矿用离心泵的固体磨损与防治

摘要:介绍了煤矿采掘工作面水样的采集方法和固体重量比的一般量值。通过剖析固体颗粒对平衡盘的磨损,介绍了一种延长离心泵使用时间的简易办法,介绍了为输送固体颗粒而取消平衡盘的新型多级排沙潜水泵。

关键词:矿用离心泵 输送固体 取消平衡盘 排沙潜水泵

引 言

  目前,在煤矿采掘工作面使用的排水泵中,专门排泥沙的产品是空白。无论泥沙多少,普遍使用的依然是传统的分段式多级清水离心泵。因此,磨损严重,水泵过早报废,不但增加了成本,还常常直接影响生产进度。

  由于采煤工作面和掘进工作面都不可能单独设置沉淀泥沙的水仓,无法就地清除泥沙等固体颗粒,所以,要解决用"清水泵"排泥沙的问题,暂时只能在提高易损件的材料性能上想想办法,最终还要在彻底改变排水泵结构上大做文章。这方面的专业研究工作,已持续多年,目前依然在紧张地进行。

研究发现,固体颗粒对离心泵的磨损,在特定环境下,遵守着某种规律。把这一规律展现在我们面前,对症下药,就能找到较理想的解决方案。

1、工作面水样采集   固体重量比测定

经观测,采煤工作面的涌水中,固体颗粒的含量随着回采循环作业内容的改变而变化,因而,具有周期性。

  一般情况下,在采前准备结束,采煤作业开始之前,固体颗粒含量最少。采煤作业即将结束时,含量最多。采集水样时,为了既减少采集次数,又能说明问题,可在正式开采前30分钟内采集一次,在采煤作业结束前30分钟内再采集一次。采集水样的地点在采煤工作面下端头,或在溜子道安装的排水泵自己单独的出水口。

  一般情况下,在岩石平巷掘进工作面的涌水中,在多台凿岩机集中打眼之前,固体颗粒含量最少。在爆破之后,在出岩作业的后三分之一时间内,固体颗粒含量最多。在这两个时段内分别采集水样。采集地点在耙斗机或装岩机工作地点之后10m之内, 或在该工作面排水泵自己单独的出水口。

  上面所采集的水样,每次重2kg±0.2kg。称过重量后,采用过滤法,用过滤纸滤出水样中的全部固体颗粒。烘干后,称出固体颗粒重量,则水样的固体重量(百分比)比Cow为:

                          固体重量
                  Cow = -------------------- H % 
                          固、液混合物总重

  水样的固体重量比Cow在《浆体与粒状物料输送水利学》(费祥俊著,请华大学出版社1994年5月出版)中被定义为"重量比固体浓度",习惯用于输送工业浆体。本文简称为固体重量比,现场有时习惯称为泥沙重量比。

  一般情况下,当一个工作面的涌水量小于10m3/h,固体重量比Cow明显增大;涌水量大于80 m3/h,固体重量比Cow明显减小。在同一矿井,在具有标志性的煤层、岩层中大量采集水样,便可以得到该矿井涌水中固体颗粒含量的一般规律。再根据涌水、岩体的特性和破碎程度、松散颗粒遇水后的反应等进一步分析整理,便可以用来指导排水设计和排水管理。表1是从现场获得的一组综合数据。

表   1

项 目 

采 煤 工 作 面

掘 进 工 作 面 

采煤作业即将结束前

出岩作业即将结束前

固体重量比Cow 

0.83-5.48 %

0.41-9.62 %

2、离心泵磨损部位及磨损过程

2.1  多级离心泵的磨损部位

  目前,矿用多级离心泵磨损最严重的部位是平衡盘,然后依次是叶轮口环、盘根套、中段的轴孔衬套等。

  一般固体颗粒不会把泵体外壳磨穿,不会把叶轮外径磨小,也不会把叶片磨短。平衡盘磨损后变薄,使转子向电机方向(向前)的窜量超限,从而产生连锁损坏。叶轮口环和中段轴套磨损后,密封间隙变大,使离心泵出水不足或不出水,有时还拌 有强烈的震动。

