礦用離心泵的固體磨損與防治

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礦用離心泵的固體磨損與防治簡介
      摘要:介紹了煤礦採掘工作面水樣的採集方法和固體重量比的一般量值。通過剖析固體顆粒對平衡盤的磨損,介紹了一種延長離心泵使用時間的簡易辦法,……
礦用離心泵的固體磨損與防治正文
    

摘要:介紹了煤礦採掘工作面水樣的採集方法和固體重量比的一般量值。通過剖析固體顆粒對平衡盤的磨損,介紹了一種延長離心泵使用時間的簡易辦法,介紹了為輸送固體顆粒而取消平衡盤的新型多級排沙潛水泵。

關鍵詞:礦用離心泵 輸送固體 取消平衡盤 排沙潛水泵

1 引 言

目前,在煤礦採掘工作面使用的排水泵中,專門排泥沙的產品是空白。無論泥沙多少,普遍使用的依然是傳統的分段式多級清水離心泵。因此,磨損嚴重,水泵過早報廢,不但增加了成本,還常常直接影響生產進度。

由於採煤工作面和掘進工作面都不可能單獨設置沉澱泥沙的水倉,無法就地清除泥沙等固體顆粒,所以,要解決用"清水泵"排泥沙的問題,暫時只能在提高易損件的材料性能上想想辦法,最終還要在徹底改變排水泵結構上大做文章。這方面的專業研究工作,已持續多年,目前依然在緊張地進行。

研究發現,固體顆粒對離心泵的磨損,在特定環境下,遵守著某種規律。把這一規律展現在我們面前,對症下藥,就能找到較理想的解決方案。

2 工作面水樣採集 固體重量比測定

經觀測,採煤工作面的涌水中,固體顆粒的含量隨著回採循環作業內容的改變而變化,因而,具有周期性。

一般情況下,在采前準備結束,採煤作業開始之前,固體顆粒含量最少。採煤作業即將結束時,含量最多。採集水樣時,為了既減少採集次數,又能說明問題, 可在正式開採前30分鐘內採集一次,在採煤作業結束前30分鐘內再採集一次。採集水樣的地點在採煤工作面下端頭,或在溜子道安裝的排水泵自己單獨的出水口。

一般情況下,在岩石平巷掘進工作面的涌水中,在多台鑿岩機集中打眼之前,固體顆粒含量最少。在爆破之後,在出岩作業的后三分之一時間內,固體顆粒含量最多。在這兩個時段內分別採集水樣。採集地點在耙斗機或裝岩機工作地點之後10m之內,或在該工作面排水泵自己單獨的出水口。

上面所採集的水樣,每次重2K0.2kg。稱過重量后,採用過濾法,用過濾紙濾出水樣中的全部固體顆粒。烘乾后,稱出固體顆粒重量,則水樣的固體重量(百分比)比Caw為:




固體重量
Cow =
--------------- H %


 固、液混合物總重

水樣的固體重量比Caw在《漿體與粒狀物料輸送水利學》(費祥俊著,請華大學出版社1994年5月出版)中被定義為"重量比固體濃度",習慣用於輸送工業漿體。本文簡稱為固體重量比,現場有時習慣稱為泥沙重量比。

一般情況下,當一個工作面的涌水量小於10m3/h,固體重量比Cow明顯增大;涌水量大於80m3/h,固體重量比Cw明顯減小

在同一礦井,在具有標誌性的煤層、岩層中大量採集水樣,便可以得到該礦井涌水中固體顆粒含量的一般規律。再根據涌水量、岩體的特性和破碎程度、鬆散顆粒遇水后的反應等進一步分析整理,便可以用來指導排水設計和排水管理。表1是從現場獲得的一組綜合數據。

