鎖斗循環(huán)泵的改進(jìn)

孫韜

摘 要：鎖斗循環(huán)泵普遍存在葉輪、導(dǎo)葉、耐磨板等易損件壽命短，機(jī)封泄露，檢修頻繁等問題；一種新的葉輪設(shè)計方案可以減小液體流速，有效減少葉輪，導(dǎo)葉和耐磨板等過流部件的磨損，提高葉輪等零件壽命，增強(qiáng)機(jī)組可靠性對整個氣化裝置的可靠運(yùn)行具有重要意義。

關(guān)鍵詞：鎖斗循環(huán)泵；背葉片；軸向力；密封腔壓力

中圖分類號：U173.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）23-0123-03

Abstract： There are many problems in the lock bucket circulating pump， such as short life of the vane， guide vane， wear-resistant plate， leakage of seal， frequent maintenance， etc. A new impeller design scheme can reduce the flow rate of liquid and effectively reduce the impeller. The wear and tear of guide vane and wear-resistant plate， prolonging the life of impeller and other parts， and enhancing the reliability of the unit are of great significance to the reliable operation of the whole gasifier.

Keywords： lock bucket circulating pump； back vane； axial force； seal cavity pressure

在德士古工藝氣化裝置中，鎖斗循環(huán)泵是氣化爐可靠、高效運(yùn)行的重要設(shè)備。它的作用是將鎖斗上部的灰水泵送到氣化爐底部，然后將灰渣沖入鎖斗中。鎖斗循環(huán)泵通常采用OH2結(jié)構(gòu)形式，單級單吸臥式離心泵。泵進(jìn)料中灰渣最大含量為5%，并含有NH3、CO2、H2S和CL-。由于介質(zhì)中固體顆粒含量高，對過流部件的磨蝕非常嚴(yán)重，葉輪、導(dǎo)葉、耐磨板及機(jī)封等易損件的壽命都很短，通常小于6000小時，遠(yuǎn)低于API610的要求。

如圖1所示結(jié)構(gòu)的鎖斗循環(huán)泵，參數(shù)如下：流量Q=70m3/h；揚(yáng)程H=62m，轉(zhuǎn)速n=2980rpm。

半開式葉輪，徑向?qū)~，環(huán)形蝸殼；葉輪、導(dǎo)葉采用Ni-Hard材料。經(jīng)過2000小時的運(yùn)轉(zhuǎn)，泵性能下降較大，葉輪、導(dǎo)葉和耐磨板磨蝕嚴(yán)重，葉輪出口葉片厚度損失超過2mm，并存在斷裂現(xiàn)象（見圖2）。導(dǎo)葉片進(jìn)口邊中部出現(xiàn)V型缺口，兩邊的蓋板上出現(xiàn)沖蝕坑。同時機(jī)械密封泄露嚴(yán)重。

分析失效原因，除零件本身存在一些質(zhì)量問題，主要原因為含固體顆粒的液流磨蝕和腐蝕開裂。

我們從以下幾個方面進(jìn)行分析及改進(jìn)：

（1）改善葉輪、導(dǎo)葉等材料的綜合性能。Ni-Hard為耐磨材料，硬度大于55HRC，零件在熱處理中容易產(chǎn)生裂紋，在沖擊和腐蝕等作用下容易破裂，影響使用壽命。要提高韌性，控制裂紋，通常需要降低零件硬度，然而降低硬度又會降低耐磨性。在材料熱處理中要平衡韌性和硬度，盡量減少微觀裂紋的產(chǎn)生。

（2）從結(jié)構(gòu)上增強(qiáng)零件強(qiáng)度。葉輪改為閉式葉輪，實踐證明在應(yīng)對固體顆粒介質(zhì)時，閉式葉輪不比開式葉輪差，同時由于前后蓋板對葉片的加強(qiáng)作用，葉片的強(qiáng)度大大提高。

（3）減小葉輪導(dǎo)葉受到的沖擊。增加葉輪外徑與導(dǎo)葉基圓間的間隙，原來間隙為1.5mm，增大間隙至9mm，可以減小葉輪出口的壓力脈動，減小液流對葉輪出口和導(dǎo)葉進(jìn)口的沖擊。同時可以減小泵的振動和噪音。對機(jī)封的壽命有積極的影響。

