潜水泵用电动机必须有安全阀

一、 潜水泵排沙,需要安全阀

理论上不存在“绝对”。那么潜水电动机“绝对”不进水也不存在。

几十年跟踪观察发现,使用3个月的潜水泵,它的干式潜水电动机体内,个个都有水,小型潜水泵一般有水重量约2550克,略大一些的有水重量约50100克。无一例外。显然,这不是传统教科书说的“结露水”,而是越过一道一道密封,进入电动机体内的水。

在正常情况下,电动机主腔温度允许高于水的沸点温度。这样,电动机主腔相当于安装了电热炉。

由于现场的排沙浓度时高时低,很难控制,经常会发生电动机过载而使绕组会剧烈发热的现象,电动机内腔相当于安装了温度远高于水的沸点电热炉。

这时,电动机主腔之内若已经进水,电热炉实际已经变成一台电加热锅炉,正常情况下开泵,电动机主腔就能产生水蒸气。

潜水电动机主腔有封闭的外壳,一般规定承受静压1MPa,属于压力容器。潜水电动机外壳以及转子轴与轴孔,都装有密封件,这样就可以使电加热炉内的水蒸气憋足压力,产生高温高压蒸汽。

水、热源、封闭容器 “三要素”齐备,即生成高压蒸气的条件齐备,却没有依据热力学原理,没有借鉴锅炉预防爆炸的关键设计方案,缺少泄压安全阀。

由此,我们找到了预防爆炸的方法——给潜水泵增添潜水泵专用安全阀——只有一节手指大小的零件。 我们在八年中应用安全阀的实践证明,这种安全阀结构简单,安全可靠,完全能够防止潜水泵爆炸。 

 

二、 排沙与电动机“大量进水”

当排水管没有安装控制阀门,或者开泵后过于快速打开阀门,新泵管道内空空无水,刚开泵的瞬间,会导致猛然出现最大极限流量,引起泵底部的水流高速涌动,会搅起泵底部大粒径的沙粒与碎石,然后大量高速涌入泵内。这种密集的大粒径沙粒与碎石在拥挤过程中,所通过的过流截面在不断缩小,到了叶轮6个叶片的吸入口处,过流截面最小。这时,恰巧有几个大粒径的沙粒与碎石堵死叶轮6个叶片吸入口之中的一个(注意,不是堵塞所有的叶片吸入口),就会破坏动平衡,就会发生大振动,这会使机械密封暂时失效(注意,是暂时失效),导致电动机大量进水。停泵后,堵塞解除,机械密封又恢复正常,潜水泵完好无损,但是电动机体内已经进水,已经为产生水蒸气做好了必要的物质储备。

因此,排浓沙与碎石,操作不慎,潜水泵的电动机能够大量进水的几率较高,这在目前国内所有煤矿现场都可以得到证实。

 

三、潜水泵排沙浓度与电动机绕组温度

如果没有安全阀,盲目提高电磁线温度等级,如180℃、200℃,甚至240℃,潜水电动机爆炸的几率会更高。这是因为绕组温度越来越高,就会为产生饱和蒸汽提供更高温度,更充足热源,会导致蒸气压力越来越高,反而提高了爆炸风险。

——若没有安全阀,切不可单纯采用提高电磁线温度等级的方法。

在现场,一旦排沙浓度过高,绕组便会发热超限,电磁线会迅速老化。泥沙排光之后,由于“过载受伤”,电动机的热负荷能力会大大降低,往往是在过后排清水时,绕组短路击穿,引起电动机爆炸。正是这种在清水中的爆炸假象,迷惑了人们,多少年来,迟迟不能找出潜水泵爆炸的原因。

 

四、潜水泵要想排泥沙,配套技术必须创新。

1.潜水泵整体结构,需要创新技术。

应对电动机进水办法是,在电动机底部最低处,增加一个或多个储水室,用来收集并且储存已经进入电动机内的水,还要让水泵全部流量水从储水室的外壁流过,达到对进入储水室内的水进行强制冷却的目的。这样,即使电动机进水,也不会因绕组发热而生成高压水蒸气。

另外,还可以在不拆开电动机的情况下,用放水孔把储水室内的水排出体外。电动机体内残留的水所产生的水蒸气压力,可通过安全阀自动泄压。

2.材料工艺,需要创新技术。

假如机座用钢板焊接,那么,潜水泵爆炸的部位,一般是灰铸铁制造的电动机上端盖。会被炸碎、炸飞。

单级潜水泵用电动机的双层过水外壳,一般规定承受1MPa静压。

多级潜水泵用电动机的双层过水外壳,一般规定承受2.5~11MPa静压。

因此,有双层过水外壳的电动机端盖同样属于承压的压力容器。但是,如果未遵照压力容器的设计规范,违反了“压力容器禁止使用铸铁制造”的强制性规定,甚至用普通灰铸铁制造电动机端盖,必然要出大错。

