水利工程地下泵站水泵结构及材料研究

李 娟

(山西省中部引黄水务开发有限公司，山西太原030000)

0 前言

中部引黄工程地下泵站水泵一期工程，水泵抽送的是黄河水，泥沙含量大，水泵型式确定为立式、单吸、单级蜗壳式离心泵，属高扬程大容量泵组。

目前，高扬程大型离心泵的研制技术主要被少数国际大公司垄断，国内有类似制造业绩的厂家的工程实例不多，除哈尔滨电机厂成功自主研发了云南牛栏江滇池补水工程干河泵站的单级单吸高扬程大型离心泵外，尚无其他工程先例。因此，从国家重大装备需求及技术创新的战略高度出发，有必要开展高扬程、大容量立式单吸单级蜗壳式离心泵的水泵结构及材料研究。

1 工程概况

中部引黄工程自天桥水电站库区取水，取水口位于天桥水电站左坝头上游380 m处，取水泵站为地下泵站，布置七台机组，一期安装两台立式、单吸、单级蜗壳式离心泵，设计流量6.6 m3/s，额定转速600 r/min，设计扬程200 m，属高扬程大容量泵组。

2 水泵结构及材料要求

2.1 蜗壳

(1)水泵蜗壳应采用明设布置，其出口通过法兰与出口延伸管段连接。

(2)蜗壳应采用耐泥沙磨损、可常温焊接的、可焊性好的，性能不低于Q345R材料制造。设计时应考虑不少于5 mm的泥沙磨损腐蚀余量。蜗壳内表面应采用可修复的抗磨蚀涂层。

2.2 顶盖

顶盖应采用优质(不低于Q235B性能)钢板焊接结构，整体运输。顶盖外圆直径应满足在水泵叶轮芯包拆出情况下从水泵叶轮中拆吊孔吊出的要求。

2.3 座环及固定导叶

(1)座环及固定导叶是水泵重要的传力受力部件和水泵出口水流进入蜗壳的导流部件。座环与蜗壳的连接应为可拆式结构，应满足其过流表面泥沙磨蚀后便于修复。座环及固定导叶应采用抗空蚀抗磨损性能和焊接性能不低于0Cr16Ni5Mo(碳含量≤0.045%)超低碳不锈钢材料制造。

(2)固定导叶可采用不锈钢厚钢板模压或锻造成型后数控加工，上下环板采用锻造成型后数控加工，分别抛光成需要的尺寸，之后组焊。焊接时应做好防变形措施，焊后应按本钢种的热处理工艺规范和合理的防变形措施进行热处理、消除焊接应力。

(3)座环及固定导叶应有足够的强度和刚度。

(4)座环内上下过流表面和固定导叶过流表面(特别进口部位)应设置抗磨涂层保护。该涂层应具有优良的抗泥沙磨损能力。

2.4 底环和基础环

(1)当泵的主轴和电机轴解列时，叶轮和主轴向下放于底环支持法兰上。底环由高强度优质低合金钢板(不低于Q345C)焊接而成。

(2)基础环由钢板焊接制成，基础环与底环用螺栓连接。

(3)在与叶轮进口密封环对应的位置，为底环安置一个可替换的适当厚度的不锈钢固定密封环，其硬度应低于叶轮密封环(动)至少40HB单位。

(4)底环内表面上应敷设不锈钢抗磨板。

2.5 叶轮

(1)叶轮为单吸、单级、离心式。水泵叶轮应采用铸焊结构。应满足其过流表面泥沙磨蚀后便于修复。叶轮上、下盖板应锻造或铸造(VOD精炼)成型后数控加工并抛光成需要的尺寸；叶片加工应采用“叶片模压成型+数控加工”、“VOD精铸+数控加工”两种方式中的一种，以提高质量和精度。

(2)叶轮和水泵主轴的连接方式应考虑到采用芯包快速检修更换叶轮的需要。并保证在任何运行工况、任何转速包括最大反向飞逸转速下均能安全运转。

(3)叶片过流表面应光滑、型线应准确。

(4)叶轮设计应能承受水泵/电动机组的最大飞逸转速。

(5)为便于维护叶轮和密封环，采用“方案”，即先拆卸中间轴，然后将叶轮芯包等从水泵层吊起，水平运输至进水侧球阀的吊物孔下方，再利用厂房桥式起重机从球阀吊物孔吊入(或吊出)进行修理和维护。

2.6 主轴和中间轴

(1)水泵电动机组为三段轴结构，包括水泵主轴、电动机轴及连接水泵主轴和电动机轴的中间轴。

(2)主轴、中间轴及其法兰(如果有)的材质应采用性能不低于20Simn的材料整体锻造。主轴、中间轴应具有相同的外径。

(3)中间轴应具有足够的长度以允许水泵整体芯包能够中拆移出。

2.7 主轴密封

主轴密封包括工作密封和检修密封。在主轴穿过顶盖的部位应设置密封装置。主轴密封的设计、材料选择应充分考虑黄河泥沙的影响。

2.8 水泵导轴承

(1)导轴承采用稀油润滑，其结构应可靠和便于检修，在不拆除导轴承部件就能检修、调整或更换主轴密封部件。(2)轴承的冷却器管材料和结构应便于拆卸和检修，具有足够的热交换容量并应能适应本工程以未经处理的黄河含沙水流作为冷却介质，具有防泥沙沉淀并便于清洗的特点。

