提高地浸礦山潛水泵使用周期的方法

趙 明，曹俊鵬，楊少武，閆紀(jì)帆

(中核通遼鈾業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

內(nèi)蒙古某CO2+O2地浸采鈾礦山，采區(qū)布置有注液鉆孔和抽液鉆孔，浸出劑采用加壓方式通過注液鉆孔注入到含礦含水層，與礦層中的鈾充分反應(yīng)并將其從礦石中浸出；含鈾的浸出液沿礦層滲流至抽液鉆孔，通過抽液鉆孔中的潛水泵提升至地表[1]。浸出液提升泵采用的是功率為5.5 kW的三相井用變頻潛水泵，經(jīng)由抽液鉆孔下放至地面以下約150～160 m處。由于浸出液中攜帶有泥沙和礦層中的化學(xué)沉淀物等雜質(zhì)，致使?jié)撍霉r較差，潛水泵故障甚至損壞的現(xiàn)象時有發(fā)生，導(dǎo)致潛水泵使用周期縮短。為此，開展了地浸礦山浸出液提升泵使用周期影響因素研究，以期采取針對性的解決措施來提高潛水泵的使用周期。

1 潛水泵運(yùn)行現(xiàn)狀

1.1 井用潛水泵工作原理

井用潛水泵由潛水泵泵體及電機(jī)兩部分組成，工作時由潛水泵電機(jī)驅(qū)動潛水泵的葉輪旋轉(zhuǎn)，使葉輪進(jìn)口處形成真空，將水吸入，水在葉輪葉片的作用下產(chǎn)生離心力，從而獲得加速度[2]；具有一定能量的水通過導(dǎo)流殼，進(jìn)入下一級葉輪，隨著泵級數(shù)的增加，壓力不斷增大，最后通過揚(yáng)水管將水運(yùn)送至地表管路系統(tǒng)中。

1.2 潛水泵故障類型及成因

內(nèi)蒙古某CO2+O2地浸采鈾礦山浸出液提升用潛水泵故障類型主要包括抽液量下降、電機(jī)過流、電機(jī)絕緣損壞等。通過理論分析并結(jié)合現(xiàn)場實際工況，得出潛水泵出現(xiàn)故障的成因。

1.2.1 潛水泵抽液量下降的成因

潛水泵抽液量下降的成因：1)潛水泵葉輪磨損/損壞導(dǎo)致運(yùn)行中的潛水泵葉輪吃水面積減少，水在葉輪作用下所產(chǎn)生的離心力變小，泵的揚(yáng)程也隨之變小，使得潛水泵抽液量下降[3]；2)潛水泵與電機(jī)的連接花鍵磨損，導(dǎo)致運(yùn)行中的潛水泵電機(jī)軸與泵軸連接處的摩擦阻力變小、凹凸連接處滑絲，電機(jī)無法有效帶動潛水泵做功，影響功率傳輸效率，最終使得潛水泵抽液量下降；3)潛水泵斷軸導(dǎo)致運(yùn)行中的潛水泵電機(jī)與泵體脫離，此時的潛水泵電機(jī)處于空載運(yùn)行狀態(tài)，潛水泵則因失去了源動力而停止運(yùn)行，潛水泵抽液量變?yōu)榱恪?/p>

1.2.2 潛水泵電機(jī)過流的成因

潛水泵電機(jī)過流主要是由潛水泵電機(jī)水封損壞引起的。潛水泵電機(jī)水封損壞，導(dǎo)致含有雜質(zhì)的浸出液進(jìn)入潛水泵電機(jī)內(nèi)部定子、轉(zhuǎn)子之間的環(huán)形間隙，使得潛水泵電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子間的摩擦阻力變大[4]。為維持電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，需要產(chǎn)生更強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)磁場和更大的激磁電流，最終導(dǎo)致潛水泵電機(jī)過流。

1.2.3 潛水泵電機(jī)絕緣損壞的成因

潛水泵電機(jī)絕緣損壞主要是由抽液鉆孔動水位過低引起的。抽液鉆孔動水位過低，導(dǎo)致井孔內(nèi)水位超出了潛水泵-150 m的下潛深度，使得運(yùn)行中的潛水泵處于抽空(空載運(yùn)行)、無水冷卻狀態(tài)，最終導(dǎo)致潛水泵電機(jī)的絕緣溫度升高，進(jìn)而過熱燒損。

2 影響潛水泵使用周期的主要因素

通過對因潛水泵葉輪磨損/損壞、潛水泵與電機(jī)的連接花鍵磨損、潛水泵斷軸、潛水泵電機(jī)水封損壞導(dǎo)致的故障潛水泵進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)這些潛水泵均積淤嚴(yán)重。由于地浸采鈾礦山浸出液中攜帶有泥沙和礦層中的化學(xué)沉淀物等雜質(zhì)，致使浸出液提升用潛水泵工況變差。