2.2  平衡盘的磨损过程

  平衡盘有轴向端面跳动,泵体平衡板也有轴向端面跳动。平衡盘转动一周,会在转到某一角度时,局部出现轴向间隙的最大间隙或最小间隙 。平衡盘的平衡状态是动态的,泵的转子在某一平衡位置会前后作轴向脉动。工况点改变时,转子会自动移到新的平衡位置作轴向脉动。这种轴向端面跳动和轴向脉动叠加后,轴向间隙b0 便具有局部的动态最大间隙b0max 和最小间隙b0min 。

  假设:一个固体K的颗粒直径为A,已随着液体到达平衡盘前面的高压区,并且 b0max>A>b0min,则固体K将被液体从轴向最大间隙b0max附近裹进平衡盘的轴向间隙之内。当固体K刚刚跨进较小的距离S,平衡盘就转到轴向间隙b0小于A的位置,或者平衡盘正窜回到轴向间隙b0小于A的位置。这时,平衡盘将对固体K产生挤压,二者将发生相对运动。平衡盘端面会被固体K挤压出凹痕,会被刮削出凹槽,直到固体K被研碎。 如果这种规格的固体颗粒含量较高,就会以前仆后继之势,不断被裹进来,使平衡盘端面很快出现第一道环形沟槽。随着磨蚀的加剧,会在略大于第一道环形沟槽之外,相继出现第二道沟槽、第三道沟槽……

尽管如此,这时泵轴的窜量还没有发生明显改变,取出平衡盘可以看到这些环状沟槽大致是同心的 ,排列较整齐。与此同时,平衡板也出现相似的沟槽。

下面的现象值得注意:

  当另一个固体W的颗粒直径为B,也到达平衡盘高压区,并且  B≥b0max, 则固体W将被挡在平衡盘的高压区一侧。此时, 若大小不一的固体颗粒随着液体不断涌向平衡盘前面的高压区,粒径小于或等于A的固体颗粒会随着液流通过轴向间隙。粒径大于或等于B的固体颗粒会被隔在这里。我们称这种现象为"筛留现象"。

  当被"筛留"的固体颗粒达到一定数量,并且堵在轴向间隙的的入口处,会使液体压力升高,导致转子向后发生脉动,使轴向间隙瞬间加大。这时,这些大粒径固体颗粒乘机大量挤入平衡盘的轴向间隙,出现"强登陆现象"。若这种现象接连发生,可使平衡盘在较短的时间内被磨薄。

2.3 叶轮口环的磨损过程

  叶轮小装到泵轴上之后,其口环存在径向跳动;泵体口环孔也存在径向跳动。叶轮转动一周,会在转到某一角度时,局部出现口环径向间隙的最大间隙或最小间隙。转动的泵轴会弯曲变形,产生最大挠度。这种径向跳动与最大挠度叠加后,口环的径向间隙b 便有局部的动态最大间隙bmax 和最小间隙bmin 。同样,口环的密封表面也会被固体颗粒挤压、刮削出沟槽。然而,如果材料相同,由于口环的间隙不会象平衡盘那样出现"脉动"和固体颗粒"强登陆现象",所以,口环的磨损程度明显小于平衡盘 。这时,口环的磨损与平衡盘相比,不是主要矛盾。但是,应当注意,在取消平衡盘的多级泵中,口环的磨损将上升为主要矛盾,须认真对待。

