泥浆泵泵阀的特点及应用

2021-06-23卢春阳欧阳志强李明星欧喜生田爱民

地质装备 2021年3期

卢春阳，欧阳志强，李明星，欧喜生，田爱民

(衡阳中地装备探矿工程机械有限公司，湖南衡阳 421002)

0 引言

泥浆泵是地质钻探和工程施工的重要配套设备，能够将机械能转换成液压能。泥浆泵的用途非常广泛，可用于各种软地基的注浆处理、工程施工钻进、水井钻进、高山送水、矿井排水、堤防灌浆等。在钻探施工中，泥浆泵主要是向孔内供给冲洗液，使之在钻孔中循环，以达到携带岩屑返回地面、保持孔底干净、保护孔壁防止坍塌的作用，同时还可以冷却与润滑钻头及钻具。在特殊工序(如堵漏、封孔)中，还可用泥浆泵向孔内灌注水泥浆等物质。

在钻探生产中，应用最为广泛的是往复式泥浆泵，这是一种容积式泵，由动力端和液力端两大部分组成。动力端由曲柄连杆机构、十字头和其他机械传动部件组成，液力端由泵头体、缸套、活塞或柱塞、安全阀、空气室、吸入阀和排出阀等组成。

1 泵阀的结构特点

往复式泥浆泵的工作原理是活塞在缸套中作往复运动，形成液缸容积变化。当抽吸使液缸容积增大时，腔内压力降低，水池中的液体在压力差的作用下经吸入管推开吸入阀进入液缸；当排挤液缸使容积变小时，液缸中的液体受到挤压，腔内压力升高，吸入阀关闭，排出阀打开，液体被排出液缸，进入管路，如此不断循环，实现吸入或排出液体。每个液缸工作腔都设有一个吸入阀和一个排出阀，总称为泵阀。在实际生产中，为便于互换和维修，通常吸入阀和排出阀做成完全相同的结构。

泵阀结构型式多种多样，有用于低压小流量泵上的自重球阀，用于中、高压泵上的平板阀和锥形阀(片阀)等。球阀一般由阀座、阀球、消声垫、限位装置等组成，限位装置为阀盖或限位套，用以限制泵阀的升程。片阀一般由阀座、阀片、阀体、弹簧和限位套等组成，泵阀的升程由限位套或阀盖控制。

泥浆泵泵阀对泵的正常工作具有重要的作用，是泥浆泵的重要零部件。为保证泥浆泵的正常工作，要求泵阀关闭时具有良好的密封性并避免严重撞击，运动应平稳，噪声小，具有足够的强度和刚度，经久耐用。

2 泵阀的应用

我公司生产泥浆泵历史较久，产品齐全，品种丰富，有成熟的生产工艺、完善的生产条件和试验检测方法，有良好的口碑，市场占有率高。系列化的泥浆泵流量50～3000 L/min，压力2～30 MPa，功率5～300 kW，可满足地质勘探、工程勘察、高山送水、非开挖配套等不同用户的需求。在我公司泥浆泵产品中，泵阀的结构型式也是多样化，根据不同的应用领域和不同的输送介质，采用不同的泵阀，应用较广泛的是球阀和片阀。

2.1 球阀的应用

球阀具有结构简单，检修拆装方便，通用性、互换性好，使用成本较低等特点，普遍用于流量较小、压力较低的泥浆泵，如BW-150、BW-250泥浆泵。

图1为BW-150泥浆泵的排水阀，阀球为钢球，阀球和阀座直接金属接触密封，冲击较大，容易产生较大的噪声，为降低噪声，在阀盖上安装消声垫，起到降噪缓冲的作用。球阀的阀隙流道圆滑，流液阻力小，也常用于砂浆泵的泵阀上，图2为BWH-150/1.5水泥砂浆泵的吸排阀，砂浆泵要求阀座通径大，通过性好，与之相配的阀球较重，泵的吸入排出要克服阀球的重量，为解决这一矛盾，通常采用空心阀球减轻重量以满足砂浆泵的性能要求。

图1 BW-150泥浆泵排水阀结构图Fig.1 BW-150 structural drawing of drain valve of mud pump

图2 BWH-150/1.5水泥砂浆泵的吸排阀结构图Fig.2 BWH-150/1.5 structural drawing of suction and discharge valve of cement mortar pump