表1
項目

 採煤工作面


掘進工作面


 (採煤作業即將結束前) (出岩作業即將結束前)
固體重量比Cw 0.83-5.48 %

 0.41-9.62 %

3 多級離心泵磨損部位及磨損過程

3.1 多級離心泵的磨損部位

目前,礦用多級離心泵磨損最嚴重的部位是平衡盤,然後依次是葉輪口環、盤根套、中段的軸孔襯套等。

一般固體顆粒不會把泵體外殼磨穿,不會把葉輪外徑磨小,也不會把葉片磨短。平衡盤磨損后變薄,使轉子向電機方向(向前)的竄量超限,從而產生連鎖損壞。葉輪口環和中段軸套磨損后,密封間隙變大,使離心泵出水不足或不出水,有時還拌有強烈的震動。

3.2 平衡盤的磨損過程

平衡盤有軸向端面跳動,泵體平衡板也有軸向端面跳動。平衡盤轉動一周,會在轉到某一角度時,局部出現軸向間隙的最大間隙或最小間隙。

平衡盤的平衡狀態是動態的,泵的轉子在某一平衡位置會前後作軸向脈動。工況點改變時,轉子會自動移到新的平衡位置作軸向脈動。

這種軸向端面跳動和軸向脈動疊加后,軸向間隙b0 便具有局部的動態最大間隙b0max 和最小間隙b0min 。
假設:一個固體K的顆粒直徑為A,已隨著液體到達平衡盤前面的高壓區,並且

b0max>A>b0min

則固體K將被液體從軸向最大間隙b0max附近裹進平衡盤的軸向間隙之內。

當固體K剛剛跨進較小的距離S,平衡盤就轉到軸向間隙b0小於A的 位置,或者平衡盤正竄回到軸向間隙b0小於A的 位置。這時,平衡盤將對固體K產生擠壓,二者將發生相對運動。平衡盤端面會被固體K擠壓出 凹痕,會被刮削出凹槽,直到固體K被研碎。

如果這種規格的固體顆粒含量較高,就會以前仆後繼之勢,不斷被裹進來,使平衡盤端面很快出現第一道環形溝槽。隨著磨蝕的加劇,會在略大於第一道環形溝槽之外,相繼出現第二道溝槽、第三道溝槽…。

儘管如此,這時泵軸的竄量還沒有發生明顯改變,取出平衡盤可以看到這些環狀溝槽大致是同心的 ,排列較整齊。與此同時,平衡板也出現相似的溝槽。

下面的現象值得注意:

當另一個固體W的顆粒直徑為B,也到達平衡盤高壓區,並且

B≥b0max

則固體W將被擋在平衡盤的高壓區一側。

此時,若大小不一的固體顆粒隨著液體不斷湧向平衡盤前面的高壓區,粒徑小於或等於A的固體顆粒會隨著液流通過軸向間隙。粒徑大於或等於B的固體顆粒會被隔在這裡。我們稱這種現象為"篩留現象"。

當被"篩留"的固體顆粒達到一定數量,並且堵在軸向間隙的的入口處,會使液體壓力升高,導致轉子向後發生脈動,使軸向間隙瞬間加大。這時,這些大粒徑固體顆粒乘機大量擠入平衡盤的軸向間隙,出現"強登陸現象"。若這種現象接連發生,可使平衡盤在較短的時間內被磨薄。

3.3 葉輪口環的磨損過程

葉輪小裝到泵軸上之後,其口環存在徑向跳動;泵體口環孔也存在徑向跳動。葉輪轉動一周,會在轉到某一角度時,局部出現口環徑向間隙的最大間隙或最小 間隙。

轉動的泵軸會彎曲變形,產生最大撓度。

這種徑向跳動與最大撓度疊加后,口環的徑向間隙b 便有局部的動態最大間隙bmax 和最小間隙bmin 。同樣,口環的密封表面也會被固體顆粒擠壓、刮削出溝槽。

然而,如果材料相同,由於口環的間隙不會象平衡盤那樣出現"脈動"和固體顆粒"強登陸現象",所以,口環的磨損程度明顯小於平衡盤 。這時,口環的磨損與平衡盤相比,不是主要矛盾。

