力指向泵進口，這樣總軸向力可以減少至約14500N。而葉輪背葉片的存在將減少葉輪后蓋板區域的壓力，使得指向葉輪進口的軸向力減少65%以上。在進口壓力為大氣壓時，背葉片可以使軸向力減小。而對高壓泵，軸頭承受的軸向力與葉輪產生的軸向力相反，并且遠大于葉輪產生的軸向力，葉輪產生的軸向力正好可以抵消部分軸向力，由于降低了葉輪產生的軸向力，使得總軸向力反而提高了，這對軸承不利。這里我們可以通過在前蓋板增設背葉片抵消部分軸向力。

以上改進措施只改變導葉和葉輪，其余不變，成本較低。該方案解決了開式葉輪葉片容易斷裂的問題，過流部件的磨損得到改善。葉輪、導葉壽命得到提高。但是磨損依然嚴重，壽命仍不盡人意。

要有效降低磨損就需要降低流速。上述改進中的第（4）點增加葉輪出口寬度和導葉流道寬度可以減小軸面速度，而圓周分速度并沒有減小。以上述方案中的閉式葉輪為例，葉輪幾何參數如下：

葉輪外徑D2=235mm

葉輪出口寬度b2=11mm

出口處的軸面速度：

估算容積效率：ηv=0.96；根據設計參數計算得葉輪出口排擠系數ψ2=0.83；代入上式得：

圓周速度：

由此可見軸面速度的減少對減小絕對速度的幫助有限。要想有效減少磨損，就需要降低U2。在離心泵中可以近似的認為泵的揚程等于葉輪出口的速度能，它們的關系可以用下式表示：

在葉輪揚程不變的情況下，U2就無法減小，比如降低了轉速，就需要增加葉輪外徑；反之減小了葉輪外徑就需要增加轉速。而U2則保持不變。要減小U2就必須減小揚程H，要保持泵的總揚程不變，可以通過增加葉輪級數實現。如此泵改為兩級結構，則單級葉輪揚程減半，U2大約為26m/s；液流中固體顆粒的動能減半，理論上對過流部件的磨損也將大大減小。