3、清除排水管道底部的沉降物

排水管道,特别是单独借用的大口径永久管道的底部会沉降固体颗粒。这些径过反复水选沉降下来的固体颗粒比重较大,表面呈球形,比较圆滑。当上面所述的离心泵出水不足之后,流量下降,管道内流速减慢,会增加固体颗粒的沉降量。倘若离心泵流量减少到某一个临界值,这种沉降的固体颗粒会逆流而下,穿过阀门,充满泵腔,不消几十分钟,就会使这台水泵报废。我们可以在现场做试验,或在实验室做模拟试验,来验证这一现象。为此,要核算最小流量时管道内的流速值,一般应大于1m/s为提高流速,应优先选用直径较小的排水管。

  以排沙潜水泵的管道安装为例,可在离心泵出水管道上的逆止阀与闸阀之间管道上,或在管道底部的标高最低处接出一根 短管--除沙管。该除沙管用另外一个闸阀控制,当水中固体颗粒含量较多时,在井下就地排放。每次的排放量约0.2-0.3m3即可。这样,就可以及时清除排水管道内沉降的固体颗粒,可防止离心泵的意外磨损。

  经验表明,岩石掘进中,坚持在出岩作业期间定时排放泥沙,一般可延长离心泵的使用寿命3-10%左右,并且使退下来的水泵还有大修价值,或使大修更加容易。

在自动化排水中,同样应当增添定期清除排水管底部沉降物的辅助设备,若能配合采集水样,及时分析、整理资料,就可以制定出更科学的水泵使用维护办法,最大限度延长离心泵的寿命。当然,这一措施最好在设计阶段就已被采用。

4、取消平衡盘的排沙潜水泵

用多级清水离心泵直接输送含有固体颗粒的矿井水,主要矛已集中在轴向力的平衡上。因此,要延长水泵的使用寿命,取消平衡盘或取消平衡鼓,已成为必然趋势。

4.1 耐磨材料的选择

  根据不同用途,各类水泵零件采用不同的耐磨材料。清水泵为了长寿,耐磨材料是铜合金;排污泵起始于排纸浆,耐磨材料仅是普通铸铁。渣浆泵是单级泵,耐磨材料是高铬铸铁;某些在河里采沙的沙泵,耐磨材料是橡胶。可见,"耐磨材料"定义的范围很宽。

  研究开发多级排沙水泵,要对付的是有硬度、有棱有角的"沙",要研究沙在高压、高速的状态下对水泵磨蚀的规律。因此,选择"耐磨材料"就显得更加重要。

  下列零件的材料相同,按损坏程度由大向小的顺序排列:平衡盘、叶轮口环、盘根套、轴套、导叶、泵体、叶轮。由此,排沙水泵选择耐磨材料有了借鉴和依据,可从中获得如下提示:
  4.1.1 各种易损件应当使用硬度不同的优质材料。其中,容易磨损的采用硬度高的材料,不易磨损的零件用硬度低的材料。这样,既能防止出现薄弱环节,又可降低造价。
  4.1.2 取消要求材料硬度最高的平衡盘。把目前能够应用的硬度最高材料--钨钴硬质合金用在叶轮口环和轴套上,以获得最长的使用寿命,最佳的经济效益。

4.2 取消平衡盘办法之一--提高单级泵扬程,替代多级泵

  用提高单级泵的扬程来替代以往的两级、三级分段式多级泵,简单易行。

  1988年,用扬程70m,流量100 m3/h,功率37kw的单级双吸排沙潜水泵实现了这一愿望。该泵为第四纪流沙层疏干井设计,之后又用于冬季北方洗煤厂废水远方遥控循环利用(相距3km,用旧露天沉淀煤泥)。

  1989年,用扬程50m,流量12m3/h,允许通过固体颗粒直径10mm,功率仅4kw的单级单吸排沙潜水泵再次实现了这一愿望。从那时起,叶轮与泵体的内外口环均采用硬质合金制造。第一次替代多级离心泵在下山掘进工作面排水,"寿命提高5~8倍"(摘自该泵1991年部级《新产品鉴定证书》)。被替代的多级离心泵功率竟有40kw,它的高压水用来带动射流泵(俗称带泵、水抽子)在下山排水。 因此,这种小泵很快普及,并屡获大奖。

