350S-75型水泵斷軸事故分析及節(jié)能技術(shù)改造探討

宋儒將

（1.大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司；2.湖北省有色金屬資源開發(fā)與綜合利用工程技術(shù)研究中心，湖北 黃石 435005）

1 概況

大冶有色金屬公司2009年啟動(dòng)銅冶煉節(jié)能減排改造工程，是國(guó)家“十一五”節(jié)能減排項(xiàng)目和湖北省重點(diǎn)節(jié)能減排項(xiàng)目,2010年底建成投產(chǎn)，粗銅生產(chǎn)能力達(dá)到每年30 萬噸。該工程采用澳斯麥特爐熔煉工藝，配套3 臺(tái)350S-75 型供水泵，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：Q=1260m3/h，H=75m，η=85%，n=1450r/min，工藝配置見圖1。系統(tǒng)采用兩級(jí)提升的供水方式，設(shè)有熱水提升泵。當(dāng)供水泵水量過大，超出熱水提升泵水量時(shí)，系統(tǒng)將由熱水池向外溢流。投產(chǎn)運(yùn)行半年后，1#供水泵發(fā)生主軸斷裂事故。

圖1 澳爐供水原理圖

2 原因分析

2.1 斷口分析

供水泵結(jié)構(gòu)如圖2，為單級(jí)雙吸離心泵。斷裂點(diǎn)位于水泵端聯(lián)軸器處，斷口處如圖3，斷口呈現(xiàn)出橫向整體斷裂，而斷裂發(fā)生在動(dòng)力輸入端的關(guān)鍵受載部位，所以按軸的的失效判據(jù)應(yīng)判為斷裂失效。由軸斷口一側(cè)的宏觀照片可知，斷口為疲勞斷裂，其宏觀特征為為斷口上有明顯的塑變，其微觀特征為由大量正交韌窩組成，未見明顯脆性斷裂特征，進(jìn)一步進(jìn)行材質(zhì)分析后排除材質(zhì)缺陷造成斷裂。

圖2 水泵結(jié)構(gòu)圖

圖3 主軸斷裂截面圖

2.2 主軸強(qiáng)度校核

已知電動(dòng)機(jī)功率400kW，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1480r/min，可算得電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T=9550×P/n=2581.08N.m；斷裂處軸徑65mm,軸的材質(zhì)為45 鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，查表得扭轉(zhuǎn)疲勞極限為155MPa，由軸的強(qiáng)度計(jì)算公式校核后排除主軸設(shè)計(jì)缺陷造成斷裂原因。

式中，d 為軸的直徑，mm；[τT]為扭轉(zhuǎn)疲勞極限，MPa。

2.3 水泵設(shè)計(jì)參數(shù)與水系統(tǒng)匹配性分析

該泵葉輪出口直徑為φ503mm，投運(yùn)后運(yùn)行電流偏大造成泵組跳車，為滿足運(yùn)行要求，采用關(guān)小水泵排出側(cè)閥門開度的方式，調(diào)整供水量接近設(shè)計(jì)值，運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 澳爐供水泵運(yùn)行紀(jì)錄

由表1 數(shù)據(jù)可知，排出側(cè)閥門全開時(shí)泵的工作點(diǎn)遠(yuǎn)離額定點(diǎn)，即QS遠(yuǎn)大于1.2QSP。臨時(shí)只能通過關(guān)小排出側(cè)閘門開度(關(guān)至25%～30%)來降低運(yùn)行電流，但此時(shí)大量的能量消耗在克服被關(guān)小的閥門的阻力上，極不經(jīng)濟(jì)，且容易發(fā)生汽蝕。

由水泵設(shè)計(jì)參數(shù)可知，在達(dá)到1260m3/h 額定工況狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，泵的軸功率應(yīng)為：

