ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НАСОСОВ, ПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ НЕНЬЮТОНОВСКИЕ ЖИДКОСТИ.

Кандидат технических наук Любин Я.Л. 

      Создание новых технологий в химической, нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности, расширение номенклатуры неньютоновских жидкостей, которые необходимо транспортировать на предприятиях этих отраслей, и увеличение объемов их применения вызвало потребность в насосах новых типов, более пригодных для таких жидкостей. К ним можно отнести некоторые разновидности дисковых и роторных насосов, которые не так давно считались экзотическими и малоперспективными. 

         Теперь параметрическое поле этих насосов постоянно расширяется. Например, дисковые насосы выпускаются на подачи от 0,5 до 2200 м³/ч, а роторные с эластичным ротором до 30 м³/ч. 

      Вместе с тем переход на новые пути хозяйствования во многом изменил взгляды и подходы к применению насосов. Убедительная информация о том, что, чем дешевле насосы, тем дороже обходится его эксплуатация, которая достигает 12-20 кратных первоначальных затрат, становится исходным моментом при выборе насоса. 

        Новые требования ставят перед разработчиками сложные задачи. Большой диапазон вязкости, теплопроводности и других свойств неньютоновских жидкостей практически исключают возможность проведения параметрических испытаний и испытаний на безотказность и долговечность непосредственно изготовителями на испытательно - диагностических стендах. Исследования, испытания и даже отработка конструкции проводятся на воде. И в редких случаях проводятся исследования на небольших насосах с применением глицерина или этиленгликоля. Только для изучения влияния вязкости на параметры насоса. Но имитировать перекачиваемые жидкости и реальные условия транспортирования практически невозможно ни технически, ни экономически. Поэтому, как правило, принимаются технические решения на основании накопленного опыта, идя на неизбежный риск. Затем эти решения по мере возможности проверяются при работе насоса на конкретном продукте и в конкретных условиях. Получить при этом информацию можно только в случае отказов или непригодности насоса по условиям эксплуатации. Но и эту информацию получить непросто, если между потребителем и изготовителем – посредник, ни в чем, кроме увеличения объема продаж не заинтересованный. Более того, посредник делает все возможное, чтобы не было непосредственного контакта изготовителя и потребителя, ибо это может исключить его из сделки. Но все же стали появляться публикации о работе дисковых насосов на вязких жидкостях.

 Рис.1 

       На рис.1 показана зависимость основных параметров насосов от вязкости. При увеличении вязкости до 450 сСт мощность возрастает на 60%,напор снижается на 25%, а подача на 42%. Параметры насосов приведены относительно номинальной подачи на воде. При некоторой аппроксимации можно считать, что параметры насоса изменяются линейно при возрастании вязкости. При постоянной подаче величина потребляемой мощности и напора изменяются по параболе (рис.2). Как и на рис.1 N и H отнесены к номинальной подаче на воде.

     

 Рис.2 

     Эти результаты получены американскими специалистами и поступили в интернет. При подборе насоса на конкретный продукт необходимо учитывать вязкость и потери напора по всему тракту за насосам. В технологических системах происходят процессы теплообмена и взаимодействия перекачиваемой среды и поверхностей деталей проточной части насоса. Показатель вязкости также сказывается на этом взаимодействии. Этот показатель может изменяться по зависимости [ 1 ]: 

        Соответственно изменяется скорость потока и давления в тракте за насосом:

V – скорость продукта в тракте за насосом, ΔР – изменение давления по длине тракта, R – радиус трубы, L – длина тракта, Т – касательное напряжение, М1 – динамическая вязкость продукта за насосом непосредственно, ΔТ – изменения температуры продукта по тракту, к – температурный коэффициент сопротивления. 

       С учетом изменения вязкости можно выделить три режима работы насоса расчетный. На рис.3 показан характер изменения скорости наступления отказа насоса от износа его наиболее нагруженных элементов при различных режимах работы. Под износом понимается не только износ трущихся пар, но и потеря прочности наиболее нагруженных деталей. В работопригодный период скорость чаще изменяется по линейному закону, но возможны и другие закономерности. Это зависит и от стабильности нагрузок и от свойств материалов нагруженных элементов. Возможны переходы из одного режима в другой, и тогда скорость износа изменяется по другому закону.

Рис.3

Тпр – период приработки, Тр – длительность работопригодного расчетного периода, Тф – длительность работопригодного периода при форсированном режиме, Тиз – то же при щадящем режиме. 

      Зависимости определены обработкой материалов испытаний дискового насоса на смеси воды с песком в различных объемных отношениях от 100:1 до 100:15, опубликованных в [ 2 ]. Следует отметить, что форсированный режим может вызвать явления, нехарактерные для расчетного режима, и качественно изменить картину заказов. 

