鋼板焊接葉輪口緣及鑄鋼密封環(huán)鑲鋼圈技術(shù)的研究與應(yīng)用

郭麗萍 寧夏固海揚(yáng)水管理處 寧夏 中寧 755100

鋼板焊接葉輪口緣及鑄鋼密封環(huán)鑲鋼圈技術(shù)的研究與應(yīng)用

郭麗萍 寧夏固海揚(yáng)水管理處 寧夏 中寧 755100

針對(duì)揚(yáng)黃流域水泵鋼板焊接葉輪口緣及配套的鑄鋼密封環(huán)配合部位磨蝕嚴(yán)重，使用壽命短，水泵效率下降快的突出問(wèn)題，對(duì)上述部位進(jìn)行了鑲鋼圈技術(shù)的試驗(yàn)，從應(yīng)用效果來(lái)看，該項(xiàng)技術(shù)實(shí)用性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了水泵的高效運(yùn)行和報(bào)廢部件的再利用。

水泵；葉輪；密封環(huán)；鑲鋼圈；技術(shù)

一、固海揚(yáng)水工程基本情況

固海揚(yáng)水工程從水源分，包括直接從黃河取水的原固海揚(yáng)水工程、從衛(wèi)寧灌區(qū)七星渠取水的同心揚(yáng)水工程和世行擴(kuò)灌三部分組成部分。同心揚(yáng)水工程于1978年建成，固海揚(yáng)水工程于1986年建成，1982年2月兩灌區(qū)合并為現(xiàn)固海揚(yáng)水工程，1988年利用世行貸款進(jìn)行了部分?jǐn)U建，1993年完成。目前共建投入運(yùn)行泵站21座 (其中李旺泵站未投運(yùn))，變電所15座，安裝(投運(yùn))主機(jī)組151臺(tái)（套），裝機(jī)總?cè)萘?01425KW，總揚(yáng)程382.47m，凈揚(yáng)程342. 74m，設(shè)計(jì)流量28.5m3/s，干渠總長(zhǎng)286km。

固海揚(yáng)水工程70%的主水泵都是70年代生產(chǎn)的產(chǎn)品，建設(shè)時(shí)由于水泵種類少，一些泵站水泵選型不合適，其本身性能較差，加之經(jīng)過(guò)31年時(shí)間的運(yùn)行，老化嚴(yán)重，超期服役現(xiàn)象突出。我處早期安裝使用的都是鑄鐵葉輪及密封環(huán)，水泵過(guò)流部件使用壽命短，平均運(yùn)行時(shí)數(shù)不超過(guò)3000小時(shí)，隨著鋼板焊接葉輪技術(shù)的應(yīng)用，鋼板焊接葉輪已逐漸經(jīng)成為黃河中上游揚(yáng)黃泵站水泵葉輪的主體。但隨之也出現(xiàn)了新的研究課題：鋼板葉輪進(jìn)、出水葉片、蓋板等部位空蝕、磨損慢，而口緣磨損快，口緣尺寸超標(biāo)致使容積損失增大，是導(dǎo)致水泵運(yùn)行效率降低，流量下降的主要原因，口緣這個(gè)部位成了決定葉輪壽命的關(guān)鍵。我處泵站每年4月份上水前大修的水泵，運(yùn)行到8月份秋灌結(jié)束時(shí)，運(yùn)行時(shí)數(shù)僅3000小時(shí)左右，因水泵葉輪與密封環(huán)配合間隙增大，泄漏損失增加，水泵平均單機(jī)提水量下降6.3%左右，裝置效率下降3%左右，在影響泵站安全、高效運(yùn)行的同時(shí)，增加了機(jī)電設(shè)備維修費(fèi)及檢修人員工作量。同時(shí)，每年8月份正值灌溉高峰期，3月份投運(yùn)的機(jī)組在不間斷運(yùn)行4個(gè)月后，機(jī)組狀況已屬?gòu)?qiáng)弩之末，流量下滑快，即使是滿負(fù)荷運(yùn)行也達(dá)不到供水要求，供需矛盾十分突出，嚴(yán)重影響了灌區(qū)的正常灌溉和社會(huì)穩(wěn)定。

二、試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：由于葉輪蓋板形狀的不同，在葉輪口緣靠蓋板側(cè)沿圓周有一圈3-6mm深、6mm寬、呈“〇”狀磨蝕帶或沿軸向呈一道道深淺不一的溝槽。各種型號(hào)的葉輪，在使用4000-5000小時(shí)以后，口緣單邊平均磨損量在2mm左右，而葉輪其他部位僅有較少的小坑洞或溝槽，外形及尺寸基本完好。因此，開(kāi)展研究和試驗(yàn)工作，延長(zhǎng)鋼板焊接葉輪口緣壽命，使之與其他部位的磨蝕保持同步，進(jìn)而起到延長(zhǎng)整個(gè)葉輪壽命和穩(wěn)定水泵效率的作用，具有十分重要的意義。

