Погружные зумпфовые насосы фирмы KSB AG из износо- и коррозионностойких материалов

Сначала 30-х годов погружные электронасосы занимают значительное место в программе выпуска насосного оборудования фирмы KSB. На первом этапе развития этого направления производились только многоступенчатые артезианские насосы с приводом от заполненного водой погружного электродвигателя. Их создание было вызвано необходимостью подъема питьевой воды из буровых скважин при низком уровне грунтовых вод. Совершенствование конструкции этих насосов позволило применять их для водопонижения на горных предприятиях, транспортировки рудных илов и марганцевых конкреций со дна океана, а также на морских шельфовых платформах. В настоящее время такие насосы производятся фирмой KSB для подачи до 2500 м3/час и напоров до 1400 м (при этом мощность погружных электродвигателей может достигать 3500 кВт а питающее напряжение 10 кВ).

Однако для перекачивания сильно загрязненных жидкостей из зумпфов и шахтных стволов долгое время продолжали использоваться обычные центробежные насосы сухой установки или, в случае если высота всасывания очень велика, полупогружные артезианские насосы (погружная насосная часть и сухой электродвигатель, расположенный над поверхностью воды, соединяются в этой конструкции длинным валом). И только в середине 50-х годов принцип погружного электродвигателя был перенесен на компактные одноступенчатые насосы, предназначенные для перекачивания жидкостей с твердыми частицами. Первые насосные агрегаты такого типа были использованы для дренажа строительных котлованов, откачки воды из зумпфов на открытых горных работах и удаления промышленных и коммунальных сточных вод. Со временем погружные зумпфовые насосы стали применяться чаще в этих отраслях и почти совсем вытеснили традиционные центробежные насосы перечисленных выше исполнений. Существенное преимущество погружного насоса заключается в его мобильности при использовании переносного варианта, а также в значительном сокращении капитальных затрат на строительство сооружения, где такой насос устанавливается стационарно.

По сравнению с артезианскими погружными насосами, конструкция зум-пфового погружного насоса имеет значительные отличия. Так, благодаря небольшим глубинам установки этих насосов (до 30 м), удалось отказаться от заливки погружных электродвигателей жидкостью. При этом пришлось надежно герметизировать вал между насосом и электродвигателем, так как перекачиваемая жидкость не должна попадать внутрь электродвигателя и, особенно, на его обмотку. Первоначальное недоверие к сухому двигателю, погруженному в перекачиваемую жидкость и герметично отделенному от нее, исчезло по мере увеличения числа погружных зумпфовых насосов, беспроблемно работающих в течение многих лет. Отработанные и многократно испытанные уплотнитель-ные элементы и система датчиков контроля и защиты гарантируют предельно малое количество отказов, сравнимое с показателями надежности традиционных электродвигателей. Высокая надежность зумпфовых погружных электронасосов в упомянутых выше областях применения способствовала их интенсивному внедрению в другие сферы промышленности. Гидравлические параметры зумпфовых насосов: подача до 2400 л/сек, напор до 95 м. Мощности используемых погружных электродвигателей изменяются в пределах от 0,25 до 600 кВт. Пожалуй, основной причиной того, что лишь через 25 лет после применения первых погружных артезианских насосов началось производство погружных зумпфовых насосов, является тот факт, что промышленность не имела высококачественных торцевых уплотнений. Лишь с началом промышленного выпуска (в послевоенный период) надежных в эксплуатации торцевых уплотнений и их многократной проверки в химической, нефтехимической и машиностроительной промышленности были созданы предпосылки для необходимой герметизации погружных насосов с сухим двигателем.

Так как недопустимо проникновение перекачиваемой жидкости в электродвигатель, то погружные насосы были оснащены двойными торцевыми уплотнителями с последовательным расположением. В камеру между торцевыми уплотнениями заливается парафиновое масло. Благодаря заливке парафинового масла, торцевые уплотнения вала и насос не могут пострадать даже при сухом запуске (без перекачиваемой жидкости). При этом важно, чтобы в заполненной масляной камере оставалась достаточная воздушная прослойка. Наличие воздуха гарантирует, что при проникновении перекачиваемой жидкости (в случае нарушения уплотнения со стороны насоса) в масляную камеру или при нагреве парафинового масла давление в камере лишь незначительно увеличится, благодаря чему будет до минимума ограничена разность давлений между двигателем и масляной камерой, которая поддерживается с помощью торцевого уплотнения со стороны двигателя.

