水泵用纳米塑料合金密封环在东雷泵站的试验

李格强 王白云

[摘 要] 介绍了国产离心泵在沿黄泵站存在的磨蚀严重的问题，通过在东雷泵站的真机试验，纳米塑料合金材料密封环抗磨蚀性能优良，在多泥沙河流离心泵上应用效果显著，具有推广价值。

[关键词] 纳米塑料合金 水泵 磨蚀 密封环 试验

长期以来，水泵过流部件磨蚀（泥沙磨损、汽蚀）损害问题持续困扰着广大泵站运行管理部门，在我国黄河流域以黄河水为水源的高扬程提灌泵站的水泵尤为突出。在以多泥沙水为水源的沿黄高扬程泵站，采用水泵过流部件表面采用高硬度合金喷焊、非金属喷涂和用高高硬度材料制作过流部件等抗磨蚀方法应用比较广泛，也取得了比较好的效果，但技术复杂、价格昂贵，在泵站单位难以大规模推广。为了寻求一种价格合理，技术简单的水泵过流部件抗磨蚀的方案，东雷抽黄管理局同重庆新高纳米塑料合金公司针对国产系列离心泵用密封环选材质量低，抗磨蚀性能差，使用寿命短，水泵效率降低快等问题开展了水泵用纳米塑料合金密封环的开发和应用试验。

一、普通水泵密封环存在的主要问题

24sh-9A、24sh-13型水泵系国产系列离心泵，按清水介质设计，叶轮、密封环、泵壳体均为铸铁制造，在黄河高含砂水流中运行，水泵密封环存在以下问题：

1、使用寿命短

密封环设计为传统直角形，通常用HT_15-33或HT_20-40型灰口铸铁制造。连续运行1000～1500h密封环间隙由安装时的0.35～0.40mm磨蚀到12.50～15.00mm，过流表面被含砂水流冲蚀成锯齿形和不规则形，密封环边壁多处穿孔，止漏部位被含砂水流冲蚀有深10~15mm，宽8~10mm的V型槽，端面平均磨损8~10mm。

2、影响叶轮的使用寿命

密封环间隙增大后，叶轮止口面被含砂水流冲刷有一条深5～10mm宽约10mm的V形槽，使密封环间隙内水流状态发生变化，诱发汽蚀产生，加剧了密封环过流表面的磨蚀。止口面的冲蚀、破坏，影响了叶轮的使用寿命，更为重要是直接影响密封环的二次安装间隙尺寸。

3、容积损失大，水泵效率低

密封环间隙增大后，使水泵高压腔水流过多地流入水泵低压区，高压高速水流冲刷磨损水泵壳体、密封环的安装部位和水泵清水润滑密封装置的填料（石棉盘根）。影响水泵壳体和填料的使用寿命。更为重要的是过多的回流水在水泵高低压区循环，水泵容积损失增大，出水流量减小，效率降低。

4、增大了维修费用

叶轮正常使用3000～3500小时报废更换，而铸铁密封环使用寿命仅是叶轮寿命的1/3，频繁的检修更换密封环，增大了泵站的维修费用，提高了工人的劳动强度。

二、开发研究的目标

开发和应用试验的目标是：应用现代高新技术，研制开发纳米塑料合金材质密封环替代传统的铸铁密封环。在东雷泵站，密封环使用寿命P≥5000h, P=5000h时，密封环单边磨蚀量≤3.50mm。

三、试验泵站概况

东雷一期抽黄灌溉工程位于关中东部合阳、澄城、大荔三县境内，是陕西省开发利用黄河水资源进行农田灌溉的大型高扬程灌区。设计灌溉面积102万亩。建成东雷、新民、南乌牛、加西、等灌溉系统。有效面积83.7万亩，共建有泵站28座，安装不同类型的抽水水泵131台，总装机容量11.62万KW。

西高明三级站是一期抽黄工程最大的系列离心泵站，安装24sh-9A型系列离心泵11台，扬程69.9m，安装24sh-13型离心泵9台，扬程55.6m，总装机容量14430kw，总流量14.29m³/s。灌溉农田39.17万亩。