1、其他技術(shù)的試驗(yàn)情況

2003年3月份與上?？颠_(dá)公司、天津中科表面工程公司合作，開(kāi)始在24sh-13型水泵、32sh-19型水泵鋼板葉輪口緣上進(jìn)行各種非金屬材料涂護(hù)試驗(yàn)和堆焊修復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果并不理想，原因是這幾種工藝存在著以下弊病，修復(fù)或防護(hù)效果并不顯著：

（1）涂護(hù)工藝中，非金屬涂層與金屬基體結(jié)合強(qiáng)度低(一般小于25MPa)，涂層容易從基體上脫落。涂層一旦脫落，不僅起不到抗磨蝕效果，還增加了葉輪口緣與密封環(huán)之間的摩擦，增加了功率損失；

（2）涂護(hù)工藝條件要求非常高，批量生產(chǎn)質(zhì)量難以保證，且涂護(hù)完全由手工操作，一次成型，不能進(jìn)行精加工，難以保證口緣或密封環(huán)配合尺寸；

（3）非金屬?gòu)?fù)合材料涂護(hù)成本較高；

（4）堆焊工藝使葉輪口緣、蓋板變形嚴(yán)重，影響進(jìn)、出水葉片型線，且耗費(fèi)工時(shí)，效率低。以堆焊修復(fù)一只32寸水泵葉輪口緣為例，需要一個(gè)熟練焊工3個(gè)工作日才能施焊完畢。我處平均每年需要堆焊修復(fù)的鋼板葉輪30臺(tái)左右，而各泵站檢修時(shí)間短，往往因?yàn)槿~輪不能及時(shí)補(bǔ)焊完畢而影響正常檢修進(jìn)度，增加成本。

2、鋼板焊接葉輪口緣及鑄鋼密封環(huán)鑲鋼圈技術(shù)試驗(yàn)情況

2004年3月，提出了在葉輪口緣與密封環(huán)之間增裝承磨環(huán)的構(gòu)想。首先進(jìn)行基體與鋼圈基本尺寸的確定，對(duì)安裝數(shù)量較多的3種水泵葉輪口緣及2種密封環(huán)磨（報(bào)廢件）損量統(tǒng)計(jì)分析，80%的統(tǒng)計(jì)對(duì)象在運(yùn)行2個(gè)灌季（6500小時(shí)）以后，單邊磨損量集中在5-7mm之間，預(yù)留2mm的加工及尺寸調(diào)節(jié)余量，將承磨環(huán)的厚度確定為10mm，這樣可以最大程度的避免浪費(fèi)材料。而承磨環(huán)的材料，采用Q235優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其性能完全滿足使用要求。實(shí)際應(yīng)用表明，選用優(yōu)質(zhì)的承磨材料加上這種先進(jìn)工藝方法制作的承磨層，運(yùn)行3000小時(shí)后檢查，單邊平均磨損量1mm，5000小時(shí)后減小2mm，并且破壞面相對(duì)均勻，鋼圈口緣使用壽命可以滿足一至二個(gè)灌季運(yùn)行的需要。也就是說(shuō)，葉輪的破壞口緣鑲嵌鋼圈后，還可以使用3500-5000小時(shí)，若葉輪其他部位良好，可重復(fù)鑲鋼圈。例如，在我處羚羊寺、唐圈、田營(yíng)等泵站安裝的24sh-13型葉輪，有4臺(tái)水泵鋼板焊接葉輪運(yùn)行時(shí)數(shù)達(dá)到2萬(wàn)小時(shí)，最長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間已達(dá)3萬(wàn)小時(shí)，口緣已經(jīng)重復(fù)鑲鋼圈3次，目前還在繼續(xù)使用；大柳木泵站自2003年陸續(xù)安裝鋼板焊接葉輪以來(lái)，15臺(tái)水泵目前已經(jīng)有12臺(tái)通過(guò)鑲鋼圈，使葉輪運(yùn)行時(shí)數(shù)超過(guò)13000小時(shí)，至今沒(méi)有進(jìn)行過(guò)大修（更換葉輪）。

三、實(shí)施工藝

1、 原理

將Q235鋼板卷制的鋼圈鑲嵌到磨損量很大的鋼板焊接（鑄鋼）葉輪口緣外圓和密封環(huán)內(nèi)圓上，鋼圈在葉輪口緣和裝配的密封環(huán)之間起“承磨環(huán)”的作用，達(dá)到保護(hù)基體以及修復(fù)報(bào)廢工件的雙重作用。