Одной из самых важных предпосылок эксплуатационной надежности погружных зумпфовых насосов является гидроизоляция токоподводящего кабеля (особенно в области ввода кабеля в корпус насоса). Эту, кажущуюся простой на первый взгляд, проблему, нельзя решить только с помощью герметизации внешней оболочки кабеля и эластичного уплотнения кабельного ввода в электродвигатель. Влага и сырость могут проникать в двигатель также внутри кабельной оболочки вдоль изоляции жил и по силовым проводам. Это становится возможным при локальном повреждении кабельной оболочки или, если вода проникла через разгерметизированный кабельный конец (например, при хранении насоса на горном карьере под открытым небом). Полностью избавиться от повреждений, вызванных такими причинами, позволяет лишь тройная герметизация кабеля:

ПОГРУЖНЫЕ ЗУМПФОВЫЕ НАСОСЫ ФИРМЫ KSB AG ИЗ ИЗНОСО- И КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ МАТЕРИАЛОВ

Йорг Хольтц, руководитель отдела поставок насосного оборудования завода KSB-Halle, Германия

• герметизация внешней кабельной оболочки с помощью достаточно длинного кабельного ввода с эластичным уплотнением. Так как запрессовка эла-стомерных уплотнительных элементов из-за остаточной деформации при сжатии кабельной оболочки со временем ослабевает, то кабель в области ввода в электродвигатель дополнительно заливают смолой;

• герметизация изоляции жил с помощью литьевой смолы;

• Блочные агрегаты с мокрой установкой в стационарном или транспортном исполнении

• С однолопастным, свободновихревым или канального типа колесом

• Взрывозащитное исполнение европейского стандарта и материала для промышленного применения(KRT)

• герметизация силовых проводов путем компактного запаивания проводов после удаления изоляции.

Тщательная герметизация проводов необходима еще и потому, что двигатель «дышит» при повторно-кратковре-менном изменении терморежима (нагрев до 100°С и выше и охлаждение до температуры окружающей среды), что может вызвать подсасывание влажного воздуха вдоль проводов и образование конденсата в электродвигателе. Охлаждение двигателя у погружных зумпфо-вых насосов KSB относительно простое, так как тепло потерь передается в окружающую среду. В конструкции этого насоса тепло возникает преимущественно в обмотке двигателя и отводится в металл корпуса через пазовую изоляцию, следствием чего является повышенная температура обмотки.

Однако сегодня это не является проблемой, поскольку применяемые изоляционные материалы рассчитаны на температуры 150-20СГС, а максимальная температура обмотки достигает всего 130-14СГС (обычно обмотка выполняется по классу изоляции F с допустимой температурой 155°С, но часто используются изоляционные материалы, допустимые для более высоких температур 180-200°С). Класс защиты электродвигателя IP 58; исполнение соответствует нормам Союза немецких электротехников УОЕ 0530. Все электродвигатели могут поставляться во взрывозащищенном исполнении.

Электродвигатели, используемые в погружных зумпфовых насосах, также имеют многократную защиту:

• от тока перегрузки применяются стандартные защитные автоматы электродвигателя, устанавливаемые на номинальный ток;

• установка термодатчиков дает возможность предотвратить появление недопустимых температур обмотки, которые могут возникнуть без превышения номинального тока при недостаточном охлаждении или при недопустимом повышении температуры перекачиваемой жидкости. Особо надежным оказался контроль обмотки на двух независимых друг от друга уровнях. С помощью одного термодатчика электродвигатель отключается при достижении температуры обмотки, которая несколько ниже максимально допустимой температуры, и вновь автоматически включается после охлаждения обмотки. Второй датчик срабатывает только при достижении максимальной температуры и может переключаться так, что или отключается двигатель, или раздается аварийный сигнал;

• неплотность торцевых уплотнений контролируется с помощью поплавкового выключателя (установленного в специальной камере сбора утечек), который отключает насос при попадании жидкости в масляную камеру;

• наличие жидкости в полости статора (из-за протечек жидкости или образования конденсата) показывает датчик влажности, который может отключить двигатель или подать сигнал тревоги;

• термодатчики контролируют температуру подшипников погружного электродвигателя.

Корпус двигателя мощностью до 15 кВт выполнен в виде цельной детали, а для более высоких мощностей сборный. Все места соединения узлов надежно загерметизированы секционными кольцами круглого сечения из эластомеров различного качества, отвечающего свойствам перекачиваемой жидкости. Центрирующие элементы и посадочные поверхности расположены таким образом, что перекачиваемая жидкость с ними не соприкасается. Погружные насосы оснащаются всеми типами проточной части центробежных насосов. В зависимости от содержания в жидкости твердой фракции используются закрытые, однока-нальные, открытые свободно-вихревые, диагональные и осевые рабочие колеса в спиральных корпусах с направляющими аппаратами.

