Химические насосы с полимерной футеровкой


Д.В. Марков, Г.В. Соболев, Ю.Т. Дурбайло (ЗАО "Гидрогаз")

 

Завод "Гидрогаз" - единственное предприятие в России с полностью замкнутым циклом производства, специализирующееся на проектировании и серийном изготовлении насосного оборудования и запорно-регулирующей арматуры с полимерной футеровкой для химических производств.
Предприятие работает с 1990 г., используя передовой опыт машиностроения для космической и электронной техники, последние достижения в технологии и материаловедении.
Еще недавно потребности промышленности в химических насосах удовлетворялись в основном за счет импорта, а также крупными специализированными насосными заводами (Катайским, Целиноградским, Свердловским, Щелковским и Новочеркасским электродным). Из-за отсутствия конкуренции в бывшем СССР такие зарубежные фирмы, как KSB, RHEINHUTTE PUMPEN, RUTHNER, RICHTER, CHEMIETECHNIK, смогли завоевать прочные позиции на химических, нефтехимических, металлургических и других заводах, вытесняя из технологических циклов с тяжелыми условиями эксплуатации отечественное химическое оборудование с невысоким ресурсом работы.

Проблемы переходного периода и валютные ограничения способствовали формированию устойчивого высокого спроса на импортозамещающее или быстроизнашиваемое насосное оборудование для перекачивания жидкостей с высокими температурой и концентрацией агрессивных компонентов. Накопленный опыт производства турбонасосов, возможность применения ранее не использовавшихся в машиностроении материалов и технологий, систематический спрос на химические агрегаты позволили ЗАО "Гидрогаз" разработать и освоить производство новой для себя продукции - отечественных химических насосов.
Ресурс работы химического насоса в первую очередь определяется материалом проточной части, при этом дорогостоящие легированные стали и сплавы, титан уступают относительно недорогим, но универсальным с точки зрения химического сопротивления пластполимерам, работоспособным практически в любых средах.

В результате применения методики отработки опытных образцов в условиях технологических линий заказчиков, обеспечения подконтрольной эксплуатации агрегатов у потребителя выявлены особенности, повлиявшие на конструкции разработанных насосов:

  • рабочие среды в большинстве случаев отличаются повышенной загрязненностью твердыми частицами (элементами футеровки трубопроводов, осевшими в емкостях продуктами реакций, кристаллизующимися компонентами и т.п.), что связано с отсутствием или неработоспособностью фильтров перед химическими насосами, низкими культурой производства и технологической дисциплиной;
  • велика вероятность эксплуатации агрегатов вне рабочих диапазонов из-за отсутствия регистрирующей химически стойкой аппаратуры, устройств защиты или блокировки, что иногда связано со спецификой непрерывного технологического процесса;
  • обслуживание и ремонт насосов осуществляются в условиях дефицита необходимых материалов и запасных частей, часто недостаточно обученным персоналом.

По результатам анализа опыта эксплуатации импортных и отечественных насосов были установлены повышенные требования к разрабатываемому оборудованию. Особенностью конструкции насосов [1-3] является наличие "слабого" места, чувствительного к ошибкам эксплуатации. Это могут быть элементы из нестойких к среде материалов (обычно вал или закладной элемент рабочего колеса), торцовые уплотнения постоянного трения или другие части.
Одним из недостатков химических насосов с торцовыми уплотнениями постоянного трения является невысокая надежность, обусловленная необходимостью постоянного охлаждения и низкой износостойкостью пар трения в рабочей среде. Причем не всегда в качестве охлаждающей может использоваться перекачиваемая жидкость, в этом случае требуется дополнительный источник питания для охладителя, что усложняет конструкцию агрегата.

При создании химических насосов нового поколения была проведена доводка конструкции. Первоначально проточная часть насосов изготовлялась из коррозионно-стойких высоколегированных сталей, титановых сплавов, а стояночное уплотнение включало механизм расцепления пары трения крутящим моментом [4]. Следующим шагом был отказ от использования металлов в проточной части насоса из-за их низкой стойкости при работе в экстремальных условиях и высокой стоимости. Применение пресс-материалов (эпана, ДСВ) позволило повысить "живучесть" насосов, но технологические проблемы изготовления крупногабаритных деталей, экологические требования, узкий диапазон применения этих пластмасс предопределили выбор пластполимеров.

