Подбор материалов для изготовления насосов при повышенном содержаннии песка в перекачиваемой среде

Армин Гёриш, Франк Цимерманн
Фирма KSB AG (ФРГ), завод в г. Франкенталь, отдел систем насосных станций водоснабжения

В ходе реализации проектов Серахс НС1 и НС2 специалисты фирмы KSB имели возможность провести инспекцию наносных станций Туркменгала НС2, Ашхабад № 7, Гек-Тепе НС21 (Туркменистан). Из многочисленных бесед с обслуживающим персоналом станций и специалистами из Министерства сельского хозяйства и водоснабжения Туркменистана выяснилось, что основной проблемой при эксплуатации насосов является абразивный износ из-за содержания песка в перекачиваемой среде (до 12 кг/м3). Применяемые насосы имели рабочие колеса из серого чугуна (Ашхабад, Гек-Тепе) и хромистой стали (Туркменгала). Через год эксплуатации рабочие колеса насосов в значительной степени изнашиваются, и возникает необходимость в замене чугунных колес и ремонте колес из хромистой стали наплавкой металла. Кроме того, на станциях Туркменгала заменялись валы и узлы подшипников или производилось их восстановление.

Большие капиталовложения на запасные части, значительные затраты на оплату квалифицированного рабочего персонала предопределяют высокую стоимость технического обслуживания насосов. В связи с этим фирма KSB предложила использовать абразивностойкие консольные насосы со спиральными корпусами, которые по своей конструкции отличаются от традиционных насосов для транспортировки воды и характеризуются:

• малым износом деталей;

• низкими затратами на техобслуживание;

• высоким КПД;

• длительным сроком службы.

Фирма KSB имеет многолетний опыт работы по производству насосов для транспортировки жидкостей с большим содержанием твердых включений: пульпы бокситных шламов в алюминиевой промышленности, гидротранспорт руд и угля, оборотная вода со шламами в сталелитейной промышленности, зола и пыль в установках десульфации дымовых газов электростанций, шламы в отстойниках, промывочные воды на сахарных фабриках и т.д. Этот опыт был использован в проектах Серахс НС3, Туркменгала НС2, Ашхабад № 7, Гек-Тепе НС21. Особое внимание уделяется подбору материалов для деталей проточной части насоса. Научно-исследовательскими лабораториями фирмы постоянно ведутся разработки материалов с новыми заданными свойствами. Так, например, для проточных частей насосов, перекачивающих пульпы с концентрацией бокситовых шламов и окиси алюминия 700-800 кг/м3, был разработан материал Norihard NH 153 (G-X 250 CrMo 153). Это мартенитситное хромомолибденовое литье с высокой твердостью (до 1000 по Виккерсу) и износоустойчивостью, в 23 раза превышающей износоустойчивость серого чугуна при относительно высокой вязкости. По твердости и износоустойчивости Norihard NH 153 уступает только чистым оксидам металлов и металлокарбидам. Однако такие свойства этот материал приобретает после специальной термообработки. Для крупных насосов, которые были необходимы для упомянутых выше проектов, термообработка готовых деталей оказалась предельно сложной. Поэтому в качестве материала для проточных частей насосов был рекомендован Gasite 28G (стандарт ASTM А532-87, класс III, тип А), химический состав которого следующий: С — 2.3-2.8%; Cr — 24-28%; Ni — 2-3%; Si — 0.6-0.9%.

Структура Gasite 28G состоит из мартенситной матрицы с равномерно распределенными вторичными карбидами и решетки первичных карбидов хрома. Материал имеет повышенную твердость (700 по Виккерсу) и отличается необычайно высокой износоустойчивостью. Исследование износоустойчивости Gasite 28G под воздействием песка реки Янцзы было проведено во время подготовки одного из проектов в Китае специалистами KSB с завода Georgia Iron Works (США) совместно с компанией Tianjin Inverstigation & Design Institute (Китайская Народная Республика).

Целью испытаний являлось сравнение износа различных материалов под воздействием водно-песчаной смеси с концентрацией 10 кг/м3 при разных скоростях потока. Схема испытания показана на рис. 1. Приготовленная водно-песчаная смесь (2) подводится при помощи насоса (3) к испытательной камере (4). В камере вращается металлический диск (рис. 2) из стали St 45 (российский аналог: Ст 4), с каждой стороны которого (на двух различных диаметрах) закреплены шесть образцов материала. Давление в испытательной камере достигало значений 0.1-0.14 МПа. Образцы на одной из сторон диска были подвержены воздействию кавитации, что позволило оценить суммарный износ от кавитации и эрозии. Расположенные на двух диаметрах (220 и 310 мм) образцы вращались с окружными скоростями 25 и 35 м/сек. В качестве привода использовался электродвигатель постоянного тока (5) с мощностью 30 кВт. Частота вращения ротора поддерживалась в пределах 2157-2158 об/мин. Контроль осуществлялся с пульта управления (6). Электрические параметры при испытаниях: ток 90-100 А, напряжение 140-150 В. Испытываемые образцы были изготовлены из Gasite 28G, стали St 30 (российский аналог Ст 3) и хромомолибденовой стали 1Cr13Mo5. Маркировка образцов осуществлялась с помощью электроэрозионного гравирования.