Существенной конструктивной деталью погружных насосов является полностью герметизированный от подаваемой жидкости вал. Благодаря такому исполнению, применяется цельный высокопрочный вал из стали, который не зависит от свойств перекачиваемой жидкости. Кроме того, гарантирована надежная защита от одного из самых опасных видов коррозии — вибрационного коррозионного растрескивания (коррозионной усталости). Следует отметить, что коррозионная усталость наблюдается в циклически нагруженных деталях, соприкасающихся с жидкостью, и является наиболее частой причиной поломок валов у центробежных насосов.

Ротор погружных насосов с сухим двигателем установлен на подшипниках качения с консистентной смазкой. Для насосов небольших мощностей используются подшипники, не требующие дополнительной смазки. В крупных насосах предусмотрены приспособления для периодической смазки подшипников.

Материалы, используемые для погружных зумпфовых насосов, можно разделить на три характерные группы:

• немодифицированный чугун с пластинчатым графитом GG-25, который предназначен для химчистки неагрессивных жидкостей с рН>6,5 и небольшим содержанием вызывающих износ частиц (в пересчете на кварцевый песок доля твердой фазы не должна превышать 1 г/л);

• отбеленный хромомолибденовый легированный чугун Norihard 153 (G-X 250 CrMo 153). По сопротивлению коррозии этот материал сравним с не-модифицированным чугуном. Однако он отличается очень высокой устойчивостью к абразивному износу и при одинаковой нагрузке превосходит другие износостойкие материалы благодаря своей большой твердости -HV50 = 700-1000. Этот материал находит применение в таких областях, как транспортировка пульп, бокситных шламов предприятий алюминиевой промышленности, шлаковой воды сталеплавильных заводов, зольно-водных суспензий электростанций и т.д;

• ферритно-аустенитное хромникель-молибденовое стальное литье Noridur 9.4460 (G-X 3 CrNiMoCuN 246). Этот материал обладает хорошей устойчивостью к комбинированному воздействию коррозии и гидроабразивного износа. По своей устойчивости к действию водных растворов хлоридов, серной и фосфорной кислоты, сточных вод химических производств с рН = 1-14, морской воды и т.д. Noridur превосходит известные марки аустенитного хромникелевого и хромникельмолиб-денового стального литья, особенно в тех случаях, когда перечисленные выше жидкости содержат большое количество твердых абразивных частиц.

Установку погружных зумпфовых насосов, а также их демонтаж для техобслуживания (замена масла в камере между торцевыми уплотнениями, смазка подшипников) и ремонта (замена торцевого уплотнения рабочего колеса и т.д.), можно провести за очень короткое время с помощью простых подъемников. При стационарной установке применяется специальное устройство, позволяющее независимо от глубины установки производить монтаж и демонтаж насоса без спуска монтажников в зумпф или шахтный ствол, где устанавливается насос. Долголетний опыт эксплуатации погружных зумпфовых насосов в самых различных областях промышленности, тщательный анализ и оценка случаев повреждений таких насосных агрегатов позволяют констатировать, что процент поломок (по отношению к общему числу находящихся в эксплуатации насосов) значительно ниже, чем у артезианских полупогружных и обычных горизонтальных центробежных насосов.

Погружной насос KRT для водоотлива в карьере

В первую очередь это объясняется тем, что многие типичные для обычных насосов поломки невозможны у погружных зумпфовых насосов, например:

• выход из строя подшипников (из-за работы без смазки или попадания твердых частиц);

• ошибки монтажа при установке артезианских насосов;

• повреждения уплотнений вала из-за работы всухую;

• выход из строя муфт и подшипников в результате ошибок при центровке или под действием сил от трубопроводов;

• кавитационные разрушения проточной части.

От других воздействий (температурные режимы, нарушение герметичности, изменение параметров электрической сети и т.д.) эти агрегаты защищены системой датчиков, которые отключают насос раньше, чем в нем возникнет повреждение.

Благодаря высокой надежности конструкции и применению коррозионно-и износоустойчивых материалов для погружных зумпфовых насосов, открываются многие области применения, в которых до настоящего времени использовались только сухие, самовсасывающие и полупогружные насосы.

Журнал "Горная Промышленность" №4 1998