2.9 水泵支承座及基础

(1)水泵通过其支承座被安装在预埋在混凝土中的基础上，与水泵配套的电动机则安装在水泵上方另一个单独的混凝土底座上。

(2)支承座和水泵预埋基础应采用可常温焊接、可焊性好的优质碳素钢(不低于中国标准Q235C)制造，焊后不需要进行热处理。

(3)水泵支承座应采用合理的结构型式，应尽可能拆装方便，布置上应尽可能避开水泵进水管中心线，应保证水泵在各种运行和事故工况下，水泵支撑座和基础预埋件结构的安全和可靠，不允许任何危害设备运行安全和厂房建筑物安全的现象产生。水泵预埋基础须采用大体量型钢结构保证受力安全。

2.10 进水管

(1)水泵进水管应为钢板焊接结构，其型式应使水流流畅。进水管包括水平管段、渐变管(若有)和泵进水肘管。

(2)由于进水池设计水位828.58 m，最低运行水位827.10 m，进水池洞顶高程834.30 m，进水管中心线高程804.80 m，因此，进水管承受的最大静水压力为29.5 m，考虑事故停泵过渡过程中的进水管压力升高和一定的安全系数，进水管设计压力采用1.0 MPa。进水管水平管段及渐变管(若有)应采用优质碳素钢Q235B或相当于Q235B的材料制造并进行防腐处理。应具有足够的强度和刚度。

(3)水泵进水肘管段(从与叶轮进口衔接断面算起向下延伸至与渐变段相接断面长度)应全部采用耐磨不锈钢材料制造。

(4)在进水管水平管段45°侧下方向上设直径为Φ600 mm的外开式进人门。

2.11 蜗壳出口延伸管段

(1)将蜗壳出口延伸管段直径由原设计值1.6 m变更为1.2 m，水泵出口阀直径也由原1.6 m更改为1.2 m。本工程出水池设计水位为1027.0 m，水泵出口中心高程为808.50 m，水泵设计扬程达到200 m，为减少出水管作用在蜗壳上的反作用力，结合考虑蜗壳出口直径，将蜗壳出口延伸管段直径由原设计值1.6 m变更为1.2 m。由此，可减少反作用力F=ρgH×π/4×(1.62-1.22)=1723 kN。

(2)蜗壳出口扩散管段进水侧通过法兰与蜗壳出口连接，出水侧通过法兰与液压球阀前的DN1200波纹伸缩节法兰连接(伸缩节、连接法兰对、螺栓、螺母、垫片等件随阀门采购供货)。延伸管段材料与蜗壳一致(性能不低于Q345R)，设计压力采用3.0 MPa。

(3)为保证水泵整体受力安全，应根据泵站给出的现有布置条件，在水泵蜗壳出口的延伸管段上设置止推法兰和可与延伸管段分离的金属钢镇墩。钢镇墩与延伸管采用推力法兰螺栓紧固，与基础锚板采用焊接固定。

(4)延伸管应采用可常温焊接、可焊性好的低合金压力容器钢板(不低于中国标准Q345R)制造，焊后不需要进行热处理。钢镇墩应采用可常温焊接、可焊性好的优质碳素钢制造(不低于中国标准Q235C)，焊后不需要进行热处理。

(5)延伸管段和钢镇墩应能独立承受最不利工况下作用在其上的各种力，以及满足由此产生的结构应力、应变、变形、腐蚀等对其强度、刚度的要求。这些不利工况包括但不限于：水泵关阀启动造压过程、泵组正常停机过程、水泵电动机组在最大运行条件下突发断电事故停机过程，以及泵站出水系统因温差变形等产生的作用在延伸管段和钢镇墩上的所有力。

3 结论与建议

3.1 水泵结构

(1)为便于维护叶轮和密封环，建议水泵采用“中拆+下拆”方案。下拆部件主要包括水泵进口弯管、下导轴承、下主轴密封。为便于首级叶轮检查与维护，宜具备下拆条件。

(2)为方便水泵安装检修及后期运行管理，建议水泵主轴采用柔性联结，即水泵与电动机分设推力轴承，水泵通过中间轴与电动机轴采用弹性联轴器联结，水泵推力轴承布置在泵盖上部。

(3)鉴于水泵主轴采用柔性联结方式，为保证推力轴承可靠传递轴向推力，水泵采用“蜗壳+固定导叶”结构，蜗壳和固定导叶之间为可拆结构，蜗壳宜设有不可拆卸的固定导叶。为便于蜗壳及固定导叶在受到泥沙磨蚀后修复，蜗壳采用明设布置。蜗壳可采用铸造或焊接结构。

3.2 水泵材料

水泵蜗壳及泵壳的壁厚应考虑至少5 mm的磨损余量。当内部做抗磨蚀涂层保护时，应便于修复。水泵的蜗壳及泵壳采用耐泥沙磨损、可常温焊接、可焊性好、性能不低于Q345R的材料制造，可拆的座环(固定导叶)及级间导叶部件采用性能不低于0Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢的材料制造。