但是,應當注意,在取消平衡盤的多級泵中,口環的磨損將上升為主要矛盾,須認真對待。

4 清除排水管道底部的沉降物

排水管道,特別是單獨借用的大口徑永久管道的底部會沉降固體顆粒。這些徑過反覆水選沉降下來的固體顆粒比重較大,表面呈球形,比較圓滑。當上面所述的離心泵出水不足之後,流量下降,管道內流速減慢,會增加固體顆粒的沉降量。倘若離心泵流量減少到某一個臨界值,這種沉降的固體顆粒會逆流而下,穿過閥門,充滿泵腔,不消幾十分鐘,就會使這台水泵報廢。我們可以在現場做試驗,或在實驗室做模擬試驗,來驗證這一現象。

為此,要核算最小流量時管道內的流速值,一般應大於1m/s。為提高流速,應優先選用直徑較小的排水管。

以排沙潛水泵的管道安裝為例(見圖1),可在離心泵逆止閥1與閘閥4之間的管道上,或在管道底部的標高最低處接出一根短管--除沙管。該除沙管用另外一個閘閥5控制,當水中固體顆粒含量較多時,在井下就地排放。每次的排放量約0.2-0.3m3即可。這樣,就可以及時清除排水管道內沉降的固體顆粒,可防止離心泵的意外磨損。

經驗表明,岩石掘進中,堅持在出岩作業期間定時排放泥沙,一般可延長離心泵的使用壽命3-10%左右,並且使退下來的水泵還有大修價值,或使大修更加容易。

在自動化排水中,同樣應當增添定期清除排水管底部沉降物的輔助設備,

若能配合採集水樣,及時分析、整理資料,就可以制定出更科學的水泵使用維護辦法,最大限度延長離心泵的壽命。當然,這一措施最好在設計階段就已被採用。

5 取消平衡盤的新型排沙潛水泵

用多級清水離心泵直接輸送含有固體顆粒的礦井水,主要矛已集中在軸向力的平衡上。因此,要延長水泵的使用壽命,取消平衡盤,(或取消平衡鼓),已成為必然趨勢。

5.1 耐磨材料的選擇

根據不同用途,各類水泵零件採用不同的耐磨材料。清水泵為了長壽,耐磨材料是銅合金;排污泵起始於排紙漿,耐磨材料僅是普通鑄鐵。渣漿泵是單級泵,耐磨材料是高鉻鑄鐵;沙泵可以在河裡采沙,耐磨材料是橡膠。可見,"耐磨材料"定義的範圍很寬。

研究開發多級排沙水泵,要對付的是有硬度、有稜有角的"沙",要研究沙在高壓、高速的狀態下對水泵磨蝕的規律。因此,選擇"耐磨材料"就顯得更加重要。

下列零件的材料相同,按損壞程度由大向小的順序排列:平衡盤、葉輪口環、盤根套、軸套、導葉、泵體、葉輪。由此,排沙水泵選擇耐磨材料有了借鑒和依據,可從中獲得如下提示:

5.1.1 各種易損件應當使用硬度不同的優質材料。其中,容易磨損的採用硬度高的材料,不易磨損的零件用硬度低的材料。這樣,既能防止出現薄弱環節,又可降低造價。

5.1.2 取消要求材料硬度最高的平衡盤。把目前能夠應用的硬度最高材料--鎢鈷硬質合金用在葉輪 口環和軸套上,以獲得最長的使用壽命,最佳的經濟效益。

5.2 取消平衡盤辦法之一--提高單級泵揚程,替代多級泵

用提高單級泵的揚程來替代以往的兩級、三級分段式多級泵,簡單易行。

1988年,用揚程70m,流量100m3/h,功率37kw的單級雙吸排沙潛水泵實現了這一願望。該泵為第四紀流沙層疏乾井設計,之後又用於冬季北方洗煤廠廢水遠方遙控循環利用(相距3km,用舊露天沉澱煤泥)。