В настоящее время завод производит широкую номенклатуру химических насосов с уплотнениями - стояночным торцовым, двойным торцовым, двойным сальниковым, а также химические герметичные насосы с магнитной муфтой.

Конструктивно-технологические особенности насосов серии АХ: проточная и ходовая части разделены системой динамических уплотнений. Насос ( рис. 1) соединяется с электродвигателем легкоразборной муфтой. Разъем между частями и демонтируемая муфта позволяют ремонтировать насос без разъединения корпуса насоса и системных трубопроводов, что соответствует современным техническим требованиям [5].

Проточная часть состоит из корпуса насоса с осевым входом и тангенциальным отводом; рабочего колеса (консольно закрепленного гайкой на валу) со щелевым (на входе) и гидродинамическим (на выходе) уплотнениями; гидравлического затвора; стояночного торцового уплотнения, дренажной системы. Все эти элементы имеют возможность резервирования выполняемых функций. Например, вал изготовляется из стойких к рабочей среде материалов, несмотря на наличие защитных уплотнений между деталями ротора, ограничивающих контакт жидкости с металлом. Детали проточной части выполняются из химически стойких пластполимеров (либо футеруются ими) методом литья под давлением. При этом обеспечиваются высокое качество и точность геометрии поверхностей рабочего тракта, низкие гидравлические потери на трение о жидкость. Толстослойная полимерная футеровка корпуса насоса защищает силовую оболочку от агрессивных воздействий, снижает гидравлический шум, уровень пульсаций, теплопередачу от рабочей среды и термические напряжения в конструкции.
Как известно, пластмассы по сравнению с металлами более стойки к химическим воздействиям в более широком диапазоне параметров, поэтому обеспечивают универсальность применения насосов. В свою очередь металлическая оболочка воспринимает силовые нагрузки от разъемов и трубопроводов, защищает агрегат от внешних механических воздействий, повышает "живучесть" агрегата, хотя и значительно увеличивает его массу.

Освоенная заводом "Гидрогаз" уникальная технология литья пластполимеров в крупногабаритные тонкостенные металлические оболочки позволяет производить передовое насосное оборудование и запорно-регулирующую арматуру.

Высокие энергетические параметры насосов, очень низкий уровень шума, пульсаций и вибраций на всех режимах работы (в том числе на нерасчетных) являются следствием оптимального профилирования проточной части и тщательной балансировки ротора. Особое внимание уделено надежности уплотнения ротора. Система динамических уплотнений включает стояночное торцовое уплотнение, исключающее утечки из неработающего насоса, двухступенчатый гидродинамический затвор и дренажную систему отвода утечек на нестационарных режимах пуска-останова. Запуск или работа насоса "всухую" является грубой и распространенной ошибкой при эксплуатации. Оригинальная конструкция торцового уплотнения с механизмом раскрытия центробежной силой допускает работу не заполненного жидкостью насоса, обеспечивает надежное разъединение трущихся графитовых колец (при пуске) и их смыкание (при останове), исключает рост давления в насосе выше допустимого. Двойной гидравлический затвор полностью запирает жидкость при работе насоса, не требует обслуживания при длительной непрерывной эксплуатации. Но принятая схема уплотнений ограничивает допустимое давление перед насосом.

Дренажная система предназначена для контролируемого отвода выплесков жидкости при пуске-останове или паров при работе с легкоиспаряющимися, ядовитыми, особо ценными средами. При этом обеспечивается необходимая экологическая безопасность эксплуатации агрегата.
Проточная часть насоса состоит из корпуса, в котором на подшипниках качения вращается ротор. Установкой сдвоенного упорного шарикоподшипника между съемными корпусом подшипника и крышкой обеспечиваются осевые зазоры в проточной части. Со стороны приводной муфты для компенсации тепловых деформаций вал опирается на "плавающий" роликоподшипник. Подшипники при сборке заполняются консистентной смазкой, а в период эксплуатации дополнительно охлаждаются масляным туманом, создаваемым вращающимся разбрызгивателем. Для автоматического поддержания уровня масла в картере ходовой части агрегаты комплектуются наливной масленкой.

Все насосы типоразмерного ряда максимально унифицированы. Освоенные в производстве ЗАО "Гидрогаз" насосы практически охватывают весь спектр наиболее часто встречающегося химического насосного оборудования (рис. 2). Номенклатура насосов ежегодно расширяется, по заявкам потребителей с целью обеспечения диапазона расходов до 300 м3/ч и напоров до 55 м с учетом стандартизированного ряда [6].

