黃河小北干流水泵選型要點探討

孫耀民

(運城市尊村引黃灌溉服務中心，運城 044000)

0 引 言

水泵是泵站的主要機器設備，其選型至關重要，尤其是水泵轉速、葉片數量、葉輪材質、口環型式、泵體重量等合理與否直接關系到泵站能否安全可靠運行，并關系到工程效益、供排水能耗及成本等。通常情況下，水泵選型要滿足泵站設計流量、不同時期排水要求等，盡可能按照水泵高效區范圍，實際運行工作點位于高效區，并接近水泵最優運行工作點[1-4]。但在選型中對于水泵運行環境考慮較少，特別是黃河小北干流河段，水源中泥沙含量高、硬度高，而且柴草多，且變化異常，導致水泵磨蝕和堵塞嚴重，從而嚴重影響水泵的使用壽命及效率，文章根據黃河小北干流多泥沙泵站運行實際情況，從水泵轉速、葉片數量、葉輪材質、口環型式、泵體重量等方面分析探討了減緩或避免離心泵泥沙磨蝕問題。

1 水泵選型對轉速的要求

1.1 盡可能降低水泵轉速

由于黃河水質泥沙含量較大，以龍門水文控制站測量結果為例，年均26.2kg/m3，汛期高達98.6kg/m3，泥沙中90%以上的成分是硬度高、顆粒細的石英和長石，對水泵過流部件磨損嚴重[5-7]。《泵站技術管理規程》(GB/T 30948—2014)規定主水泵檢修周期為3-5a或運行2500-15000h，含沙水質適當提前。黃河流域上某多泥沙泵站，在改造前，離心泵運行3000h葉輪磨損嚴重，就需要大修更換葉輪及口環等部件，大大增加了運行成本和維護工作量。

當水泵轉速較高時運行效率高，耗能降低，但弊端是水力效率降低，磨損嚴重，水泵使用壽命縮短，設備檢修費用增大，泵站的整體效益受損。高轉速運行節約的電費，遠低于泵站壽命和效益損失值[8]。

SN800型離心泵性能參數，見表1。

表1 SN800型離心泵性能參數

由表1可以看出，低轉速水泵與高轉速水泵相比，允許汽蝕余量較小，抗汽蝕性能好，過流部件磨損程度相對減小。因此，對于多泥沙泵站而言，降低轉速可以減少磨損，提高使用壽命。另外，由表1可知，相同性能參數條件下，低轉速泵的比轉數更小。一般地說，低比轉數泵高效區范圍更寬，低轉速泵的高效區范圍寬泛，更加適合揚程變化較大的泵站[9-10]。

600S型離心泵性能參數，見表2。

表2 600S型離心泵性能參數

由表2對比看出，水泵轉速降低后，流量、揚程等性能參數無法滿足要求，可以通過增加水泵級數來彌補，即600S75J型采用兩級葉輪可滿足泵站流量和揚程要求。

1.2 降低轉速的途徑

1.2.1 增大葉輪直徑

v2=2gH

(1)

(2)

式中：D2為葉輪外徑；n為水泵轉速；v為流速。

由式(1)可知，在揚程確定時，流速不變；根據式(2)可知，葉輪外徑D2和轉速n成反比。在揚程、流量不變的前提下，離心泵比轉數(一般為60-180之間)在允許的范圍內調整水泵轉速與葉輪直徑，因葉輪出口切線速度不變，增大葉輪直徑可以有效降低轉速[11-12]。

1.2.2 采用變頻拖動

在變頻拖動的水泵中，頻率的高低決定了電機的轉速，也就是水泵的轉速。對于同一臺水泵來說，當葉輪直徑不變，改變轉速時，其性能的變化規律如式(4)、(5)、(6)。

Q1/Q2=n1/n2

(4)

H1/H2=(n1/n2)2

(5)

P1/P2=(n1/n2)3

(6)

式中：Q1，H1，P1為轉速n1時的流量、揚程和軸功率；Q2，H2，P2為轉速n2時的流量、揚程和軸功率。

轉速降低時，流量、揚程和軸功率均有不同程度減小，對軸功率影響成三次方正比。

對于長距離管道輸水的泵站，特別是管道上連接灌溉支管時，采用變頻拖動方式最為有利。管道中途分水，可降低水泵揚程，按照水泵性能曲線流量與軸功率關系可知，流量增大，軸功率增大；若采用變頻降速的方式，根據式(6)，轉速減小，軸功率減小，有利于節能降耗。

1.2.3 采用兩級或多級葉輪

為了延長水泵使用壽命，多級泵的內部結構成為選型的一個重要制約因素。其中，泵站使用的多級泵一般分為3種：蝸殼式單吸單級泵、蝸殼式雙吸多級泵、雙進口蝸殼式多級泵。

蝸殼式單吸多級泵與蝸殼式雙吸多級泵相比，有以下3點不同：①它們的葉輪結構形式不同，前者為單吸，后者為雙吸；②軸向力平衡原理略有不同，前者為一個“背靠背”平衡方式，后者因是兩個雙吸葉輪，可看做兩個“背靠背”平衡方式；③二者的汽蝕余量不同。當兩臺泵的比轉數、轉速、流量相同時，若前者氣蝕余量為△&,則后者為0.63Ahro。即：蝸殼式雙吸多級泵的氣蝕性能優于蝸殼式單吸多級泵。值得注意的是，兩種泵的內部結構形式是相同的，即隔板間的間隙泄流量都是流過一級葉輪的。

