» » Условия эксплуатации центробежных насосов

Условия эксплуатации центробежных насосов

30.08.2016

Ранее обоснована эффективность замены стальных труб на шахтном водоотливе бипластмассовыми. Отметим, что трубы как транспортирующая система работают в относительно спокойном режиме потока жидкости, порой даже в ламинарном, тогда как характер движения жидкости в центробежных насосах, преимущественно применяемых в современных средствах шахтного водоотлива, носит неупорядоченный, вихревой характер с высокими перепадами скоростей и давлений. Поскольку перекачиваемые шахтные воды в общем случае являются не только агрессивными по составу, но и несут большое количество абразивных частиц, то к материалам рабочих деталей шахтных центробежных насосов предъявляется комплекс требований по противодействию коррозии, гидроабразивному износу и в отдельных случаях гидроэрозии. Рассмотрим общую схему механизма воздействия этих факторов.
Электрохимическая коррозия обусловливается термодинамической неустойчивостью металла в конкретных условиях, связанных главным образом с наличием влаги и возникающей в металлах малой разности потенциалов, вызванной разным химическим составом, различным запасом энергии и ходом гальванической реакции. Характеристикой корродирующего воздействия раствора на металлы является водородный потенциал pH, который делит растворы на корродирующие, полукорродирующие и некорродирующие — щелочные (рН>7), нейтральные (pH 7), кислые (рН<7). Особенно агрессивное воздействие на металлы оказывает кислая реакция воды.
Интенсивность коррозии существенно зависит от скорости движения шахтной воды относительно металла, достигая с ее возрастанием некоторого максимума; от температуры рабочей среды, достигая например, для стали при tкр = 60° С; от физикохимического состояния поверхности металла — ее чистоты, структуры, способности к пассивации.
Гидроабразивный износ определяется составом находящихся в шахтной воде твердых частиц, а также скоростью и способом их воздействия на материал. Исследования шахтных вод Донбасса и Подмосковья показали, что содержание в них твердых примесей составляет 3 кг/м3, а на шахтах с гидрозакладкой до 110 см3 взвешенных частиц закладочного материала на 500 см3 отработанной воды, причем основную массу (60%) взвешенных в воде примесей составляют фракции 0,1—0,2 мм. Гидроабразивный износ в общем случае зависит от большого числа факторов: концентрации абразива, размеров и формы взвешенных частиц (наличие граней, острых углов и пр.), скорости движения твердых частиц, их угла атаки, общей динамики потока.
Влияние скорости движения абразивных частиц в потоке на изнашивание материала определяется кинетической энергией их удара и описывается формулой (10.2), из которой следует, что создание высоконапорных насосов на основании повышения скорости вращения роторов связано с резко возрастающим износом рабочих деталей и, следовательно, с проблемой изыскания новых износостойких материалов. Влияние угла встречи твердой частицы с изнашиваемой поверхностью зависит от физико-механических свойств материала детали. Для пластических материалов износ, представляющий собой процесс отделения пластически деформируемых микронеровностей, возрастает с увеличением угла атаки; для твердых и хрупких материалов, напротив, максимальный износ наблюдается при падении частиц под прямым углом, а при уменьшении угла атаки происходит ударно-скользящий контакт, приводящий в поверхностных микрообъемах к возрастанию касательных напряжений (сдвига).
Изложенная схема износа материалов является упрощенной; на самом же деле, как показано С.П. Козыревым, зависимость износа от угла воздействия частиц представляется более сложной. Скорость движения и углы атаки абразивных частиц, переносимых потоком жидкости в различных проточных каналах реальных гидромашин, непрерывно изменяются. Следовательно, на износ существенное влияние оказывают динамические параметры потока. При обтекании потоком препятствий образовываются вихри, которые могут действовать на деталь под различными углами, усиливая, таким образом, местное абразивное изнашивание поверхности детали.
Форма вихрей в сложных сечениях деталей гидравлических машин непрерывно меняется, и абразивные частицы воздействуют на детали различным образом, в том числе и наименее благоприятным. Кроме того, распады вихрей вызывают ударное воздействие масс жидкости и абразивных частиц на изнашиваемую поверхность, а в потоке существует пульсация скоростей, величина которой может отклоняться от средней скорости потока на 40%. Таким образом, на абразивную частицу воздействуют массы жидкостей различных скоростей. Это способствует проявлению местного износа, который протекает в несколько раз быстрее общего и характерен для таких деталей шахтных насосов, как проточные каналы рабочих колес, уплотнения, крышки, направляющие аппараты и т. п.
Гидроэрозия — разрушение материала под воздействием кавитации — во многих случаях является основной причиной преждевременного выхода из строя рабочих деталей шахтных центробежных насосов. Механизм кавитации к настоящему времени изучен еще недостаточно точно, однако обосновано, что он проходит в две фазы: 1) образование каверн, заполненных пузырьками пара и воды в зонах пониженных давлений; 2) конденсация пара внутри каверн, сопровождающихся микролокальными гидравлическими ударами в области высокого давления; при этом в соответствующих микрообъемах давление повышается до р' = 1500-3000 атм.
Проявлению гидроэрозии способствует как нарушение сплошности шахтной воды из-за наличия в ней дефектов (растворенных газов), так и наличие в ней твердых частиц, в частности угольной пыли. Опытами, проведенными в трубе Вентури, доказано, что добавление в воду угольного порошка ускоряет развитие кавитации. На интенсивность гидроэрозии существенно влияет также скорость потока, имеющая параболическую зависимость в степени n = 7-15.
Указанные факторы — электрохимическая коррозия, гидроабразивный износ и кавитация—действуют на поверхности рабочих деталей насосов комплексно, одновременно в различных сочетаниях. Под их воздействием поверхность рабочих деталей насосов непрерывно корродирует, а продукты коррозии отделяются ударами струй жидкости, частиц абразива и кавитации. Наиболее интенсивно износ протекает при наличии кавитации.
Ниже излагаются результаты исследования износостойкости различных материалов применительно к условиям работы рабочих деталей шахтных центробежных насосов, проведенные в ВИГМ им. М.М. Федорова В.Л. Кричевским.