应用于黄河水介质的水泵选型思路

徐 林 曾继军通讯作者

宁夏宁东水务有限责任公司 宁夏 银川750002

引言

黄河流域的大部分区域都存在着水资源短缺的现象,为了促进经济社会和生态环境可持续发展,提高人民生活水平,促进新型能源和工业基地发展,兴建了许多大型引黄工程。但因黄河水介质含沙量比较大,所用水泵运行中零部件损坏快,致使水泵效率下降、汽蚀性能恶化等问题对泵站运行管理带来了诸多不便。因此选用水泵时应考虑以下几方面的因素,从而保证应用于引黄工程中的水泵高效率、高抗磨蚀、长寿命的运行。

1 水泵主要设计参数的确定

1.1 比转速 比转速是在相似定律的基础上导出的一个包括流量、扬程和转数在内的综合特征数,它是计算泵结构参数的基础。

比转速Ns=3.65*n*Q^0.5/H^0.75(其中:n-转速r/min,Q-流量(双吸泵为Q/2)m3/s,H-扬程m)

比转速的用处:

利用比转数对叶轮进行分类:比转数的大小与叶轮形状和泵的性能曲线有密切关系。比转数确定以后,叶轮形状和性能曲线的形状就大致地确定了。

比转数是编制离心泵系列的基础:在编制离心泵系列时,适当地选择流量、扬程和转速等的组合,就可以使比转数在型谱图上均匀地分布。

比转数是离心泵设计计算的基础:无论是相似设计法,还是速度系数设计法,都是以比转数为依据来选择模型或速度系数的。

为保证水泵高效率,建议引黄项目选择水泵比转速在80-140之间。选型时综合考虑兼顾水泵效率、水泵成本、抗磨蚀性能的情况下,选择低转速的水泵,有效提升水泵使用寿命。

1.2 转速 高转速的水泵,在同参数下,要满足同样的流量、扬程等参数,在同样的时间内实际上与介质接触的次数增加,所以寿命就会相对短一些。在引黄项目中,在保证水泵高效率的条件下,可以考虑适当降低水泵转速,从而提高水泵的抗磨蚀性能。

1.3 汽蚀余量 同样的参数下,低转速的水泵汽蚀余量相对低些,汽蚀余量的大小会影响泵房的下沉深度及土建工程量。而汽蚀余量低的水泵运行相对平稳,水泵的抗磨蚀性能相对较好。

1.4 出口线速度U=(n*pi*D)/60(转径比),(其中:n-转速r/min,D-叶轮直径,pi=3.1 415926)

水泵叶轮出口线速度大小对于叶片出口的磨蚀有很大的影响,由于此处介质的流速是最高的,所以往往叶轮的磨蚀是发生在此处的。

在高扬程水泵的选型中原则上建议出口线速度不高于40 m/s。本项目中水泵扬程为中、低扬程水泵,故水泵的叶轮出口线速度值较小,更具有高抗磨蚀性能。

2 水泵各部件材料配置

黄河流域的提水泵站水泵多存在严重磨蚀问题,磨蚀问题缩短了水泵的寿命,降低了水泵的效率,对于高转速、高扬程的水泵,磨蚀更加严重。磨蚀问题缩短了水泵的寿命,降低了水泵的效率,达不到水泵原有的设计要求,因此必须对其进行抗磨、抗气蚀处理,从而解决磨蚀问题,延长水泵的使用寿命,保证泵站的高效率,从而获取良好的经济效益。

经过多年的研究与实践证明,水泵经过抗磨蚀处理后,能够保证长期稳定、高效的运行。

2.1 水泵零部件推荐材料配置

(1)泵壳体:25#铸钢(ZG230-450)+泵壳内流道喷涂进口改性聚氨酯耐磨涂层;(2)水泵叶轮:双相不锈钢1.4474(GX4Cr Ni Mo N26-5-2)+叶片进、出口堆焊硬质合金及喷涂碳化钨涂层;(3)水泵密封环:双相不锈钢