        Простая инженерная логика, подтверждаемая практикой, подсказывает назначать параметры насоса, подбирать материалы деталей и определять их место в конструкции с таким расчетом, чтобы насос работал в режиме, смещенном к щадящему. Например, конструкция узла уплотнения с промывкой или гидрозатвором позволяет исключить работу уплотнительных колец в режиме сухого трения при пуске, уменьшить вероятность попадания между кольцами мелких абразивных включений. Вынесение узла уплотнения из зоны горячей перекачиваемой среды, применение охлаждающего барьера снижает нагрузку деталей уплотнения интенсивным тепловым полем. 

        Смещая режим работы в сторону щадящего, надо исходить из экономической и технической целесообразности. Например, безмерное снижение нагрузки не всегда дает положительные результаты. Если снизить подачу на 50÷70%, то снизится коэффициент полезного действия и двигателя и самого насоса. Снизится экономичность агрегата. Большая часть подведенной энергии преобразуется в тепло. Интенсифицируются процессы теплообмена и взаимодействия перекачиваемой среды и поверхностей деталей проточной части. Нерегламентированно изменяется вязкость перекачиваемого продукта. Идут процессы вихреи парообразования. Подают параметры. Увеличивается вибрация, возрастают радиальная и осевая силы. Насос теряет надежность и становится «черным ящиком». 

         Работопригодность насоса характеризует его текущее состояние на данный момент технического обслуживания и контроля. Об этом состоянии можно судить по выходным параметрам. Падение напора, местное повышение температуры или внезапное увеличение потребляемого тока – первые признаки потери работопригодности. Но изменение параметров может происходить при изменении температуры и вязкости перекачиваемого продукта, что может быть предусмотрено технологическим регламентом. В этом случае должны быть известны границы допустимых изменений параметров. 

      Но есть и явные ранние признаки отказов. Это – ускорение износа уплотнений и появление ненормированной утечки, потение в местах разъема, перегрев подшипников, появление продуктов разрушения материалов проточной части в перекачиваемой среде, изменение виброакустических характеристик. 

       Распознание ранних признаков наступления отказа имеет большое значение для экономики производства, так как позволяет избежать замены всего насоса и уменьшить объем ремонта. Потери, связанные с заменой насоса, складываются из стоимости заменяющего насоса, остаточной стоимости сохранившейся части замененного насоса, стоимости ремонтно-восстановительных работ потери той части перекачиваемого продукта, которая осталось в гидравлической системе и не может быть использована [ 3 ].

        Отказы происходят не только в результате износа. Преждевременные отказы – это следствие ошибок разработчика, изготовителя и пользователя. Анализ и систематизация отказов дают возможность свести их к минимуму. Спектр ошибок пользователя очень широк, а информация не всегда достоверна. 

       Опубликованные материалы пытаются систематизировать и ранжировать по частоте. Больше всего отказов из-за неправильного применения насосов и ошибок при эксплуатации. Применение насосов, подача которых намного превышает потребность, приводит к вскипанию жидкости. Уплотнение вала работает в паровой перегретой среде. Это – условие сухого трения, которое разрушает пару трения. Сухое трение создается и при перекачивании высоковязких сред без подвода промывки или гидрозатвора. Часто обслуживающий персонал сначала пускает насос, а спустя время включает промывку. Применение жестких, не компенсирующих муфт перегружает и подшипники и торцевые поверхности уплотнительных колец. Происходит раскрытие их стыка. То же происходит при несоосности валов привода и насоса. Нерегламентированное содержание абразивных включений ведет к форсированному режиму работы. Неправильное расположение насоса относительно заборной емкости особенно опасно при перекачивании высоковязких жидкостей. Насос работает в сухом режиме, если такая жидкость поступает порционно. Остатки перекачиваемого продукта в проточной части насоса и в тракте высыхают, сужаются проходные сечения из-за облитерации поверхностей. При включении насос работает в форсированном режиме. 

      Изложенное дает основание констатировать, что высокоэкономичный насос, показатели применимости которого соответствуют условиям эксплуатации, дает выигрыш в затратах, намного превышающий первоначальную стоимость. При подборе насоса на высоковязкие продукты следует ориентироваться на увеличение мощности привода. Повышению надежности насосов способствует точная осевая ориентация привода и насоса. Температурный режим среды в насосе и присоединенной системе, наличие промывки или затвора в большой мере способствуют повышению безотказности и долговечности. 

Литература: 

1. В.И. Янков и . Неизотермическое течение растворов и расплавов полимеров. «Теоретические основы химической технологии» №2, 2004г. 

2. J. Rduch Untersuchungen an einer Vielseheibenpumpe mit breiten Spalten. Pumpentagung 1992 Karlsruhe 

3. K. Nuglisch. Erprobung eines Storugsfruherkentnissistems fur Kreiselpumpen mittels Feldversuchen – einer verfahrenstechnischen Anlage. Pumpentagung. 2004 Karlsruhe.

---