ЗАО "Гидрогаз" по требованию заказчика комплектует агрегаты вспомогательной продукцией своего производства - электронными блоками защиты и запорно-регулирующей арматурой аналогичного исполнения. По техническим заданиям осуществляется поставка насосных станций, в которых сдублированные агрегаты обвязаны химически стойкими трубопроводами с арматурой, снабженной: пускорегулирующими устройствами, и смонтированы в едином блоке.
Основные параметры насосов приведены в таблице.

Система качества продукции, используемая в производстве космической техники, по составу требований соответствует наиболее эффективной системе по ИСО 9001. Заимствование элементов этой системы позволяет осуществлять всесторонний контроль процесса производства и его важнейших операций.

Качество изготовления составных частей насосов проверяется методами не разрушающего контроля. Например, покрытия испытываются на "пробой" электроискровым методом, основные детали и сборочные единицы на прочность и герметичность - в соответствии с техническими нормами. Все агрегаты (и комплектующие изделия) подвергаются гидравлическим испытаниям для подтверждения их параметров и работоспособности. Раз в полгода при периодических испытаниях контролируется стабильность технологических процессов, определяются КПД насосов, напорная, кавитационная и другие характеристики в расширенном диапазоне.

Комплексное решение вопросов надежности насосов позволило по ряду показателей опередить известных производителей, в том числе и зарубежных. Агрегаты серии АХ, изготовляемые ЗАО "Гидрогаз", обладают высокой надежностью, обусловленной простотой и оптимальностью конструкции, применением пластполимеров, дублированием важнейших функций, принятой системой уплотнений. Это существенно уменьшает затраты на эксплуатацию и ремонт, снижает стоимость агрегатов.

Оперативное сервисное, гарантийное и послегарантийное обслуживание, обусловленное необходимостью доводки насосов в технологических линиях заказчиков, завоевывает все большее признание потребителей. Наибольшее число агрегатов серии АХ эксплуатируется на Новолипецком металлургическом комбинате, АО "Ванадий-Тула", АО "Щекиноазот", АО "Аурат", заводе "Электросталь", ряде ТЭЦ и ГЭС.

Разнообразие современных заказов требует непрерывного обновления номенклатуры изделий, освоения новых материалов, технологий и конструкторских решений. Идеология ЗАО "Гидрогаз" - сохранение высокого уровня инвестиций на опытно-конструкторские и экспериментально-исследовательские работы и опережающих темпов технического развития. Такой подход соответствует мировому опыту взаимодействия научных и производственных подразделений в фирмах, лидирующих на рынках наукоемкой продукции.

Машинное проектирование и документооборот, внедренные на предприятии, высокий уровень унификации деталей сокращают сроки разработки и освоения производства новых насосов, позволяют оперативно реагировать на запросы потребителей, изготовлять агрегаты крупными и мелкими партиями с учетом особенностей эксплуатации, практически не создавая складских запасов.

Для ускорения внедрения передовых конструкторских и проектных решений ЗАО "Гидрогаз" в области производства химических насосов и запорно-регулирующей химически стойкой арматуры в различные отрасли промышленности и энергетики создана развитая дилерская сеть, задачами которой являются:

  • анализ российского и зарубежного рынков;
  • налаживание прямых контактов с потребителями с помощью наиболее современных (Интернет, Е-mail) и традиционных средств связи;
  • работа с потребителями в части расширения типоразмерного ряда выпускаемой продукции;
  • оказание маркетинговых услуг и проведение технических консультаций;
    устройство постоянно действующей выставки продукции ЗАО "Гидрогаз".

Список литературы:

  1. Product Range Pumps. RHEINHUTTE PUMPEN. Germany. 39 S.
  2. Chemical Process Pumps. SeriesSCK. ITT RICHTER CHIMIE-TECHNIK. Germany. 7 S.
  3. Kunstoff- Kreisel-pumpen zur Forderung Aktiengesel-lschaft. Schweiz. 7 S.
  4. Патент РФ N2028524, МКИ F 16 J 15/34.
  5. ИСО 2858-75. Насосы центробежные с осевым входом. Обозначения, номинальные параметры и размеры.
  6. ГОСТ 24578-81. Насосы центробежные консольные с осевым входом для химических производств. Общие технические условия.