2、加工尺寸及要求

我單位安裝臥式離心泵鋼板焊接葉輪共10種，對(duì)應(yīng)的鑄鋼密封環(huán)10種，我們?cè)诎惭b數(shù)量多的3種葉輪和2種密封環(huán)上應(yīng)用這項(xiàng)鑲鋼圈抗磨技術(shù)，各型號(hào)工件加工尺寸見(jiàn)表3-2

3、 工藝流程圖

4、工藝要點(diǎn)

(1)鋼圈與工件采用過(guò)盈配合，要求鋼圈與工件裝配的表面粗糙度達(dá)到12.5，橢圓度小于0.5mm。

(2)為保證焊接強(qiáng)度滿足要求，鋼圈與工件施焊部位須開(kāi)“V”型坡口。

(3)進(jìn)行鋼圈鑲套時(shí)，若冷裝困難，可采取熱裝工藝，加熱溫度不超過(guò)350℃。

工藝流程圖

(4)對(duì)已經(jīng)鑲過(guò)鋼圈的工件進(jìn)行第二次、第三次……鑲鋼圈時(shí)，必須將原鑲裝鋼圈層全部車削去除，以保證鑲裝后的強(qiáng)度。

我單位采用：一批次車削待加工工件→用電烘箱加熱全部鋼圈→一批次鑲裝鋼圈→一批次施焊→自然冷卻→備用(按不同裝配尺寸隨用隨時(shí)車削加工)。各工序流水加工，效率非常高。

四、經(jīng)濟(jì)效益分析

鋼板焊接葉輪配裝鑄鋼密封環(huán)，大修標(biāo)準(zhǔn)是葉輪口緣與密封環(huán)單邊間隙大于2mm。按照各型號(hào)水泵葉輪及密封環(huán)每年平均鑲裝鋼圈數(shù)量，對(duì)鑲鋼圈技術(shù)應(yīng)用以來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行核算和對(duì)比(報(bào)廢舊件殘值不計(jì))，自2006年至2009年，平均每年就可節(jié)約配件費(fèi)148144元，四年累計(jì)節(jié)約機(jī)電維修費(fèi)592576元。

表4-1 鋼板焊接葉輪口緣鑲鋼圈技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析表

表4-2 鑄鋼密封環(huán)鑲鋼圈技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析表

通過(guò)應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，固海揚(yáng)水工程水泵運(yùn)行效率明顯提高，全處能源單耗由2005年4.74kwh/ktm降低到2009年4. 68kwh/ktm，降低了0.06個(gè)點(diǎn)，累計(jì)節(jié)約電費(fèi)支出100萬(wàn)元，平均每年節(jié)約電費(fèi)支出25萬(wàn)元。

五、結(jié)論

1、應(yīng)用葉輪口緣鑲鋼圈技術(shù)，使單個(gè)鋼板焊接(鑄鋼)葉輪維修時(shí)間縮短為1/20，實(shí)現(xiàn)了鋼質(zhì)葉輪修復(fù)工藝的跨越，在使用鋼板焊接葉輪的揚(yáng)水泵站，是首次應(yīng)用該技術(shù)。

2、密封環(huán)鑲鋼圈技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了報(bào)廢密封環(huán)再利用的目的。在水利行業(yè)，對(duì)于密封環(huán)這個(gè)易損進(jìn)流部件，都是一次性使用，內(nèi)徑尺寸超標(biāo)后只能報(bào)廢，更換新密封環(huán)，還沒(méi)有成型的修復(fù)技術(shù)，而這項(xiàng)技術(shù)成功解決了該難題。鑲鋼圈技術(shù)在我處泵站水泵上的成功應(yīng)用，表明這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于解決鋼板焊接(鑄鋼)葉輪及鑄鋼密封環(huán)磨蝕問(wèn)題是有特效的。這項(xiàng)技術(shù)不能替代其他的修復(fù)工藝技術(shù)，但它自身的特點(diǎn)也是其他的工藝技術(shù)不能夠代替的：①施工設(shè)備及工藝簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)鋼了板焊接葉輪、鑄鋼密封環(huán)的多次重復(fù)使用，延長(zhǎng)葉輪、密封環(huán)使用壽命增長(zhǎng)1～4倍；②可以和磨蝕尺寸不同的密封環(huán)或葉輪裝配，實(shí)現(xiàn)靈活的互換裝配，最大程度的延長(zhǎng)了與之裝配葉輪或密封環(huán)的更換周期；③維修成本低。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.18.041

郭麗萍，女，1973年3月生，1991年參加工作，大專文化程度，機(jī)電助理工程師，現(xiàn)任固海揚(yáng)水管理處總工辦技術(shù)員。