350S-75型水泵斷軸事故分析及節(jié)能技術改造探討

宋儒將

（1.大冶有色金屬集團控股有限公司；2.湖北省有色金屬資源開發(fā)與綜合利用工程技術研究中心，湖北 黃石 435005）

1 概況

大冶有色金屬公司2009年啟動銅冶煉節(jié)能減排改造工程，是國家“十一五”節(jié)能減排項目和湖北省重點節(jié)能減排項目,2010年底建成投產，粗銅生產能力達到每年30 萬噸。該工程采用澳斯麥特爐熔煉工藝，配套3 臺350S-75 型供水泵，其主要設計參數(shù)為：Q=1260m3/h，H=75m，η=85%，n=1450r/min，工藝配置見圖1。系統(tǒng)采用兩級提升的供水方式，設有熱水提升泵。當供水泵水量過大，超出熱水提升泵水量時，系統(tǒng)將由熱水池向外溢流。投產運行半年后，1#供水泵發(fā)生主軸斷裂事故。

圖1 澳爐供水原理圖

2 原因分析

2.1 斷口分析

供水泵結構如圖2，為單級雙吸離心泵。斷裂點位于水泵端聯(lián)軸器處，斷口處如圖3，斷口呈現(xiàn)出橫向整體斷裂，而斷裂發(fā)生在動力輸入端的關鍵受載部位，所以按軸的的失效判據應判為斷裂失效。由軸斷口一側的宏觀照片可知，斷口為疲勞斷裂，其宏觀特征為為斷口上有明顯的塑變，其微觀特征為由大量正交韌窩組成，未見明顯脆性斷裂特征，進一步進行材質分析后排除材質缺陷造成斷裂。

圖2 水泵結構圖

圖3 主軸斷裂截面圖

2.2 主軸強度校核

已知電動機功率400kW，電動機轉速1480r/min，可算得電動機輸出轉矩T=9550×P/n=2581.08N.m；斷裂處軸徑65mm,軸的材質為45 鋼，經調質處理，查表得扭轉疲勞極限為155MPa，由軸的強度計算公式校核后排除主軸設計缺陷造成斷裂原因。

式中，d 為軸的直徑，mm；[τT]為扭轉疲勞極限，MPa。

2.3 水泵設計參數(shù)與水系統(tǒng)匹配性分析

該泵葉輪出口直徑為φ503mm，投運后運行電流偏大造成泵組跳車，為滿足運行要求，采用關小水泵排出側閥門開度的方式，調整供水量接近設計值，運行參數(shù)見表1。

表1 澳爐供水泵運行紀錄

由表1 數(shù)據可知，排出側閥門全開時泵的工作點遠離額定點，即QS遠大于1.2QSP。臨時只能通過關小排出側閘門開度(關至25%～30%)來降低運行電流，但此時大量的能量消耗在克服被關小的閥門的阻力上，極不經濟，且容易發(fā)生汽蝕。

由水泵設計參數(shù)可知，在達到1260m3/h 額定工況狀態(tài)下運行時，泵的軸功率應為：

N1=Q×H×9.81×r/(3600×η)=302.95kW

式中，Q 為額定流量，1260m3/h；H 為揚程，75m；r 為介質比重，這里是清水，取1.0(103kg/m3)；η 為效率，85%。

該水泵按標準性能表應選配電動機功率為355kW，但現(xiàn)場實際配套電動機額定功率為400kW，額定電壓10kV，額定轉速1483r/min。經計算，

N2=(√3×COSφ×U×I)/1000=1.732×0.9×10000×23/1000=358.48kW（按電度表顯示與此值比較接近，約360Kw·h），此時的實際軸功率遠大于設計軸功率，此為主軸發(fā)生斷裂的主要原因。

COSφ 為功率因數(shù)，取0.9；U 為電壓，10000V；I 為電流，A。

將電機實際輸出功率值及實際流量、揚程值代入公式1，可知水泵目前實際運行效率僅約為69%，遠未達到設計效率，由此判定水泵設計參數(shù)與循環(huán)水系統(tǒng)匹配不當，實際運行工況遠偏離于設計工況，存在較大能耗浪費。

3 改造方案

采用切割葉輪但方法來實現(xiàn)修正水泵性能參數(shù)，從而匹配循環(huán)水系統(tǒng)。車削葉輪的方法使泵在D1及D2min對應的H-Q 線所圍成的帶形區(qū)中任意點工作，但考慮到運轉時的經濟性，泵工作時的效率降低應不超過該泵最高效率的7%，因此泵在上述帶形區(qū)域內，只有被兩根η（差）=0.93ηmax的等效曲線所圍成的扇形面積ABCD 中即切割高效區(qū)工作才好（見圖4）。

圖4 離心泵的切割高效區(qū)

結合泵廠所提供的S 型泵特性曲線型譜圖（見圖5）初步整定D2 為480mm。應該注意的是為防止理論計算性能與期望值有偏差，進行切割計算時最好用二分法切割計算，參照水泵的效率等特性離工況點相差不遠時，進行多次切割試驗找出合適的外徑尺寸。

圖5 350S-75 型泵型譜圖

4 改造效益分析

澳斯麥特爐供水泵改造后于2012年4月投入運行，再未出現(xiàn)主軸斷裂情況，運行情況正常，電機運行電流為21～22A 左右。改造泵在滿足生產的前提下，由于可全開排除側閥門運行，減少了局部阻力損失提高了運行效率，電動機電流下降，即耗電量降低，按滿足生產需要的前提下澳爐供水泵效率能提高10%的保守估計，則全年可節(jié)電567832kW·h，按電價1.32 元/kW·h 計算全年可節(jié)約電費70 余萬元。

另外，改造后泵軸的輸出功率降低，承受的扭矩減小，有利于提高泵軸及電機的使用壽命，提高了澳爐供水系統(tǒng)運行的可靠性。

5 結語

國內冶化系統(tǒng)新投產改造工程由于工期緊，給排水專業(yè)設計人員與與工藝專業(yè)溝通不夠密切，室外管線未做詳細配置，加上設計人員選定各級計算公式中的系數(shù)、常數(shù)時出于保守的心理，在設備選型階段將設備的裕量往往選的過大，若我們工程技術人員在后期的生產實踐中通過不斷摸索對此類設備設法降低能耗，定能取得一定的經濟效益。