需要特別說明的是，設計工況運行時，水泵的軸向力為零。 制造商考慮到加工誤差以及流態變化，“背靠背”或“面對面” 裝設兩盤角軸承。水泵在實際運行中，往往由于單邊柴草堵塞而出現較大的軸向力。水泵改造時，若未考慮實際工況，往往會造成推力軸承因承載能力欠缺而損壞。此點應引起用戶及制造商的高度重視。

2 從水泵設計結構要求

2.1 葉輪材質選擇

水泵葉輪常用的金屬材料有鑄鐵、鑄鋼和不銹鋼等，從使用情況來看，鑄鐵和鑄鋼存在氣孔、砂眼等鑄造缺陷，使用中極易誘發汽蝕、漩渦等，抗磨蝕性能較差；不銹鋼的抗汽蝕性能好，但它的抗磨損性能與普通碳鋼相當，而且造價高，因此使用不銹鋼制造葉輪不經濟。對于多泥沙離心泵較多地是采用鑄鋼葉輪并涂敷耐磨防護層，鑄鋼材料一般選用20#-35#鋼，防護涂層一般選用Ni60合金涂層，提高水泵葉輪表面的抗磨蝕性能，從而提高葉輪的使用壽命。某泵站SD900型離心泵鑄鋼葉輪涂敷Ni60耐磨層，使用壽命約9000h，其使用時間1倍于沒有涂層鑄鋼葉輪。對于抽黃灌溉運行管理單位，采用一種具有較好抗磨蝕性能、效率高、使用壽命長、性價比好的葉輪是十分必要的。

2.2 葉輪制造工藝選擇

以前離心泵葉輪基本采用鑄造工藝，但目前鋼板焊接葉輪的應用日趨增多，優勢明顯。采用低碳鋼板成型葉片組焊接葉輪，俗稱鋼板焊接葉輪，主要是用鋼板模壓成形葉片和輪轂組焊葉輪，這種葉輪與原鑄鐵或鑄鋼葉輪相比的優勢有以下幾點[13]：①使用壽命長，因鋼板具有組織細密、韌性好、不易脫落等優點，耐汽蝕和磨損優于鑄鐵和鑄鋼，相關試驗表明，相同環境下，鋼板焊接葉輪可達20000h，使用時間是球鐵葉輪的2.5倍；②表面光潔度高，葉輪流道表面可以進行機械加工，提高了表面光潔度；③制造質量好，更好地符合設計要求；④磨損可修復，節約了運行成本和檢修成本，鋼板焊接葉輪造價與鑄鐵葉輪的成本比為1.3-1.4倍，但修復成本僅為造價的1/10，鋼板焊接葉輪性價比更好。

2.3 葉片數量選擇

葉片數量對水泵揚程、效率、汽蝕性能等都有一定影響，葉片數量多，介質的相對液流角接近葉片安放角，能夠提高水泵揚程，運行穩定，噪音和振動小，但水泵通過雜物能力會下降，黃河小北干流河段，水源中泥沙含量高、柴草多，且變化異常，極易造成堵塞；葉片數量少，揚程略有降低，效率隨之下降，使運行工況穩定性減弱，但噪音和振動相對加大。葉片數量與比轉數及葉片包角之間存在一定關系，泵站所使用的離心泵比轉數一般在60-180之間，葉片數為4-7片時水泵效率具有較大值，比轉數小時選多葉片數，比轉數大時選少葉片數。多泥沙離心泵比轉數多數在90-150之間，宜選用6片，既能較好使水中雜質過流，又不會影響水泵的主要性能。黃河小北干流某泵站600S-47型水泵，新泵葉片數是7片，試運行為100h流量衰減，拆開泵蓋后發現雜物將葉輪流道堵塞30%，清理后得以好轉；葉輪葉片數更換為6片后，堵塞情況明顯好轉，各灌季均能滿足運行。

2.4 口環型式選擇

口環，又稱減漏環、密封環、承摩環，其主要作用是防止水泵出口端介質倒流回進口端，起到密封作用；同時也起耐磨作用，避免葉輪和泵殼直接接觸損壞，有保護葉輪和泵殼不受磨損的作用[14]。一般來講，口環是易損件，在口環磨損后，可以修復或更換新環，恢復正常裝配間隙，這樣既經濟又便于檢修。

離心泵口環的結構形式按數量分為單密封環和雙密封環。按密封環的結構形式分為環型密封環、L型密封環和階梯型密封環等。根據黃河流域水泵的使用情況來看，多數水泵制造商采用的是清水泵模式和幾何尺寸，主要是環型密封環。單密封環型式，見圖1；雙密封環型式，見圖2。