При испытаниях производилась замена песка через каждые 20 часов. Концентрация песка замерялась двукратно (для определения среднего значения) после каждого этапа испытаний. Число оборотов ротора и электрические параметры электродвигателя контролировались через 20-30 мин. После испытаний образцы просушивались в печи при температуре 100°С в течение 1 часа, затем охлаждались и взвешивались с точностью ±0.1 мг. Продолжительность испытаний составляла 20.5 часа. Результаты испытаний приведены на диаграмме (рис. 3). После испытаний на образце из Gasite 28G были обнаружены незначительные следы эрозионного характера, следов кавитационного разрушения не наблюдалось. Сравнительные образцы из St 30 и 1Cr13Mo5 имели сильные кавитационные и эрозионные разрушения. Диск, на котором закреплялись образцы, имел заметный кавитационный износ через 6 часов после начала испытаний. Этот эксперимент показал, что износ образца из 13% хромистой стали в 12 раз превосходил износ из материала Gasite 28G. Сопоставление сроков службы и расходов на приобретение позволяет сделать вывод об экономической целесообразности использования износостойких материалов. Фирма придерживается мнения, что при твердости материала 700-1000 по Виккерсу не возникает вопроса о влиянии износа на надежность насоса. Кроме того, для рассматриваемых насосов была подобрана пониженная частота вращения, которая гарантирует повышение показателей надежности и улучшение кавитационных характеристик.

Большинство установленных ранее насосов были центробежными и имели конструкцию с двойным всасыванием, а на станциях канала Туркменгала применялись осевые насосы с трубчатым корпусом. Фирма KSB предложила для всех этих случаев абразивностойкие одноступенчатые консольные насосы с односторонним всасыванием. Эти насосы сконструированы без классических колец щелевых уплотнений. Обычное исполнение щелевых уплотнений имеет при перекачивании воды с содержанием песка один существенный недостаток, а именно — увеличение зазоров в результате повышенного износа, что приводит к увеличению действующих на ротор сил и значительному снижению КПД. Абразивностойкий насос KSB имеет осевой зазор (радиальное щелевое уплотнение) только со всасывающей стороны. За задним диском рабочего колеса вообще нет щелевого уплотнения. При такой конструкции параметры насоса не снижаются на протяжении всего срока эксплуатации насоса. Так как ранее применялись насосы двустороннего всасывания, то система новых трубопроводов (для насосов одностороннего всасывания) не совпадала со старыми гидравлическими линиями, что отражалось на общих затратах. При этом особенно следует упомянуть высоконапорную насосную станцию Ашхабад № 7. Общий напор станции составляет 200 м. Ранее использовались последовательно работающие бустерный одноступенчатый насос двустороннего всасывания и двухступенчатый насос высокого давления с односторонним всасыванием. В насосе высокого давления окружная скорость на выходе рабочего колеса достигает 50 м/сек. Большие окружные скорости и повышенное содержание песка в воде (до 12 кг/м3) приводят к значительному износу рабочих колес из хромистой стали с твердостью 230 по Виккерсу. Фирма KSB предложила применить на станции Ашхабад № 7 три абразивностойких насоса, соединенные последовательно. Напор каждого насоса составляет 70 м. Это приводит к значительному снижению окружных скоростей (по сравнению со скоростями высоконапорного насоса). Расчеты показали, что снижение затрат на техническое обслуживание и высокие показатели надежности при неизменно высоком КПД обеспечивают большой экономический эффект и оправдывают дополнительные капиталовложения, необходимые для реконструкции установки. Так как предложенные абразивностойкие насосы KSB отличаются высокой прочностью и надежностью эксплуатации, то на основании экспериментальных результатов наша фирма может прогнозировать следующие ресурсы элементов проточной части: для рабочего колеса — 5 лет эксплуатации (при снижении КПД не более чем на 1%); для спирального отвода — 25 лет без функциональных изменений.

Журнал "Горная Промышленность" №1 1999