球阀的失效形式主要包括：①阀球在载荷下对阀座的冲击，使阀座变形，冲程增大，造成接触面磨损或导向柱断裂(图3)；②阀球在输送介质的高压冲蚀下遭到破坏，导致密封失效(图4)；③泥浆泵在使用后，腔内液体未排尽，造成阀座与阀球生锈，影响泵的吸入，也是泥浆泵的常见故障之一。

图3 损坏的阀座Fig.3 Damaged valve seat

图4 损坏的阀球Fig.4 Damaged valve ball

2.2 片阀的应用

片阀结构相对较复杂，零件多，加工制造工序多，成本较高，但使用性能优良。片阀具有良好的密封性，运动平稳、噪声小、经久耐用，普遍用于大流量、高压力的泥浆泵。片阀是通过阀片与阀座金属面的锥面接触实现密封，阀片除起密封作用外，还对阀体落座时的冲击起缓冲作用。泵阀上的弹簧用于在阀上建立载荷，保证阀的及时关闭。为了控制阀片的运动和平稳准确地落座，在阀体上还配有导向装置。

图5为BW-300/16型泥浆泵的片阀结构图，该泵阀的阀体与阀片为一体制造，限位套和阀体均为精铸件，加工制造成本较高。在较大流量泵上使用时，阀座与泵头接触的锥面加工精度要求较高，否则容易松开脱落，造成泵阀损坏，脱落的泵阀被柱塞顶坏，见图6。

图5 BW-300/16泥浆泵片阀结构图Fig.5 BW-300/6 structural drawing of mud pump diaphragm valve

图6 损坏的片阀Fig.6 Damaged flap valve

图7 BW-850/10泥浆泵片阀结构图Fig.7 BW-850/10 structural drawing of slurry pump diaphragm valve

图7为BW-850/10和BW-1000/12泥浆泵的片阀结构，该泵阀的阀座与泵头采用过盈配合的密封形式。BW-850/10泥浆泵在内蒙古通辽某铀矿基地砂土层施工中，体现了使用寿命长、效果较好的优势，组合式的阀片有效地降低了用户的使用成本。

片阀的失效形式主要是冲击载荷或高压输送液体通过阀隙时冲蚀阀片，使阀片出现磨损或裂纹，密封性能遭到破坏，图8为被冲蚀的阀片。

图8 被冲蚀的阀片Fig.8 Erosion valve plate

3 泵阀结构对泵的影响

我们在对用户进行走访和工地调研时，用户也对泵阀结构有不同的要求。例如，使用BW-320泵时，有用户要求用球阀，有用户中意于片阀。为进一步验证球阀和片阀对泵性能的影响，我们在试验室对多种流量的泵进行了多次测试。

表1是对产销量较大、使用范围较广，在系列泵中最有代表性的BW-600/10泥浆泵的性能测试数据。在同一台泵上分别安装球阀和片阀，泵阀的升程和阀座的通径均相同，有效地避免了各种因素对测试结果的干扰。在试验过程中发现，片阀的各挡压力均匀，排出流量稳定，测量的噪声比球阀噪声低1～3 dB(A)，噪声无较大波动。通过测试数据对比，片阀的实测流量比球阀多5～15 L/min，容积效率明显好于球阀。

4 结论

影响泥浆泵质量和性能的因素很多，有加工制造的因素，也有产品结构的因素。动力端的曲轴箱和变速箱的温升、齿轮的噪声，液力端的压力不均匀、流量排出不稳定、容积效率过低等都对泥浆泵有影响。泵阀是泥浆泵的重要零部件，泵阀的密封性能和结构形式对泥浆泵的影响较大。结合泥浆泵的工地使用情况和试验室测试数据可见：流量低于300 L/min用球阀有优势，结构简单，维护更换方便；流量在300～600 L/min用球阀和片阀均可，但使用图5所示结构的片阀对泵性能的提升较好；流量大于600 L/min较适合用图7所示结构的片阀，对液体的通过性和流动性较好。不同泵阀结构各有优势，应根据不同的流量及输送的介质对泵阀结构进行优化选择。