1.4 474(GX4Cr Ni Mo N26-5-2)+超音速喷涂碳化钨;(4)水泵主轴:双相不锈钢1.4 462;(5))水泵轴套:超低碳不锈钢1.4 408(表面镀陶瓷);(6))轴承:SKF或FAG,优秀轴承钢材质;(7))密封机械密封;(8)联轴器:双膜片联轴器,膜片采用不锈钢。

水泵叶轮、主轴、密封环等采用优质的双相不锈钢材料,双相不锈钢是在它的固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半,具有以下性能特点:

有优异的耐孔蚀性能,耐孔蚀和缝隙腐蚀性能超过了AISI316L;有优异的耐腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能;综合力学性能优异,有很高的强度和疲劳强度,屈服强度是18-8型奥氏体不锈钢的两倍;可焊性良好,热裂倾向小。

3 水泵抗磨蚀处理措施

3.1 泵体耐磨涂层 主要分两种:(1)硬耐磨涂层,如:等离子/超音速喷涂碳化钨或其它合金、焊接耐磨材料等。优点:硬度高,耐磨性能好,抗气蚀性能好;主要应用于局部流速高的位置。(2)软耐磨涂层,如:涂刷复合聚氨酯涂层、复合树脂砂浆涂层等

优点:施工工艺简单,可以现场施工,厚度可以做到3～5 mm,韧性好,耐磨性能好;主要应用于局部流速较低的位置。

经过对比改性聚氨脂复合树脂砂浆涂层效果较好,主要包括多种树脂、金刚砂、固化剂等材料,整个泵体内流道涂层平均厚度3～5 mm,涂层要求平整光滑。该涂层经过实践证明,能够有效提升水泵抗磨蚀性能,技术关键是解决涂层与金属表面粘结力问题,经过实践积累,能有效解决此问题。涂层使用寿命:含砂量高的工况下,涂层使用寿命在3～5年。

3.2 叶轮耐磨处理方案(堆焊硬质合金)叶轮主要的磨蚀部位为叶片的进口和出口处,所以为提高叶轮的耐磨性,采用在叶片进口和出口处堆焊硬度合金来提高其耐磨性。

合金材料:德国UTP61抗严重磨损铬合金铸铁堆焊焊条。堆焊部件:叶轮每个叶片进口和出口处。

堆焊长度:每个叶轮进口位置、出水口外圆以及叶片工作面测距外圆50 mm,区域深度为3 mm。

焊态硬度为:55～60 HRC之间。

3.3 密封环(耐磨口环)耐磨处理 泵体口环配合面易磨处超音速喷涂碳化钨耐磨涂层,但热喷涂工艺限制只能喷涂～0.2 mm 厚,预计耐磨寿命是没做耐磨处理不锈钢口环寿命的3～5倍。

泵体口环配合面易磨处抹涂～7 mm厚的耐磨性好的芳纶混合树脂预计是没做耐磨处理不锈钢口环寿命的8～10倍。但考虑到加工进度没有金属材料高,设计理论间隙要稍微增大一些(单边增加～0.3-0.5 mm)。

3.4 耐磨处理其他事项 为确保泵的水力及耐磨性能,泵体在做耐磨涂层前后均需注意上下泵体的流道结合面是光顺过渡的;叶轮轮毂与叶轮耐磨环确保光顺过渡,确保无台阶突变,以减轻介质流向突变产生磨损;叶轮与轴键连接;耐磨环设计,无死角区;叶轮设计,和耐磨环圆弧对接,叶轮盖板和耐磨环结合处无死角区。

多年来,在黄河流域宁夏段引黄灌溉及工业供水方面都借鉴了以上水泵选型经验及思路,并成功示范于工程应用。目前相关供水工程,通过综合自动化系统,适时监测分析水泵的运行工况,水泵在一个大修周期内运行效率基本稳定在87-90%,最高运行效率可达92%,满足设计要求。当然水泵各部件的抗磨蚀材质的选择、水泵效率的提高,许多学者及工程技术人员也做了大量的研究,本文通过实践总结了相关的内容,以供借鉴。