水利工程地下泵站水泵結(jié)構(gòu)及材料研究

李 娟

(山西省中部引黃水務(wù)開發(fā)有限公司，山西太原030000)

0 前言

中部引黃工程地下泵站水泵一期工程，水泵抽送的是黃河水，泥沙含量大，水泵型式確定為立式、單吸、單級蝸殼式離心泵，屬高揚(yáng)程大容量泵組。

目前，高揚(yáng)程大型離心泵的研制技術(shù)主要被少數(shù)國際大公司壟斷，國內(nèi)有類似制造業(yè)績的廠家的工程實(shí)例不多，除哈爾濱電機(jī)廠成功自主研發(fā)了云南牛欄江滇池補(bǔ)水工程干河泵站的單級單吸高揚(yáng)程大型離心泵外，尚無其他工程先例。因此，從國家重大裝備需求及技術(shù)創(chuàng)新的戰(zhàn)略高度出發(fā)，有必要開展高揚(yáng)程、大容量立式單吸單級蝸殼式離心泵的水泵結(jié)構(gòu)及材料研究。

1 工程概況

中部引黃工程自天橋水電站庫區(qū)取水，取水口位于天橋水電站左壩頭上游380 m處，取水泵站為地下泵站，布置七臺機(jī)組，一期安裝兩臺立式、單吸、單級蝸殼式離心泵，設(shè)計流量6.6 m3/s，額定轉(zhuǎn)速600 r/min，設(shè)計揚(yáng)程200 m，屬高揚(yáng)程大容量泵組。

2 水泵結(jié)構(gòu)及材料要求

2.1 蝸殼

(1)水泵蝸殼應(yīng)采用明設(shè)布置，其出口通過法蘭與出口延伸管段連接。

(2)蝸殼應(yīng)采用耐泥沙磨損、可常溫焊接的、可焊性好的，性能不低于Q345R材料制造。設(shè)計時應(yīng)考慮不少于5 mm的泥沙磨損腐蝕余量。蝸殼內(nèi)表面應(yīng)采用可修復(fù)的抗磨蝕涂層。

2.2 頂蓋

頂蓋應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)(不低于Q235B性能)鋼板焊接結(jié)構(gòu)，整體運(yùn)輸。頂蓋外圓直徑應(yīng)滿足在水泵葉輪芯包拆出情況下從水泵葉輪中拆吊孔吊出的要求。

2.3 座環(huán)及固定導(dǎo)葉

(1)座環(huán)及固定導(dǎo)葉是水泵重要的傳力受力部件和水泵出口水流進(jìn)入蝸殼的導(dǎo)流部件。座環(huán)與蝸殼的連接應(yīng)為可拆式結(jié)構(gòu)，應(yīng)滿足其過流表面泥沙磨蝕后便于修復(fù)。座環(huán)及固定導(dǎo)葉應(yīng)采用抗空蝕抗磨損性能和焊接性能不低于0Cr16Ni5Mo(碳含量≤0.045%)超低碳不銹鋼材料制造。

(2)固定導(dǎo)葉可采用不銹鋼厚鋼板模壓或鍛造成型后數(shù)控加工，上下環(huán)板采用鍛造成型后數(shù)控加工，分別拋光成需要的尺寸，之后組焊。焊接時應(yīng)做好防變形措施，焊后應(yīng)按本鋼種的熱處理工藝規(guī)范和合理的防變形措施進(jìn)行熱處理、消除焊接應(yīng)力。

(3)座環(huán)及固定導(dǎo)葉應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度。

(4)座環(huán)內(nèi)上下過流表面和固定導(dǎo)葉過流表面(特別進(jìn)口部位)應(yīng)設(shè)置抗磨涂層保護(hù)。該涂層應(yīng)具有優(yōu)良的抗泥沙磨損能力。

2.4 底環(huán)和基礎(chǔ)環(huán)

(1)當(dāng)泵的主軸和電機(jī)軸解列時，葉輪和主軸向下放于底環(huán)支持法蘭上。底環(huán)由高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)低合金鋼板(不低于Q345C)焊接而成。

(2)基礎(chǔ)環(huán)由鋼板焊接制成，基礎(chǔ)環(huán)與底環(huán)用螺栓連接。

(3)在與葉輪進(jìn)口密封環(huán)對應(yīng)的位置，為底環(huán)安置一個可替換的適當(dāng)厚度的不銹鋼固定密封環(huán)，其硬度應(yīng)低于葉輪密封環(huán)(動)至少40HB單位。