圖1 單密封環型式 圖2 雙密封環型式

從運行使用壽命來看，雙密封環型式優于單密封環型式。

從型式上分析，環型口環比較適合多泥沙水泵：①機加工相對簡單，有利于生產；②便于噴焊耐磨材料；③加長口環寬度可有效減少滲流量。

從材質上分析，口環材質一般有灰鑄鐵HT200、鑄鋼和不銹鋼等材質，鑄鋼和不銹鋼材質耐磨性較好。多泥沙水泵葉輪多數采用鑄鋼或不銹鋼，若口環材質與葉輪材質耐磨性能相當，最終導致葉輪與口環同等程度磨損[15]，因此口環材質要根據口環型式不同區別選擇。單密封環型式是利用一個口環與葉輪前蓋板圓弧的延長部位相互配合達到密封效果，這種型式宜選用鑄鐵口環，水泵運行時，葉輪與口環間隙不足相互摩擦，口環被磨損，能夠保證葉輪完好，只需更換口環。雙密封環是在葉輪上鑲裝一個動環與另一個固定環相互配合達到密封效果，這種型式宜選用耐磨性好的鑄鋼或不銹鋼材質，葉輪被固定環保護，不被磨損，動環和固定環磨損后成套更換，所以雙密封環的耐磨性好、使用壽命長，可以延長檢修周期[16]。

L型密封環、階梯型密封環機加工難度較大，因表面難以噴焊Ni60不適用于泥沙環境。L型密封環，見圖3；階梯型密封環，見圖4。

圖3 L型密封環 圖4 階梯型密封環

綜上分析，黃河多泥沙水泵宜選用雙密封環型式，可提高口環耐磨性和密封性。主要有以下途徑： ①口環采用鑄鋼、不銹鋼等耐磨蝕性材料；②在動環外徑和固定環內徑的兩個表面噴焊Ni60耐磨涂層；③提高固定環與泵殼間緊密程度，將口環180°凸臺改為360°凸臺，或是在固定環外徑表面加裝“O”型橡膠圈。

2.5 水泵重量選擇

水泵的重量對于水泵的運行穩定和使用壽命有著重要影響。水泵自重大，能夠有效克服運行時產生的振動，穩定性好；另外水泵泵體越厚，泵體承受泥沙沖刷磨損的余量越多，使用壽命也越長。但目前水泵采購招標中對水泵重量很少提出要求，水泵制造商為追求利潤，減輕水泵重量，以節約成本，這對用戶來說是不利的。

3 其他要求

離心泵的結構比較復雜，一般制造商采用鑄造方法生產離心泵，鋼(鐵)水中雜質較多，鑄件缺陷難以避免，抽黃水泵擬加強缺陷探傷測試，必須嚴格補強缺陷。

黃河上高揚程泵站擬選擇合理的水泵結構形式，具體有3種泵型，其中單吸單級泵和單進口雙吸多級離心泵的隔板兩端壓差較大，則級間隔板間隙泄流量較大，加上含有石英沙的泥沙作用，泄流量增加很快，引起軸向力失去平衡，軸承極易損壞，不適合抽提黃河水；雙進口雙吸多級離心泵的級間泄流量理論上很少，隔板兩端壓差也很小，個別因雙進口的單邊堵塞時出現級間泄流量加大，但是加上葉輪是“背靠背”對稱布置，形成的軸向力偏差較小，

實踐證明，蝸殼式單吸多級泵不適宜多泥沙泵站使用，蝸殼式雙吸多級泵適應于多泥沙泵站使用。雙進口雙吸多級泵汽蝕性能相對較好，能夠有效延長水泵使用壽命。

4 結 論

黃河小北干流上的水泵過流部件普遍存在嚴重磨損，為延長水泵使用壽命的方法，文章并從不同角度提出了一些措施，如優化水力設計，選用抗磨蝕性能好的材料，提高過流部件制造質量和表明光潔度等。從運行管理角度出發，結合實際運行效果，得出以下5點結論：

1)多泥沙水泵在保證流量、揚程的前提下，盡可能降低水泵轉速，能有效減少水泵過流部件磨損和汽蝕。水泵降速運轉可通過增大葉輪外徑、變頻拖動(管網加壓泵站必須首選)、增加水泵級數等方式實現。

2)水泵葉輪材質多數采用鑄鋼并涂敷耐磨防護層，應用實踐表明，鋼板焊接葉輪也適合黃河多泥沙水泵工況，具有良好抗磨蝕性能、使用壽命長、性價比高等優點，可以進一步推廣應用。

3)水泵葉片數一般取4-7片，但在多泥沙水質條件下，離心泵要考慮水質環境，兼顧葉輪通過雜物能力，一般選取6片較為適合。

4)多泥沙離心泵口環選用單密封環型式時，口環硬度要低于葉輪硬度，能更好地保護葉輪；選用雙密封環型式，口環采用耐磨蝕性能好的材料，在口環表面噴焊Ni60耐磨涂層等，將延長使用壽命。

5)水泵重量不容忽視，要盡可能增大自重，保證運行的穩定性和有足夠的磨蝕余量。