  全国范围不同地质条件的上百家煤矿经过十年的现场检验,证明这种排沙潜水泵的技术方案是可行的。

  目前,单级排沙潜水泵的品种、用途已大为扩展,如:
     ① 用在采煤工作面,技术参数可达到:扬程95m,流量168m3/h。
     ② 用在掘进工作面,技术参数可达到:扬程85m,流量158 m3/h。

 效率均可达到62.1%。电机功率75kw。

4.3 取消平衡盘办法之二--叶轮背靠背安装,抵消轴向力

  叶轮个数为偶数,每两个叶轮背靠背安装,相互抵消轴向力,是彻底取消平衡盘的好办法。

  1995年,用一种四级分段式多级排沙潜水泵实现了这一设想。这种泵,曾在甘肃一举恢复了一个被淹矿井。这个矿井地面透水,携带大西北地表泥沙涌入井下,多次用普通离心泵恢复,均未凑效。

  该泵技术参数:扬程200m,流量80m3/h,效率59.3%,功率185kw。如今,经过不懈的努力,又增添了多项实用技术,几乎对原设计做了脱胎换骨的改进。技术参数已修改为:扬程320m,流量80m3/h,功率185kw。

4.4 排沙潜水泵结构简介

  上述排沙潜水泵是立式的,可就地安放,也可吊挂安装。泵体与电机同轴,电机在上部,泵体在下部(下泵式)。

  排沙潜水泵结构的主要特征是:

a、电机安置在"空气室"中

  "空气室"象一个敞口的"茶杯"。 将"茶杯"的杯底朝上,杯口朝下,放入水中固定。这时,"杯"内的空气不会跑掉。预先将电机的定子、转子和上下轴承支座安放在"茶杯"内,再将电机轴从"杯"口向下伸出,这便是排沙潜水泵的电机模型。有了"空气室"的保护,电机的定子、转子、轴承和轴封都不会与水以及水中的泥沙、酸碱盐等有害物直接接触。因此,即便是潜入含大量泥沙的水中,电机也不会受到损害。另外,电机绕组用耐热环氧树脂浇注,将其固化,以便长期适应井下环境要求电机外壳被罩在"导水套"内,水泵排出的水,全部从电机与导水套之间流过,电机实现了"水外冷"。这样,排沙潜水泵可以露出水面工作。

  上述排沙潜水泵有单级单吸式、多级单吸式、单级双吸式三种形式,均省去了泵轴在泵体外壳上重要易损件--泵轴的轴封,这是因为:

① 单级单吸式的叶轮吸入口朝上,泵体下端面是封闭的。

② 多级单吸式的首级叶轮在最上方,首级叶轮吸入口朝上,泵体下端面是封闭的。

③ 单级双吸式的叶轮有上、下两个吸入口。

b、允许断水空转--不会对电机和泵体有丝毫损害。

  有水后,可继续排水,无须专人守侯。这一要求,来自煤矿一线,由煤科总院上海分院调研后提出,使得排沙潜水泵在设计之初就按着这一有价值的课题攻关,以其独特的结构,在第一台产品诞生时就实现了。出厂时,空转试验必须台台作,就连75kw、185kw也不列外。

  在煤矿正以现代化、机械化装备自己的今天,人们已开始设想排水自动化。需求"清水仓"的水泵,需求沿顶板掘进、在巷道低凹处自动排水的水泵,需求在爆炸危险环境使用的大型排沙潜水泵,等等,呼声越来越高。因此,"多级排沙水泵"的研究已受到广泛关注。自从排沙潜水泵问世以来,许多设计单位、大中型煤矿纷纷配合研究,大胆尝试,为这一新生事物作出了贡献。

  单级、多级"排沙潜水泵" 以及卧式多级"排沙离心泵"的结构、技术参数和现场反馈的信息等详细资料,今后将陆续向读者介绍。


 

 

 

 

 

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