潛水泵長期在這種較差的工況下運(yùn)行，易積淤過多而出現(xiàn)問題：1)高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的潛水泵葉輪與淤垢中的泥沙摩擦，導(dǎo)致葉輪葉片磨損甚至損壞；2)額外增加了潛水泵的載荷，在此種狀態(tài)下長期運(yùn)行使得潛水泵與電機(jī)的連接花鍵處因所承受的扭力增大導(dǎo)致磨損嚴(yán)重，進(jìn)而影響傳動，尤其是潛水泵由靜止啟動時，泵軸因承受的瞬時扭力過大易導(dǎo)致斷軸；3)潛水泵電機(jī)水封長期受淤垢中泥沙等雜質(zhì)的磨擦、沖刷，導(dǎo)致水封密封不嚴(yán)甚至損壞。

分析認(rèn)為，潛水泵葉輪磨損/損壞、潛水泵與電機(jī)的連接花鍵磨損、潛水泵斷軸、潛水泵電機(jī)水封損壞主要是由于潛水泵積淤過多所致。

綜合以上分析，可以將導(dǎo)致潛水泵抽液量下降、電機(jī)過流、電機(jī)絕緣損壞的原因(亦是影響潛水泵使用周期的因素)，歸結(jié)為潛水泵積淤過多和抽液鉆孔動水位過低。

3 提高潛水泵使用周期的方法

針對潛水泵積淤過多和抽液鉆孔動水位過低，制定相應(yīng)解決方法，見表1。

表1 潛水泵故障成因及解決方法

3.1 提泵清淤

潛水泵及電機(jī)積淤過多使得潛水泵出力下降，導(dǎo)致潛水泵抽液量隨之下降[5]。區(qū)別于因抽液鉆孔動水位低、涌水量不足所導(dǎo)致的潛水泵抽液量下降，前者表現(xiàn)為泵的抽液流量降低但不波動，電機(jī)電流亦不波動；而后者表現(xiàn)為泵的抽液流量和電機(jī)電流會周期性同步波動。所以針對抽液量下降明顯但不波動、電機(jī)電流亦不波動的抽液鉆孔，可進(jìn)行提泵清淤。

3.2 洗井

針對動水位低的抽液鉆孔，通過洗井提升水位，提高鉆孔涌水量。抽液鉆孔動水位低，實際上反映出其動水位波動較大，動水位最低時接近甚至超出了潛水泵的工作深度，導(dǎo)致潛水泵抽空(空載運(yùn)行)。此種情況大多是因為抽液鉆孔過濾器堵塞造成，具體表現(xiàn)為潛水泵抽液量伴隨著潛水泵電機(jī)電流同步波動。所以針對潛水泵抽液量波動大、電機(jī)電流亦波動較大的抽液鉆孔，可進(jìn)行洗井以提升水位，穩(wěn)定抽液流量。

3.3 潛水泵降頻運(yùn)行

若無法通過洗井改善抽液鉆孔涌水量，提升水位，則需要將潛水泵電機(jī)降頻運(yùn)行，減少其出力以穩(wěn)定抽液流量，避免潛水泵抽空(空載運(yùn)行)導(dǎo)致絕緣燒損。

3.4 更換低功率潛水泵

對于動水位過低且無法通過洗井改善的抽液鉆孔，在保證潛水泵揚(yáng)程的前提下，盡可能更換低功率潛水泵，在穩(wěn)定抽液流量的同時提高潛水泵電機(jī)的工作效率，提高其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

4 提高潛水泵使用周期方法的現(xiàn)場應(yīng)用

應(yīng)用3.1～3.4所述提高潛水泵使用周期的方法，解決內(nèi)蒙古某CO2+O2地浸采鈾礦山浸出液提升用潛水泵存在的實際問題。

4.1 解決潛水泵及電機(jī)積淤問題

在選擇抽液流量下降明顯但不波動、潛水泵電機(jī)電流亦不波動的抽液鉆孔，有針對性地進(jìn)行提泵清淤。

24-2421鉆孔：該抽液鉆孔內(nèi)潛水泵功率為5.5 kW，初始流量為6 m3/h，清淤前流量為2.5 m3/h。將整體泵提出后發(fā)現(xiàn)泵和電機(jī)均積淤嚴(yán)重，從而驗證了根據(jù)潛水泵抽液量和電機(jī)電流的變化來判斷潛水泵及電機(jī)積淤的可靠性。清淤后，該抽液鉆孔的抽液流量提升至5.8 m3/h，基本恢復(fù)正常，潛水泵抽液量下降的問題得以解決。