(4)底環(huán)內(nèi)表面上應(yīng)敷設(shè)不銹鋼抗磨板。

2.5 葉輪

(1)葉輪為單吸、單級、離心式。水泵葉輪應(yīng)采用鑄焊結(jié)構(gòu)。應(yīng)滿足其過流表面泥沙磨蝕后便于修復(fù)。葉輪上、下蓋板應(yīng)鍛造或鑄造(VOD精煉)成型后數(shù)控加工并拋光成需要的尺寸；葉片加工應(yīng)采用“葉片模壓成型+數(shù)控加工”、“VOD精鑄+數(shù)控加工”兩種方式中的一種，以提高質(zhì)量和精度。

(2)葉輪和水泵主軸的連接方式應(yīng)考慮到采用芯包快速檢修更換葉輪的需要。并保證在任何運(yùn)行工況、任何轉(zhuǎn)速包括最大反向飛逸轉(zhuǎn)速下均能安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

(3)葉片過流表面應(yīng)光滑、型線應(yīng)準(zhǔn)確。

(4)葉輪設(shè)計應(yīng)能承受水泵/電動機(jī)組的最大飛逸轉(zhuǎn)速。

(5)為便于維護(hù)葉輪和密封環(huán)，采用“方案”，即先拆卸中間軸，然后將葉輪芯包等從水泵層吊起，水平運(yùn)輸至進(jìn)水側(cè)球閥的吊物孔下方，再利用廠房橋式起重機(jī)從球閥吊物孔吊入(或吊出)進(jìn)行修理和維護(hù)。

2.6 主軸和中間軸

(1)水泵電動機(jī)組為三段軸結(jié)構(gòu)，包括水泵主軸、電動機(jī)軸及連接水泵主軸和電動機(jī)軸的中間軸。

(2)主軸、中間軸及其法蘭(如果有)的材質(zhì)應(yīng)采用性能不低于20Simn的材料整體鍛造。主軸、中間軸應(yīng)具有相同的外徑。

(3)中間軸應(yīng)具有足夠的長度以允許水泵整體芯包能夠中拆移出。

2.7 主軸密封

主軸密封包括工作密封和檢修密封。在主軸穿過頂蓋的部位應(yīng)設(shè)置密封裝置。主軸密封的設(shè)計、材料選擇應(yīng)充分考慮黃河泥沙的影響。

2.8 水泵導(dǎo)軸承

(1)導(dǎo)軸承采用稀油潤滑，其結(jié)構(gòu)應(yīng)可靠和便于檢修，在不拆除導(dǎo)軸承部件就能檢修、調(diào)整或更換主軸密封部件。(2)軸承的冷卻器管材料和結(jié)構(gòu)應(yīng)便于拆卸和檢修，具有足夠的熱交換容量并應(yīng)能適應(yīng)本工程以未經(jīng)處理的黃河含沙水流作為冷卻介質(zhì)，具有防泥沙沉淀并便于清洗的特點(diǎn)。

2.9 水泵支承座及基礎(chǔ)

(1)水泵通過其支承座被安裝在預(yù)埋在混凝土中的基礎(chǔ)上，與水泵配套的電動機(jī)則安裝在水泵上方另一個單獨(dú)的混凝土底座上。

(2)支承座和水泵預(yù)埋基礎(chǔ)應(yīng)采用可常溫焊接、可焊性好的優(yōu)質(zhì)碳素鋼(不低于中國標(biāo)準(zhǔn)Q235C)制造，焊后不需要進(jìn)行熱處理。

(3)水泵支承座應(yīng)采用合理的結(jié)構(gòu)型式，應(yīng)盡可能拆裝方便，布置上應(yīng)盡可能避開水泵進(jìn)水管中心線，應(yīng)保證水泵在各種運(yùn)行和事故工況下，水泵支撐座和基礎(chǔ)預(yù)埋件結(jié)構(gòu)的安全和可靠，不允許任何危害設(shè)備運(yùn)行安全和廠房建筑物安全的現(xiàn)象產(chǎn)生。水泵預(yù)埋基礎(chǔ)須采用大體量型鋼結(jié)構(gòu)保證受力安全。

2.10 進(jìn)水管

(1)水泵進(jìn)水管應(yīng)為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，其型式應(yīng)使水流流暢。進(jìn)水管包括水平管段、漸變管(若有)和泵進(jìn)水肘管。

(2)由于進(jìn)水池設(shè)計水位828.58 m，最低運(yùn)行水位827.10 m，進(jìn)水池洞頂高程834.30 m，進(jìn)水管中心線高程804.80 m，因此，進(jìn)水管承受的最大靜水壓力為29.5 m，考慮事故停泵過渡過程中的進(jìn)水管壓力升高和一定的安全系數(shù)，進(jìn)水管設(shè)計壓力采用1.0 MPa。進(jìn)水管水平管段及漸變管(若有)應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼Q235B或相當(dāng)于Q235B的材料制造并進(jìn)行防腐處理。應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