北棘茨四级站安装机组8台，其中24sh～13型离心泵4台，20sh～9A型离心泵4台，扬程为42 m，总流量6.2m³/s，总装机容量4040 KW。

四、现场试验情况

2006年3月，北棘茨站的4^#和6^#水泵投入运行，截止2009年9月，4^#水泵累计运行4547.51h，密封环单边磨损1.90 mm；6^#水泵累计运行4864.41h，密封环单边磨损2.75～2.86mm。由于北棘茨泵站改造，经领导小组批准于2009年12月将4^#和6^#水泵上的密封环分别安装在西高明三级站的6^#(24sh-9A型)水泵和16^#(24sh-13)水泵上。截止2011年4月底，安装于西高明泵站6^#水泵的密封环连前累计运行6960.67h，单边磨损3.40mm；16^#水泵的密封环连前累计运行7053.01h，密封环单边磨损11.65mm。

水泵运行时间抽水量及密封环单边磨损量表

年份	北棘茨站4#水泵运行情况						北棘茨站6#水泵运行情况
	含沙量（kg/m3）	运行时间 （h）	抽水量 (万m3)		单边 磨损量（mm）		含沙量（kg/m3）	运行时间 （h）	抽水量 (万m3）	单边 磨损量 （mm）
2006	2.56/4.30	817.33	203.03		0.95		2.56/4.30	690.69	171.57	0.70
2007	2.56/4.80	1203.50	298.95		0.10		2.56/4.80	889.20	220.90	0.45
2008	5.27/7.15	1372.15	340.84		0.35		5.27/7.15	1593.10	395.73	0.33
2009	5.31/6.12	1154.53	286.79		0.50		5.31/6.12	1691.32	420.12	1.27
合计		4547.51	1129.61		1.90			4864.31	1208.32	2.75
	西高明站6#水泵运行情况						西高明站16#水泵运行情况
2010	3.76/5.09	1648.10		320.39		0.40	3.76/5.09	1364.61	265.28	7.15
2011	5.59	765.06		148.73		1.10	5.59	824.09	160.20	1.75
两站 合计		6960.67		1598.73		3.40		7053.01	1633.80	11.65

五、现场试验结果

1、纳米塑料合金材料密封环由新型材料复合而成，在多泥沙河流水泵上运行6960.67h，单边磨损3.4mm，密封环还能继续运行，而铸铁密封环运行1000～1500h，单边磨蚀12.50～15mm，磨蚀报废。按目前运行时间，新型密封环使用寿命是铸铁密封环的4.64～6.96倍以上。新型密封环磨损量0.49mm/kh，而铸铁密封环为8.40～15mm/kh。铸铁密封环磨损量是新型密封环的17.14～30.61倍。

2、纳米塑料合金密封环运行时间长，间隙变化小，每1000h径向单边仅磨损0.49mm，使水泵长期保持在高效区运行，减少了容积损失，提高了水泵效率。

七、效益分析

纳米塑料合金密封环在东雷抽黄北棘茨四级站、西高明三级站应用后取得了良好使用效果和经济效益，水泵连续运行6960.67h，单边磨损3.4mm还能继续运行，创造东雷抽黄工程多泥沙泵站离心泵密封环运行的奇迹。与铸铁密封环相比较，按单台年运行1680小时计算，北棘茨四级站8台水泵年可节约密封环更换维修费2.06万元，西高明三级站20台水泵年可节约密封环更换维修费5.16万元，同时还大大减轻了工人的劳动强度。铸铁密封环运行400多小时后密封环间隙增大，水泵容积损失增大，水泵流量下降10～15%，效率下降5～8%，换用纳米塑料合金密封环后，北棘茨四级站年可节电12.32~19.71万kwh，按电价0.2元/kwh计算年可节约电费2.46~3.94万元，年可多抽水154~231万m³，多浇灌农田0.94~1.4万亩，多收入水电费47.12~70.69万元，增产效益709~1064万元；高明三级站年可节电68.6~109.8万kwh，按电价0.2元/kwh计算年可节约电费13.72~21.96万元，年可多抽水423~635万m³，多浇灌农田2.42~3.63万亩，多收入水电费121.82~182.74万元，增产效益1826~3285万元。

若东雷抽黄管理局在全灌区114台离心泵上推广应用，按每台泵年均运行1680台时，可多抽水740～1111万m³，按多抽水水量的70%为斗口水量，年可多收入水电费186.48~279.72万元，多灌溉农田7. 4~11.1万亩，可增产效益5820~8720万元。

八、结论

应用此项试验成果制造的新型密封环结构简单，易加工，抗磨蚀性能优良，价格合理，在多泥沙河流离心泵上应用效果显著，还可在全国其它离心泵站上推广应用。