（4）減小液流中顆粒對零件的磨損。解決磨損的兩個關(guān)鍵措施是提高耐磨性和減小磨損。零件選用的材質(zhì)硬度已經(jīng)很高，耐磨性提高空間有限。減小磨損主要通過降低介質(zhì)顆粒含量和降低流速。降低顆粒含量需要用戶在氣化工藝及介質(zhì)處理上做改進(jìn)，泵上能做的是降低液體流速。通過適當(dāng)增加葉輪出口寬度和導(dǎo)葉流道寬度，降低介質(zhì)流速以減小對葉輪、導(dǎo)葉和耐磨板的沖涮。

（5）對機(jī)封壽命的改善主要通過改善機(jī)封的工作環(huán)境。如降低機(jī)封腔壓力，溫度等。由于已經(jīng)配有泵蓋水冷腔及plan32沖洗，現(xiàn)在能做的就是降低機(jī)封腔壓力。通過設(shè)置葉輪背葉片可以降低機(jī)封腔壓力，同時背葉片能驅(qū)使顆粒向葉輪的出口移動，減少機(jī)封腔顆粒濃度，從而增加機(jī)械密封壽命。由于該泵為高壓泵，泵進(jìn)口壓力6.5Mpa。作用在輪轂上指向軸承箱的軸向力高達(dá)18500N，閉式葉輪有一個大約4000N的軸向力指向泵進(jìn)口，這樣總軸向力可以減少至約14500N。而葉輪背葉片的存在將減少葉輪后蓋板區(qū)域的壓力，使得指向葉輪進(jìn)口的軸向力減少65%以上。在進(jìn)口壓力為大氣壓時，背葉片可以使軸向力減小。而對高壓泵，軸頭承受的軸向力與葉輪產(chǎn)生的軸向力相反，并且遠(yuǎn)大于葉輪產(chǎn)生的軸向力，葉輪產(chǎn)生的軸向力正好可以抵消部分軸向力，由于降低了葉輪產(chǎn)生的軸向力，使得總軸向力反而提高了，這對軸承不利。這里我們可以通過在前蓋板增設(shè)背葉片抵消部分軸向力。

以上改進(jìn)措施只改變導(dǎo)葉和葉輪，其余不變，成本較低。該方案解決了開式葉輪葉片容易斷裂的問題，過流部件的磨損得到改善。葉輪、導(dǎo)葉壽命得到提高。但是磨損依然嚴(yán)重，壽命仍不盡人意。

要有效降低磨損就需要降低流速。上述改進(jìn)中的第（4）點(diǎn)增加葉輪出口寬度和導(dǎo)葉流道寬度可以減小軸面速度，而圓周分速度并沒有減小。以上述方案中的閉式葉輪為例，葉輪幾何參數(shù)如下：

葉輪外徑D2=235mm

葉輪出口寬度b2=11mm

出口處的軸面速度：

估算容積效率：ηv=0.96；根據(jù)設(shè)計參數(shù)計算得葉輪出口排擠系數(shù)ψ2=0.83；代入上式得：

圓周速度：

由此可見軸面速度的減少對減小絕對速度的幫助有限。要想有效減少磨損，就需要降低U2。在離心泵中可以近似的認(rèn)為泵的揚(yáng)程等于葉輪出口的速度能，它們的關(guān)系可以用下式表示：

在葉輪揚(yáng)程不變的情況下，U2就無法減小，比如降低了轉(zhuǎn)速，就需要增加葉輪外徑；反之減小了葉輪外徑就需要增加轉(zhuǎn)速。而U2則保持不變。要減小U2就必須減小揚(yáng)程H，要保持泵的總揚(yáng)程不變，可以通過增加葉輪級數(shù)實現(xiàn)。如此泵改為兩級結(jié)構(gòu)，則單級葉輪揚(yáng)程減半，U2大約為26m/s；液流中固體顆粒的動能減半，理論上對過流部件的磨損也將大大減小。