(3)水泵進(jìn)水肘管段(從與葉輪進(jìn)口銜接斷面算起向下延伸至與漸變段相接斷面長度)應(yīng)全部采用耐磨不銹鋼材料制造。

(4)在進(jìn)水管水平管段45°側(cè)下方向上設(shè)直徑為Φ600 mm的外開式進(jìn)人門。

2.11 蝸殼出口延伸管段

(1)將蝸殼出口延伸管段直徑由原設(shè)計值1.6 m變更為1.2 m，水泵出口閥直徑也由原1.6 m更改為1.2 m。本工程出水池設(shè)計水位為1027.0 m，水泵出口中心高程為808.50 m，水泵設(shè)計揚(yáng)程達(dá)到200 m，為減少出水管作用在蝸殼上的反作用力，結(jié)合考慮蝸殼出口直徑，將蝸殼出口延伸管段直徑由原設(shè)計值1.6 m變更為1.2 m。由此，可減少反作用力F=ρgH×π/4×(1.62-1.22)=1723 kN。

(2)蝸殼出口擴(kuò)散管段進(jìn)水側(cè)通過法蘭與蝸殼出口連接，出水側(cè)通過法蘭與液壓球閥前的DN1200波紋伸縮節(jié)法蘭連接(伸縮節(jié)、連接法蘭對、螺栓、螺母、墊片等件隨閥門采購供貨)。延伸管段材料與蝸殼一致(性能不低于Q345R)，設(shè)計壓力采用3.0 MPa。

(3)為保證水泵整體受力安全，應(yīng)根據(jù)泵站給出的現(xiàn)有布置條件，在水泵蝸殼出口的延伸管段上設(shè)置止推法蘭和可與延伸管段分離的金屬鋼鎮(zhèn)墩。鋼鎮(zhèn)墩與延伸管采用推力法蘭螺栓緊固，與基礎(chǔ)錨板采用焊接固定。

(4)延伸管應(yīng)采用可常溫焊接、可焊性好的低合金壓力容器鋼板(不低于中國標(biāo)準(zhǔn)Q345R)制造，焊后不需要進(jìn)行熱處理。鋼鎮(zhèn)墩應(yīng)采用可常溫焊接、可焊性好的優(yōu)質(zhì)碳素鋼制造(不低于中國標(biāo)準(zhǔn)Q235C)，焊后不需要進(jìn)行熱處理。

(5)延伸管段和鋼鎮(zhèn)墩應(yīng)能獨(dú)立承受最不利工況下作用在其上的各種力，以及滿足由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變、變形、腐蝕等對其強(qiáng)度、剛度的要求。這些不利工況包括但不限于：水泵關(guān)閥啟動造壓過程、泵組正常停機(jī)過程、水泵電動機(jī)組在最大運(yùn)行條件下突發(fā)斷電事故停機(jī)過程，以及泵站出水系統(tǒng)因溫差變形等產(chǎn)生的作用在延伸管段和鋼鎮(zhèn)墩上的所有力。

3 結(jié)論與建議

3.1 水泵結(jié)構(gòu)

(1)為便于維護(hù)葉輪和密封環(huán)，建議水泵采用“中拆+下拆”方案。下拆部件主要包括水泵進(jìn)口彎管、下導(dǎo)軸承、下主軸密封。為便于首級葉輪檢查與維護(hù)，宜具備下拆條件。

(2)為方便水泵安裝檢修及后期運(yùn)行管理，建議水泵主軸采用柔性聯(lián)結(jié)，即水泵與電動機(jī)分設(shè)推力軸承，水泵通過中間軸與電動機(jī)軸采用彈性聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)，水泵推力軸承布置在泵蓋上部。

(3)鑒于水泵主軸采用柔性聯(lián)結(jié)方式，為保證推力軸承可靠傳遞軸向推力，水泵采用“蝸殼+固定導(dǎo)葉”結(jié)構(gòu)，蝸殼和固定導(dǎo)葉之間為可拆結(jié)構(gòu)，蝸殼宜設(shè)有不可拆卸的固定導(dǎo)葉。為便于蝸殼及固定導(dǎo)葉在受到泥沙磨蝕后修復(fù)，蝸殼采用明設(shè)布置。蝸殼可采用鑄造或焊接結(jié)構(gòu)。

3.2 水泵材料

水泵蝸殼及泵殼的壁厚應(yīng)考慮至少5 mm的磨損余量。當(dāng)內(nèi)部做抗磨蝕涂層保護(hù)時，應(yīng)便于修復(fù)。水泵的蝸殼及泵殼采用耐泥沙磨損、可常溫焊接、可焊性好、性能不低于Q345R的材料制造，可拆的座環(huán)(固定導(dǎo)葉)及級間導(dǎo)葉部件采用性能不低于0Cr13Ni5Mo馬氏體不銹鋼的材料制造。