水利工程地下泵站水泵結構及材料研究

李 娟

(山西省中部引黃水務開發(fā)有限公司，山西太原030000)

0 前言

中部引黃工程地下泵站水泵一期工程，水泵抽送的是黃河水，泥沙含量大，水泵型式確定為立式、單吸、單級蝸殼式離心泵，屬高揚程大容量泵組。

目前，高揚程大型離心泵的研制技術主要被少數(shù)國際大公司壟斷，國內有類似制造業(yè)績的廠家的工程實例不多，除哈爾濱電機廠成功自主研發(fā)了云南牛欄江滇池補水工程干河泵站的單級單吸高揚程大型離心泵外，尚無其他工程先例。因此，從國家重大裝備需求及技術創(chuàng)新的戰(zhàn)略高度出發(fā)，有必要開展高揚程、大容量立式單吸單級蝸殼式離心泵的水泵結構及材料研究。

1 工程概況

中部引黃工程自天橋水電站庫區(qū)取水，取水口位于天橋水電站左壩頭上游380 m處，取水泵站為地下泵站，布置七臺機組，一期安裝兩臺立式、單吸、單級蝸殼式離心泵，設計流量6.6 m3/s，額定轉速600 r/min，設計揚程200 m，屬高揚程大容量泵組。

2 水泵結構及材料要求

2.1 蝸殼

(1)水泵蝸殼應采用明設布置，其出口通過法蘭與出口延伸管段連接。

(2)蝸殼應采用耐泥沙磨損、可常溫焊接的、可焊性好的，性能不低于Q345R材料制造。設計時應考慮不少于5 mm的泥沙磨損腐蝕余量。蝸殼內表面應采用可修復的抗磨蝕涂層。

2.2 頂蓋

頂蓋應采用優(yōu)質(不低于Q235B性能)鋼板焊接結構，整體運輸。頂蓋外圓直徑應滿足在水泵葉輪芯包拆出情況下從水泵葉輪中拆吊孔吊出的要求。

2.3 座環(huán)及固定導葉

(1)座環(huán)及固定導葉是水泵重要的傳力受力部件和水泵出口水流進入蝸殼的導流部件。座環(huán)與蝸殼的連接應為可拆式結構，應滿足其過流表面泥沙磨蝕后便于修復。座環(huán)及固定導葉應采用抗空蝕抗磨損性能和焊接性能不低于0Cr16Ni5Mo(碳含量≤0.045%)超低碳不銹鋼材料制造。

(2)固定導葉可采用不銹鋼厚鋼板模壓或鍛造成型后數(shù)控加工，上下環(huán)板采用鍛造成型后數(shù)控加工，分別拋光成需要的尺寸，之后組焊。焊接時應做好防變形措施，焊后應按本鋼種的熱處理工藝規(guī)范和合理的防變形措施進行熱處理、消除焊接應力。

(3)座環(huán)及固定導葉應有足夠的強度和剛度。

(4)座環(huán)內上下過流表面和固定導葉過流表面(特別進口部位)應設置抗磨涂層保護。該涂層應具有優(yōu)良的抗泥沙磨損能力。

2.4 底環(huán)和基礎環(huán)

(1)當泵的主軸和電機軸解列時，葉輪和主軸向下放于底環(huán)支持法蘭上。底環(huán)由高強度優(yōu)質低合金鋼板(不低于Q345C)焊接而成。

(2)基礎環(huán)由鋼板焊接制成，基礎環(huán)與底環(huán)用螺栓連接。

(3)在與葉輪進口密封環(huán)對應的位置，為底環(huán)安置一個可替換的適當厚度的不銹鋼固定密封環(huán)，其硬度應低于葉輪密封環(huán)(動)至少40HB單位。

(4)底環(huán)內表面上應敷設不銹鋼抗磨板。

2.5 葉輪

(1)葉輪為單吸、單級、離心式。水泵葉輪應采用鑄焊結構。應滿足其過流表面泥沙磨蝕后便于修復。葉輪上、下蓋板應鍛造或鑄造(VOD精煉)成型后數(shù)控加工并拋光成需要的尺寸；葉片加工應采用“葉片模壓成型+數(shù)控加工”、“VOD精鑄+數(shù)控加工”兩種方式中的一種，以提高質量和精度。

(2)葉輪和水泵主軸的連接方式應考慮到采用芯包快速檢修更換葉輪的需要。并保證在任何運行工況、任何轉速包括最大反向飛逸轉速下均能安全運轉。

(3)葉片過流表面應光滑、型線應準確。

(4)葉輪設計應能承受水泵/電動機組的最大飛逸轉速。

(5)為便于維護葉輪和密封環(huán)，采用“方案”，即先拆卸中間軸，然后將葉輪芯包等從水泵層吊起，水平運輸至進水側球閥的吊物孔下方，再利用廠房橋式起重機從球閥吊物孔吊入(或吊出)進行修理和維護。

2.6 主軸和中間軸

(1)水泵電動機組為三段軸結構，包括水泵主軸、電動機軸及連接水泵主軸和電動機軸的中間軸。

(2)主軸、中間軸及其法蘭(如果有)的材質應采用性能不低于20Simn的材料整體鍛造。主軸、中間軸應具有相同的外徑。

(3)中間軸應具有足夠的長度以允許水泵整體芯包能夠中拆移出。

2.7 主軸密封

主軸密封包括工作密封和檢修密封。在主軸穿過頂蓋的部位應設置密封裝置。主軸密封的設計、材料選擇應充分考慮黃河泥沙的影響。

2.8 水泵導軸承

(1)導軸承采用稀油潤滑，其結構應可靠和便于檢修，在不拆除導軸承部件就能檢修、調整或更換主軸密封部件。(2)軸承的冷卻器管材料和結構應便于拆卸和檢修，具有足夠的熱交換容量并應能適應本工程以未經(jīng)處理的黃河含沙水流作為冷卻介質，具有防泥沙沉淀并便于清洗的特點。