N1=Q×H×9.81×r/(3600×η)=302.95kW

式中，Q 為額定流量，1260m3/h；H 為揚(yáng)程，75m；r 為介質(zhì)比重，這里是清水，取1.0(103kg/m3)；η 為效率，85%。

該水泵按標(biāo)準(zhǔn)性能表應(yīng)選配電動(dòng)機(jī)功率為355kW，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際配套電動(dòng)機(jī)額定功率為400kW，額定電壓10kV，額定轉(zhuǎn)速1483r/min。經(jīng)計(jì)算，

N2=(√3×COSφ×U×I)/1000=1.732×0.9×10000×23/1000=358.48kW（按電度表顯示與此值比較接近，約360Kw·h），此時(shí)的實(shí)際軸功率遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)軸功率，此為主軸發(fā)生斷裂的主要原因。

COSφ 為功率因數(shù)，取0.9；U 為電壓，10000V；I 為電流，A。

將電機(jī)實(shí)際輸出功率值及實(shí)際流量、揚(yáng)程值代入公式1，可知水泵目前實(shí)際運(yùn)行效率僅約為69%，遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)效率，由此判定水泵設(shè)計(jì)參數(shù)與循環(huán)水系統(tǒng)匹配不當(dāng)，實(shí)際運(yùn)行工況遠(yuǎn)偏離于設(shè)計(jì)工況，存在較大能耗浪費(fèi)。

3 改造方案

采用切割葉輪但方法來實(shí)現(xiàn)修正水泵性能參數(shù)，從而匹配循環(huán)水系統(tǒng)。車削葉輪的方法使泵在D1及D2min對(duì)應(yīng)的H-Q 線所圍成的帶形區(qū)中任意點(diǎn)工作，但考慮到運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的經(jīng)濟(jì)性，泵工作時(shí)的效率降低應(yīng)不超過該泵最高效率的7%，因此泵在上述帶形區(qū)域內(nèi)，只有被兩根η（差）=0.93ηmax的等效曲線所圍成的扇形面積ABCD 中即切割高效區(qū)工作才好（見圖4）。

圖4 離心泵的切割高效區(qū)

結(jié)合泵廠所提供的S 型泵特性曲線型譜圖（見圖5）初步整定D2 為480mm。應(yīng)該注意的是為防止理論計(jì)算性能與期望值有偏差，進(jìn)行切割計(jì)算時(shí)最好用二分法切割計(jì)算，參照水泵的效率等特性離工況點(diǎn)相差不遠(yuǎn)時(shí)，進(jìn)行多次切割試驗(yàn)找出合適的外徑尺寸。

圖5 350S-75 型泵型譜圖

4 改造效益分析

澳斯麥特爐供水泵改造后于2012年4月投入運(yùn)行，再未出現(xiàn)主軸斷裂情況，運(yùn)行情況正常，電機(jī)運(yùn)行電流為21～22A 左右。改造泵在滿足生產(chǎn)的前提下，由于可全開排除側(cè)閥門運(yùn)行，減少了局部阻力損失提高了運(yùn)行效率，電動(dòng)機(jī)電流下降，即耗電量降低，按滿足生產(chǎn)需要的前提下澳爐供水泵效率能提高10%的保守估計(jì)，則全年可節(jié)電567832kW·h，按電價(jià)1.32 元/kW·h 計(jì)算全年可節(jié)約電費(fèi)70 余萬元。

另外，改造后泵軸的輸出功率降低，承受的扭矩減小，有利于提高泵軸及電機(jī)的使用壽命，提高了澳爐供水系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

5 結(jié)語

國(guó)內(nèi)冶化系統(tǒng)新投產(chǎn)改造工程由于工期緊，給排水專業(yè)設(shè)計(jì)人員與與工藝專業(yè)溝通不夠密切，室外管線未做詳細(xì)配置，加上設(shè)計(jì)人員選定各級(jí)計(jì)算公式中的系數(shù)、常數(shù)時(shí)出于保守的心理，在設(shè)備選型階段將設(shè)備的裕量往往選的過大，若我們工程技術(shù)人員在后期的生產(chǎn)實(shí)踐中通過不斷摸索對(duì)此類設(shè)備設(shè)法降低能耗，定能取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。