1989年,用揚程50m ,流量12m3/h,允許通過固體顆粒直徑10mm,功率僅4.0kw的單級單吸排沙潛水泵再次實現了這一願望。從那時起,葉輪與泵體的內外口環均採用硬質合金製造。第一次替代多級離心泵在下山掘進工作面排水,"壽命提高5-8倍"(摘自該泵1991年部級《新產品鑒定證書》)。被替代的多級離心泵功率竟有40kw,它的高壓水用來帶動射流泵(俗稱帶泵、水抽子)在下山排水。 因此,這種小泵很快普及,並屢獲大獎。

全國範圍不同地質條件的上百家煤礦經過十年的現場檢驗,證明這種排沙潛水泵的技術方案是可行的。

目前,單級排沙潛水泵的品種、用途已大為擴展,如:
① 用在採煤工作面,技術參數可達到:揚程95m,流量168m3/h。
② 用在掘進工作面,技術參數可達到:揚程85m,流量158m3/h。
效率均可達到62.1%。電機功率75kw。

5.3 取消平衡盤辦法之二--葉輪背靠背安裝,抵消軸向力

葉輪個數為偶數,每兩個葉輪背靠背安裝,相互抵消軸向力,是徹底取消平衡盤的好辦法。

1995年,用一種四級分段式多級排沙潛水泵實現了這一設想。這種泵,曾在甘肅一舉恢復了一個被淹礦井。這個礦井地面透水,攜帶大西北地表泥沙湧入井下,多次用普通離心泵恢復,均未湊效。

該泵技術參數:揚程200m,流量80m3/h,效率59.3%,功率185kw。如今,經過不懈的努力,又增添了多項實用技術,幾乎對原設計做了脫胎換骨的改進。技術參數已修改為:揚程320m,流量80m3/h,功率185kw。

5.4 排沙潛水泵結構簡介

上述排沙潛水泵是立式的,可就地安放,也可弔掛安裝。泵體與電機同軸,電機在上部,泵體在下部(下泵式)。

排沙潛水泵結構的主要特徵是:電機安置在"空氣室"中。

"空氣室"象一個敞口的"茶杯"。 將"茶杯"的杯底朝上,杯口朝下,放入水中固定。這時,"杯"內的空氣不會跑掉。預先將電機的定子、轉子和上下軸承支座安放在"茶杯"內,再
將電機軸從"杯"口向下伸出,這便是排沙潛水泵的電機模型。

有了"空氣室"的保護,電機的定子、轉子、軸承和軸封都不會與水以及水中的泥沙、酸鹼鹽等有害物直接接觸。因此,即便是潛入含大量泥沙的水中,電機也不會受到損害。另外,電機繞組用耐熱環氧樹脂澆注,將其固化,以便長期適應井下環境要求。

電機外殼被罩在"導水套"內,水泵排出的水,全部從電機與導水套之間流過,電機實現了"水外冷"。這樣,排沙潛水泵可以露出水面工作。

上述排沙潛水泵有單級單吸式、多級單吸式、單級雙吸式三種形式,均省去了泵軸在泵體外殼上重要易損件--泵軸的軸封,這是因為:
① 單級單吸式的葉輪吸入口朝上,泵體下端面是封閉的。
② 多級單吸式的首級葉輪在最上方,首級葉輪吸入口朝上,泵體下端面是封閉的。
③ 單級雙吸式的葉輪有上、下兩個吸入口。

允許斷水空轉--不會對電機和泵體有絲毫損害。有水后,可繼續排水,無須專人守侯。這一要求,來自煤礦一線,由煤科總院上海分院調研后提出,使得排沙潛水泵在設計之初就按著這一有價值的課題攻關,以其獨特的結構,在第一台產品誕生時就實現了。出廠時,空轉試驗必須台台作,就連75kw、185kw也不列外。

在煤礦正以現代化、機械化裝備自己的今天,人們已開始設想排水自動化。需求"清水倉"的水泵,需求沿頂板掘進、在巷道低凹處自動排水的水泵,需求在爆炸危險環境使用的大型排沙潛水泵,等等,呼聲越來越高。因此,"多級排沙水泵"的研究已受到廣泛關注。自從排沙潛水泵問世以來,許多設計單位、大中型煤礦紛紛配合研究,大膽嘗試,為這一新生事物作出了貢獻。

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