孙韬

摘 要：锁斗循环泵普遍存在叶轮、导叶、耐磨板等易损件寿命短，机封泄露，检修频繁等问题；一种新的叶轮设计方案可以减小液体流速，有效减少叶轮，导叶和耐磨板等过流部件的磨损，提高叶轮等零件寿命，增强机组可靠性对整个气化装置的可靠运行具有重要意义。

关键词：锁斗循环泵；背叶片；轴向力；密封腔压力

中图分类号：U173.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）23-0123-03

Abstract： There are many problems in the lock bucket circulating pump， such as short life of the vane， guide vane， wear-resistant plate， leakage of seal， frequent maintenance， etc. A new impeller design scheme can reduce the flow rate of liquid and effectively reduce the impeller. The wear and tear of guide vane and wear-resistant plate， prolonging the life of impeller and other parts， and enhancing the reliability of the unit are of great significance to the reliable operation of the whole gasifier.

Keywords： lock bucket circulating pump； back vane； axial force； seal cavity pressure

在德士古工藝气化装置中，锁斗循环泵是气化炉可靠、高效运行的重要设备。它的作用是将锁斗上部的灰水泵送到气化炉底部，然后将灰渣冲入锁斗中。锁斗循环泵通常采用OH2结构形式，单级单吸卧式离心泵。泵进料中灰渣最大含量为5%，并含有NH3、CO2、H2S和CL-。由于介质中固体颗粒含量高，对过流部件的磨蚀非常严重，叶轮、导叶、耐磨板及机封等易损件的寿命都很短，通常小于6000小时，远低于API610的要求。

如图1所示结构的锁斗循环泵，参数如下：流量Q=70m3/h；扬程H=62m，转速n=2980rpm。

半开式叶轮，径向导叶，环形蜗壳；叶轮、导叶采用Ni-Hard材料。经过2000小时的运转，泵性能下降较大，叶轮、导叶和耐磨板磨蚀严重，叶轮出口叶片厚度损失超过2mm，并存在断裂现象（见图2）。导叶片进口边中部出现V型缺口，两边的盖板上出现冲蚀坑。同时机械密封泄露严重。

分析失效原因，除零件本身存在一些质量问题，主要原因为含固体颗粒的液流磨蚀和腐蚀开裂。

我们从以下几个方面进行分析及改进：

（1）改善叶轮、导叶等材料的综合性能。Ni-Hard为耐磨材料，硬度大于55HRC，零件在热处理中容易产生裂纹，在冲击和腐蚀等作用下容易破裂，影响使用寿命。要提高韧性，控制裂纹，通常需要降低零件硬度，然而降低硬度又会降低耐磨性。在材料热处理中要平衡韧性和硬度，尽量减少微观裂纹的产生。

（2）从结构上增强零件强度。叶轮改为闭式叶轮，实践证明在应对固体颗粒介质时，闭式叶轮不比开式叶轮差，同时由于前后盖板对叶片的加强作用，叶片的强度大大提高。

（3）减小叶轮导叶受到的冲击。增加叶轮外径与导叶基圆间的间隙，原来间隙为1.5mm，增大间隙至9mm，可以减小叶轮出口的压力脉动，减小液流对叶轮出口和导叶进口的冲击。同时可以减小泵的振动和噪音。对机封的寿命有积极的影响。

（4）减小液流中颗粒对零件的磨损。解决磨损的两个关键措施是提高耐磨性和减小磨损。零件选用的材质硬度已经很高，耐磨性提高空间有限。减小磨损主要通过降低介质颗粒含量和降低流速。降低颗粒含量需要用户在气化工艺及介质处理上做改进，泵上能做的是降低液体流速。通过适当增加叶轮出口宽度和导叶流道宽度，降低介质流速以减小对叶轮、导叶和耐磨板的冲涮。

（5）对机封寿命的改善主要通过改善机封的工作环境。如降低机封腔压力，温度等。由于已经配有泵盖水冷腔及plan32冲洗，现在能做的就是降低机封腔压力。通过设置叶轮背叶片可以降低机封腔压力，同时背叶片能驱使颗粒向叶轮的出口移动，减少机封腔颗粒浓度，从而增加机械密封寿命。由于该泵为高压泵，泵进口压力6.5Mpa。作用在轮毂上指向轴承箱的轴向力高达18500N，闭式叶轮有一个大约4000N的轴向力指向泵进口，这样总轴向力可以减少至约14500N。而叶轮背叶片的存在将减少叶轮后盖板区域的压力，使得指向叶轮进口的轴向力减少65%以上。在进口压力为大气压时，背叶片可以使轴向力减小。而对高压泵，轴头承受的轴向力与叶轮产生的轴向力相反，并且远大于叶轮产生的轴向力，叶轮产生的轴向力正好可以抵消部分轴向力，由于降低了叶轮产生的轴向力，使得总轴向力反而提高了，这对轴承不利。这里我们可以通过在前盖板增设背叶片抵消部分轴向力。

以上改进措施只改变导叶和叶轮，其余不变，成本较低。该方案解决了开式叶轮叶片容易断裂的问题，过流部件的磨损得到改善。叶轮、导叶寿命得到提高。但是磨损依然严重，寿命仍不尽人意。

要有效降低磨损就需要降低流速。上述改进中的第（4）点增加叶轮出口宽度和导叶流道宽度可以减小轴面速度，而圆周分速度并没有减小。以上述方案中的闭式叶轮为例，叶轮几何参数如下：

叶轮外径D2=235mm

叶轮出口宽度b2=11mm

出口处的轴面速度：

估算容积效率：ηv=0.96；根据设计参数计算得叶轮出口排挤系数ψ2=0.83；代入上式得：

圆周速度：

由此可见轴面速度的减少对减小绝对速度的帮助有限。要想有效减少磨损，就需要降低U2。在离心泵中可以近似的认为泵的扬程等于叶轮出口的速度能，它们的关系可以用下式表示：

在叶轮扬程不变的情况下，U2就无法减小，比如降低了转速，就需要增加叶轮外径；反之减小了叶轮外径就需要增加转速。而U2则保持不变。要减小U2就必须减小扬程H，要保持泵的总扬程不变，可以通过增加叶轮级数实现。如此泵改为两级结构，则单级叶轮扬程减半，U2大约为26m/s；液流中固体颗粒的动能减半，理论上对过流部件的磨损也将大大减小。