27-32B3鉆孔：該抽液鉆孔內(nèi)潛水泵功率為5.5 kW，初始流量為6.2 m3/h、電機(jī)電流為11 A；清淤前流量為4.1 m3/h、電機(jī)電流為14.1 A。該潛水泵電機(jī)電流已接近過流保護(hù)設(shè)定值(14.3 A)，隨時存在電機(jī)過流跳閘的可能。對該鉆孔進(jìn)行提泵清淤，將整體泵提出后發(fā)現(xiàn)泵和電機(jī)均積淤嚴(yán)重。清淤后，該抽液鉆孔的抽液流量提升至6.1 m3/h，電流降至11 A，基本恢復(fù)正常，潛水泵抽液量下降問題以及潛水泵電機(jī)過流隱患得以解決。

4.2 解決抽液鉆孔動水位過低問題

選擇抽液流量波動大、潛水泵電機(jī)電流亦波動較大的抽液鉆孔，有針對性地分別進(jìn)行洗井、將潛水泵降頻運(yùn)行和更換低功率潛水泵。

27-42B3鉆孔：該抽液鉆孔內(nèi)潛水泵功率為5.5 kW，抽液流量在0～5.6 m3/h波動，電機(jī)電流在5.3～11.2 A波動。測量鉆孔動水位發(fā)現(xiàn)，該鉆孔的動水位最低時達(dá)-150 m，已經(jīng)超出了潛水泵的下潛深度，從而驗證了根據(jù)潛水泵抽液量和潛水泵電機(jī)電流的變化來判斷抽液鉆孔水位低、涌水量不足的可靠性。對該鉆孔進(jìn)行空壓機(jī)洗井，洗井后抽液流量穩(wěn)定在5.1 m3/h，動水位穩(wěn)定在-76 m，通過洗井有效避免了潛水泵抽空(空載運(yùn)行)可能導(dǎo)致的電機(jī)絕緣燒損。

22-K1039鉆孔：該抽液鉆孔內(nèi)潛水泵功率為5.5 kW，抽液流量在0～4.2 m3/h波動，電機(jī)電流在5.0～10.9 A波動，電機(jī)頻率為50 Hz，動水位在-70～-150 m波動。該抽液鉆孔經(jīng)洗井后抽液流量未見改善，抽液流量仍波動較大。將該鉆孔內(nèi)潛水泵降頻運(yùn)行(由50 Hz降至47 Hz)以減少其出力，降頻運(yùn)行后抽液量穩(wěn)定在2.5 m3/h，動水位穩(wěn)定在-79 m。通過將潛水泵降頻運(yùn)行有效避免了潛水泵抽空(空載運(yùn)行)可能導(dǎo)致的電機(jī)絕緣燒損。

11-26C0鉆孔：該抽液鉆孔內(nèi)潛水泵功率為5.5 kW，抽液流量在0～2.3 m3/h波動，電機(jī)電流在5.6～11.1 A波動，電機(jī)頻率為50 Hz，動水位在-108～-151 m波動。該抽液鉆孔經(jīng)洗井后抽液量未見改善，仍波動較大。將該鉆孔內(nèi)潛水泵降頻運(yùn)行(由50 Hz降至45 Hz)，降頻運(yùn)行后抽液量仍波動?？紤]到潛水泵運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，不再對潛水泵繼續(xù)降頻以實現(xiàn)穩(wěn)定抽液量的目的；而是將原5.5 kW潛水泵更換為3.7 kW潛水泵，在其滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下水量穩(wěn)定在了1.92 m3/h，動水位穩(wěn)定在了-109 m。通過更換低功率潛水泵有效避免了潛水泵抽空(空載運(yùn)行)可能導(dǎo)致的電機(jī)絕緣燒損。

5 結(jié)論

導(dǎo)致內(nèi)蒙古某CO2+O2地浸采鈾礦山浸出液提升用潛水泵故障頻次較高、使用周期縮短的主要原因是潛水泵及電機(jī)積淤和抽液鉆孔動水位低，可以根據(jù)潛水泵抽液量以及電機(jī)電流的變化來判斷、區(qū)分成因。針對不同成因，通過對潛水泵及電機(jī)進(jìn)行清淤可避免因潛水泵及電機(jī)因積淤過多導(dǎo)致的潛水泵抽液量下降或潛水泵電機(jī)過流；通過洗井、將潛水泵降頻運(yùn)行、更換低功率潛水泵可避免因抽液鉆孔動水位低、涌水量不足導(dǎo)致的潛水泵抽空、絕緣燒損問題。