警告:要想排泥沙,潜水泵用电动机的机座与上下端盖,严禁用灰铸铁制造。

3.机械密封型式,需要创新技术。

一般情况下,潜水泵用电动机腔内压力升高,会使机械密封单侧压力超过额定值,会导致机械密封端面因“比压”过大而发热“结碳”,这时会因供油的油路被阻断而更加急剧发热,推波助澜,会促使电动机爆炸事故提前发生。事后,会发现,机械密封的端面结碳、发黑、脆裂碎断。

解决办法:应当采用创新技术的机械密封,这是一种专利新产品,是排沙密封的关键一环。

4.机械强度须满足热力学要求

个别厂家的潜水泵产品,偌大一件设备,外壳承受巨大拉力的螺栓,只是6~8颗小螺栓,被戏称“最可怕的潜水泵”。这也是潜水泵爆炸的原因之一。一般设计计算,单纯做机械强度计算,应当没问题。但是,没有把《热力学》的水蒸气压力的动态因素考虑进去,就会为发生意想不到的爆炸事故留下隐患。

5. 排沙泵的功率需要更充足的安全富裕系数

潜水泵用电动机的抗过载能力、抗堵转能力应当能够适应排泥沙的要求。我们的经验是,在额定功率之外,电动机自身一般还要有1.3~1.5倍的功率富裕系数。其中2.2千瓦以及小于2.2.千瓦的电动机要有不小于2倍的功率富裕系数。这样虽然造价偏高,但是,可以大大减少故障率,不会频繁地影响现场的采煤与掘进的进度。

 

五、潜水泵排沙与热力学原理 

我们研究所的研究成果有一个重要发现:潜水泵专用的干式电动机的设计需要采用热力学原理,特别是需要掌握热力学中的饱和蒸汽与过热蒸汽对潜水电动机外壳的影响。

通常,煤矿用隔爆型潜水电动机的外壳强度,一般规定承受静压1MPa。

如果潜水泵用电动机内已经进水,而且有足够多的水,那么,热力学告诉我们,在封闭容器内,足够多的水在高温下会成为饱和蒸汽,温度与饱和蒸汽的压力有准确的一一对应关系。

以下是处在不同温度下,潜水泵电动机体内的饱和蒸汽压力的对比与分析。

例如:

泵A,温度160℃,饱和蒸汽压力0.6MPa。这时潜水电动机外壳安全。

泵B,温度180℃,饱和蒸汽压力1.0MPa。达到潜水电动机外壳规定值。

泵C,温度200℃,饱和蒸汽压力1.5MPa。这时电动机外壳以及连接螺栓都已大大超出设计强度规定。

泵D,温度220℃,饱和蒸汽压力2.3MPa。这时潜水电动机若爆炸,就不再是个别意外现象了。

泵E,温度240℃,饱和蒸汽压力3.3MPa。即使是特制的高强度外壳,也岌岌可危。

泵F,温度260℃,饱和蒸汽压力4.7MPa。这一温度开始转子铁心表面变黑。

温度300℃,饱和蒸汽压力8.6MPa。

……

泵F的温度比泵B的温度只增加了80℃,但压力却增加4.7倍——温差较小,但饱和蒸汽压力值却惊人地快速攀升。

当温度280℃,饱和蒸汽压力6.4MPa。这时是转子铁心表面完全变黑的温度。

烧毁的电动机的机壳内一般都留有高温熔化后又重新凝结的铜块、铝块、铁渣,电弧放电的温度会使金属熔化。因此,如果没有安全阀,即便是高压锅炉,其设计强度非常高,但是,照样无法抵御无止境升高的饱和蒸汽压力。

另外,《热力学》中的过热蒸汽饱和蒸汽一样,同样会引起潜水电动机的内腔压力增高。在足够的高温下,水量不足,在水蒸气没有达到饱和的情况下,过热蒸汽同样也会引起潜水泵爆炸。

潜水泵爆炸与锅炉爆炸一样,历史上也不知发生过多少次,才让人们认识了水蒸气的巨大力量,才让人们看到安全阀的巨大作用。

我们自从安装了潜水泵安全阀,潜水泵爆炸事故就从没有发生过。

以上对温度与高压蒸汽的对比与分析,目的在于为揭示潜水泵的干式潜水电动机爆炸原因提供热力学实验依据,为潜水泵必须有安全阀提供可靠依据。

 

早在改革开放之前,潜水泵行业内部就有一个对外不公开的重大秘密——排沙之后,潜水泵会爆炸。这是半个多世纪以来的世界性难题。

本研究所经过十多年的探索,想尽办法应对潜水泵爆炸。最终破解了潜水泵的排沙爆炸难题,找到防治方法,在金属矿山各种最恶劣的环境下实践了八年,证明安全可靠,值得向全行业推广。

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