輸送含有微量懸浮顆粒液體的離心泵結構選型
2020-09-28 08:19:50力士霸泵業(yè)
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離心泵作為一種通用機械，在航天航空、石油化工以及農(nóng)業(yè)排灌等眾多領域都有著廣泛的應用，對于各種生產(chǎn)裝置的正常運行起著至關重要的作用。由于懸浮顆粒物的磨蝕造成離心泵失效廣泛存在于各種工程實踐中，Roco M C 分析顆粒的運動規(guī)律后得出過流部件的磨損原因為顆粒的直接沖擊、紊亂沖擊和滑動摩擦。
趙以奎通過數(shù)值模擬分析得出隨著顆粒直徑的不斷增大，固體顆粒呈現(xiàn)向葉輪工作面偏移的趨勢，由此造成葉輪工作面的切削磨損；固相體積濃度的增加對顆粒在葉輪流道內(nèi)的分布略有影響；葉輪的磨損主要發(fā)生在葉輪進口處和葉輪的出口段。
劉娟通過高速影像技術研究得出大質(zhì)量的顆粒的運動軌跡包角大，軌跡偏向葉片工作面，對葉片工作面的撞擊幾率大，撞擊的區(qū)域集中在葉片頭部和工作面的中前部；小質(zhì)量顆粒的運動軌跡向葉片工作面方向的偏轉較小，與葉片工作面的撞擊幾率較小，且撞擊區(qū)域集中在葉片的頭部和出水邊。
楊敏官通過試驗發(fā)現(xiàn)葉輪流道中間軸截面上，在葉輪進口處多為小粒徑顆粒，分布較均勻；沿徑向，逐漸有大粒徑顆粒，且大部分位于壓力面及附近，吸力面及其附近區(qū)域多為小粒徑顆粒，至出口處大粒徑顆粒分布趨于均勻。由此可見，輸送含有微量懸浮顆粒液體時的磨損破壞不容小視，在前期離心泵選型過程中就應考慮該因素，以確定合適的泵型。
失效案例分析
案例背景
下圖為某15 萬t 精制鹽水項目供貨一批鈦材離心泵，其裝置中膜過濾循環(huán)泵工藝參數(shù)具體如表1 所示，前期初步選型為單級閉式葉輪型離心泵，采用常規(guī)背靠背式雙端面非集裝式機械密封，其結構剖面圖如圖1 所示。
該泵在現(xiàn)場運行約4 個月后，現(xiàn)場性能無法滿足，對泵進行解體，拆檢后發(fā)現(xiàn)泵體、葉輪以及泵蓋有不同程度的磨損。泵體磨損部位主要為與葉輪口環(huán)配合處，形成約5mm深的凹形槽，葉輪與泵體形成的前泵腔處也產(chǎn)生輕微磨損，如圖2 所示；葉輪葉片進口基本完好，葉片出口工作面有輕微磨損，如圖3 所示，葉輪口環(huán)處磨損嚴重，形成約為2mm 深的凹形槽，如圖4 所示；泵蓋與葉輪形成的空腔內(nèi)有明顯沖刷痕跡，如圖5 所示；機械密封及軸套磨損，腔體內(nèi)堆積大量結晶物，彈簧元件被結晶物卡死致使機封失效。
原因分析
前期選型泵為閉式葉輪，葉輪前后蓋板與泵體、泵蓋形成的腔體，介質(zhì)顆粒物于前泵腔A 處堆積，形成“砂輪磨損”效應，致使泵體口環(huán)處及泵體前腔壁磨損；介質(zhì)通過葉輪平衡孔進入后泵腔在B 處堆積，同樣致使泵蓋產(chǎn)生磨損。原機械密封采用雙端面多彈簧結構的非平衡型機封，介質(zhì)可以通過機封腔進入彈簧元件，致使其卡頓失效。
改進方案
針對以上問題及原因分析，對現(xiàn)泵型結構進行改型，改型后結構剖面圖如圖6 所示，具體分析如下：
1. 泵體前泵腔增加前耐磨板；
2. 葉輪更換為半開式葉輪，取消葉輪前蓋板，控制葉輪與前耐磨板之間間隙≤ 1mm，避免懸浮顆粒的堆積，使懸浮顆粒的流動性更好；
3. 取消平衡孔，葉輪后蓋板增設背葉片，以平衡軸向力；懸浮顆粒在背葉片離心力的作用下不易進入密封腔，達到防止固體顆粒在密封腔沉積的目的。
4. 葉輪與泵蓋間增設后耐磨板，控制葉輪與后耐磨板之間間隙≤ 1mm，避免懸浮顆粒進入后泵腔；
5. 泵蓋整改為大錐腔結構，腔壁設計成條形導流槽結構，防止顆粒在密封腔堆積，且有利于停車后介質(zhì)從機封腔排走；
6. 機械密封采用我公司獨特設計的彈簧元件外置式集裝式雙端面機械密封，彈簧固定在彈簧座上不轉動，補償性好；其彈簧不會與介質(zhì)接觸，不會發(fā)生像一般機封因彈簧腐蝕，結晶物卡頓使彈簧失效等問題；其密封面液膜的形成靠API682 中PLAN 54外沖洗的沖洗液， 減少密封面磨損。
離心泵選型注意事項
化工離心泵的選型是至關重要的一項工作，在選型前期，首先要明確最基本的選型條件，現(xiàn)對選型過程中，介質(zhì)的物化特性及現(xiàn)場工況參數(shù)的注意事項作一說明：
輸送介質(zhì)的物理化學特性輸送介質(zhì)的物化特性直接影響著泵的性能、材料及結構，是選型時需要考慮的首要因素。如介質(zhì)特性（腐蝕性、磨蝕性以及有毒性等）、含固量及顆粒的大小以及介質(zhì)密度及粘度等。當介質(zhì)中含固量較大時，應考慮泵型是否滿足工況要求，含固量過大，應選取渣漿泵或旋流泵；當介質(zhì)粘度過大時，應對性能參數(shù)進行換算，因為對于葉片泵而言，隨著介質(zhì)粘度增大，其流量、揚程下降，所耗功率增加；對容積泵而言，隨著介質(zhì)粘度增大，一般泄漏量下降，容積效率增加，泵的流量增加，但其總效率下降，泵的功耗增加。
工況參數(shù)
現(xiàn)場工況參數(shù)是泵選型的最重要的依據(jù)，最基本參數(shù)有流量、揚程、進/ 出口壓力、溫度及現(xiàn)場裝置汽蝕余量和操作狀態(tài)等。其中流量在選型過程中要按額定流量考慮，操作溫度按最大溫度考慮，尤其注意溫度對介質(zhì)特性的影響，工藝操作有可能導致介質(zhì)溫度發(fā)生變化，溫度是影響介質(zhì)粘度和汽化壓力的重要因素。
結論
1. 輸送含有微量懸浮固體顆粒時，葉輪的磨損主要表現(xiàn)在出口段的工作面。
2. 開式葉輪可以有效地避免泵體與葉輪配合處產(chǎn)生“砂輪效應”。
3. 當輸送介質(zhì)中含有固體顆?；蛞捉Y晶物時，離心泵軸向力的平衡方式不宜采用平衡孔，可采用背葉片形式，以防止顆粒物通過平衡孔進入后泵腔造成泵蓋磨損。
4. 錐形密封腔有助于防止顆粒在摩擦副堆積，且有利于停車后介質(zhì)從機封腔排走。解決在惡劣工礦條件下（含微量固體顆粒、介質(zhì)易結晶和溫度高）機封使用壽命短的問題。
摘自：泵友圈
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