應用于黃河水介質的水泵選型思路

徐 林 曾繼軍通訊作者

寧夏寧東水務有限責任公司 寧夏 銀川750002

引言

黃河流域的大部分區域都存在著水資源短缺的現象,為了促進經濟社會和生態環境可持續發展,提高人民生活水平,促進新型能源和工業基地發展,興建了許多大型引黃工程。但因黃河水介質含沙量比較大,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。因此選用水泵時應考慮以下幾方面的因素,從而保證應用于引黃工程中的水泵高效率、高抗磨蝕、長壽命的運行。

1 水泵主要設計參數的確定

1.1 比轉速 比轉速是在相似定律的基礎上導出的一個包括流量、揚程和轉數在內的綜合特征數,它是計算泵結構參數的基礎。

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

比轉速的用處:

利用比轉數對葉輪進行分類:比轉數的大小與葉輪形狀和泵的性能曲線有密切關系。比轉數確定以后,葉輪形狀和性能曲線的形狀就大致地確定了。

比轉數是編制離心泵系列的基礎:在編制離心泵系列時,適當地選擇流量、揚程和轉速等的組合,就可以使比轉數在型譜圖上均勻地分布。

比轉數是離心泵設計計算的基礎:無論是相似設計法,還是速度系數設計法,都是以比轉數為依據來選擇模型或速度系數的。

為保證水泵高效率,建議引黃項目選擇水泵比轉速在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,選擇低轉速的水泵,有效提升水泵使用壽命。

1.2 轉速 高轉速的水泵,在同參數下,要滿足同樣的流量、揚程等參數,在同樣的時間內實際上與介質接觸的次數增加,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速,從而提高水泵的抗磨蝕性能。

1.3 汽蝕余量 同樣的參數下,低轉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,水泵的抗磨蝕性能相對較好。

1.4 出口線速度U=(n*pi*D)/60(轉徑比),(其中:n-轉速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,由于此處介質的流速是最高的,所以往往葉輪的磨蝕是發生在此處的。

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,從而獲取良好的經濟效益。

經過多年的研究與實踐證明,水泵經過抗磨蝕處理后,能夠保證長期穩定、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、出口堆焊硬質合金及噴涂碳化鎢涂層;(3)水泵密封環: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,優秀軸承鋼材質;(7))密封機械密封;(8)聯軸器:雙膜片聯軸器,膜片采用不銹鋼。

水泵葉輪、主軸、密封環等采用優質的雙相不銹鋼材料,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:

有優異的耐孔蝕性能,耐孔蝕和縫隙腐蝕性能超過了AISI316L;有優異的耐腐蝕疲勞和磨損腐蝕性能;綜合力學性能優異,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。優點:硬度高,耐磨性能好,抗氣蝕性能好;主要應用于局部流速高的位置。(2)軟耐磨涂層,如:涂刷復合聚氨酯涂層、復合樹脂砂漿涂層等

優點:施工工藝簡單,可以現場施工,厚度可以做到3～5 mm,韌性好,耐磨性能好;主要應用于局部流速較低的位置。

經過對比改性聚氨脂復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,整個泵體內流道涂層平均厚度3～5 mm,涂層要求平整光滑。該涂層經過實踐證明,能夠有效提升水泵抗磨蝕性能,技術關鍵是解決涂層與金屬表面粘結力問題,經過實踐積累,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,區域深度為3 mm。

焊態硬度為:55～60 HRC之間。

3.3 密封環(耐磨口環)耐磨處理 泵體口環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,預計耐磨壽命是沒做耐磨處理不銹鋼口環壽命的3～5倍。

泵體口環配合面易磨處抹涂～7 mm厚的耐磨性好的芳綸混合樹脂預計是沒做耐磨處理不銹鋼口環壽命的8～10倍。但考慮到加工進度沒有金屬材料高,設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合面是光順過渡的;葉輪輪轂與葉輪耐磨環確保光順過渡,確保無臺階突變,以減輕介質流向突變產生磨損;葉輪與軸鍵連接;耐磨環設計,無死角區;葉輪設計,和耐磨環圓弧對接,葉輪蓋板和耐磨環結合處無死角區。

多年來,在黃河流域寧夏段引黃灌溉及工業供水方面都借鑒了以上水泵選型經驗及思路,并成功示范于工程應用。目前相關供水工程,通過綜合自動化系統,適時監測分析水泵的運行工況,水泵在一個大修周期內運行效率基本穩定在87-90%,最高運行效率可達92%,滿足設計要求。當然水泵各部件的抗磨蝕材質的選擇、水泵效率的提高,許多學者及工程技術人員也做了大量的研究,本文通過實踐總結了相關的內容,以供借鑒。