2.9 水泵支承座及基礎

(1)水泵通過其支承座被安裝在預埋在混凝土中的基礎上，與水泵配套的電動機則安裝在水泵上方另一個單獨的混凝土底座上。

(2)支承座和水泵預埋基礎應采用可常溫焊接、可焊性好的優(yōu)質碳素鋼(不低于中國標準Q235C)制造，焊后不需要進行熱處理。

(3)水泵支承座應采用合理的結構型式，應盡可能拆裝方便，布置上應盡可能避開水泵進水管中心線，應保證水泵在各種運行和事故工況下，水泵支撐座和基礎預埋件結構的安全和可靠，不允許任何危害設備運行安全和廠房建筑物安全的現(xiàn)象產(chǎn)生。水泵預埋基礎須采用大體量型鋼結構保證受力安全。

2.10 進水管

(1)水泵進水管應為鋼板焊接結構，其型式應使水流流暢。進水管包括水平管段、漸變管(若有)和泵進水肘管。

(2)由于進水池設計水位828.58 m，最低運行水位827.10 m，進水池洞頂高程834.30 m，進水管中心線高程804.80 m，因此，進水管承受的最大靜水壓力為29.5 m，考慮事故停泵過渡過程中的進水管壓力升高和一定的安全系數(shù)，進水管設計壓力采用1.0 MPa。進水管水平管段及漸變管(若有)應采用優(yōu)質碳素鋼Q235B或相當于Q235B的材料制造并進行防腐處理。應具有足夠的強度和剛度。

(3)水泵進水肘管段(從與葉輪進口銜接斷面算起向下延伸至與漸變段相接斷面長度)應全部采用耐磨不銹鋼材料制造。

(4)在進水管水平管段45°側下方向上設直徑為Φ600 mm的外開式進人門。

2.11 蝸殼出口延伸管段

(1)將蝸殼出口延伸管段直徑由原設計值1.6 m變更為1.2 m，水泵出口閥直徑也由原1.6 m更改為1.2 m。本工程出水池設計水位為1027.0 m，水泵出口中心高程為808.50 m，水泵設計揚程達到200 m，為減少出水管作用在蝸殼上的反作用力，結合考慮蝸殼出口直徑，將蝸殼出口延伸管段直徑由原設計值1.6 m變更為1.2 m。由此，可減少反作用力F=ρgH×π/4×(1.62-1.22)=1723 kN。

(2)蝸殼出口擴散管段進水側通過法蘭與蝸殼出口連接，出水側通過法蘭與液壓球閥前的DN1200波紋伸縮節(jié)法蘭連接(伸縮節(jié)、連接法蘭對、螺栓、螺母、墊片等件隨閥門采購供貨)。延伸管段材料與蝸殼一致(性能不低于Q345R)，設計壓力采用3.0 MPa。

(3)為保證水泵整體受力安全，應根據(jù)泵站給出的現(xiàn)有布置條件，在水泵蝸殼出口的延伸管段上設置止推法蘭和可與延伸管段分離的金屬鋼鎮(zhèn)墩。鋼鎮(zhèn)墩與延伸管采用推力法蘭螺栓緊固，與基礎錨板采用焊接固定。

(4)延伸管應采用可常溫焊接、可焊性好的低合金壓力容器鋼板(不低于中國標準Q345R)制造，焊后不需要進行熱處理。鋼鎮(zhèn)墩應采用可常溫焊接、可焊性好的優(yōu)質碳素鋼制造(不低于中國標準Q235C)，焊后不需要進行熱處理。

(5)延伸管段和鋼鎮(zhèn)墩應能獨立承受最不利工況下作用在其上的各種力，以及滿足由此產(chǎn)生的結構應力、應變、變形、腐蝕等對其強度、剛度的要求。這些不利工況包括但不限于：水泵關閥啟動造壓過程、泵組正常停機過程、水泵電動機組在最大運行條件下突發(fā)斷電事故停機過程，以及泵站出水系統(tǒng)因溫差變形等產(chǎn)生的作用在延伸管段和鋼鎮(zhèn)墩上的所有力。

3 結論與建議

3.1 水泵結構

(1)為便于維護葉輪和密封環(huán)，建議水泵采用“中拆+下拆”方案。下拆部件主要包括水泵進口彎管、下導軸承、下主軸密封。為便于首級葉輪檢查與維護，宜具備下拆條件。

(2)為方便水泵安裝檢修及后期運行管理，建議水泵主軸采用柔性聯(lián)結，即水泵與電動機分設推力軸承，水泵通過中間軸與電動機軸采用彈性聯(lián)軸器聯(lián)結，水泵推力軸承布置在泵蓋上部。

(3)鑒于水泵主軸采用柔性聯(lián)結方式，為保證推力軸承可靠傳遞軸向推力，水泵采用“蝸殼+固定導葉”結構，蝸殼和固定導葉之間為可拆結構，蝸殼宜設有不可拆卸的固定導葉。為便于蝸殼及固定導葉在受到泥沙磨蝕后修復，蝸殼采用明設布置。蝸殼可采用鑄造或焊接結構。

3.2 水泵材料

水泵蝸殼及泵殼的壁厚應考慮至少5 mm的磨損余量。當內部做抗磨蝕涂層保護時，應便于修復。水泵的蝸殼及泵殼采用耐泥沙磨損、可常溫焊接、可焊性好、性能不低于Q345R的材料制造，可拆的座環(huán)(固定導葉)及級間導葉部件采用性能不低于0Cr13Ni5Mo馬氏體不銹鋼的材料制造。