Исследование работы центробежных насосов сферы ЖКХ и способов их восстановления с применением полимерных композиционных материалов

УДК 64.06

Исследование работы центробежных насосов сферы ЖКХ и способов их восстановления с применением полимерных композиционных материалов

Александра Сергеевна Любимова, аспирант, e-mail: sandra801288@mail.ru ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва

Проанализированы причины выхода из строя деталей центробежных насосов; представлена классификация дефектов, возникающих в насосах в процессе эксплуатации; рассмотрены особенности процесса восстановления деталей насосов с применением полимерных композиционных материалов.

The author analyzed the reasons for the failure of parts of centrifugal pumps. The article presented the classification of defects occurring in the pump during operation. The features of the recovery process of parts of pumps with the use of polymer composite materials are considered.

Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, центробежные насосы, изнашивание деталей. Keywords: polymer composite materials, centrifugal pumps, wear of parts.

Основное оборудование, которое применяется для качественного и бесперебойного обеспечения населения водой, это центробежные насосы различной конструкции. От их работы зависят такие аспекты городской жизни людей, как подача тепла и воды, а также работа канализации - т.е. все, что обеспечивает нормальное существование человека. Поэтому повышение срока службы центробежных насосов является актуальной задачей. В процессе эксплуатации центробежные насосы работают в довольно тяжелых условиях. Наличие водной среды создает предпосылки для коррозии деталей насоса, а также интенсивного изнашивания узлов трения. Поэтому длительная эксплуатация насосов (как правило, без технического обслуживания) приводит к быстрому выходу из строя деталей и узлов трения. Наиболее распространенными причинами выхода из строя деталей и рабочих органов машин являются не поломки, а износ и повреждение рабочих поверхностей.

В процессе эксплуатации насосных установок появляются неполадки в работе центробежных насосов. В результате неплотности всасывающей линии и наличия в корпусе насоса воздуха и закупорки трубок гидравлического сальника происходит отказ от работы насоса. При этом снижается производительность и уменьшается напор перекачиваемой жидкости в процессе работы насоса из-за уменьшения числа оборотов, просачивания воздуха во всасывающую линию, повышения сопротивлений в напорном трубопроводе, увеличения высоты всасывания, засорения рабочего колеса, а также механических повреждений, к которым от-

носятся износ уплотнительных колец и повреждение рабочего колеса. Кроме того, неправильная установка насоса, частичное засорение рабочего колеса, ослабление креплений на напорной и всасывающей трубах насоса, чрезмерная высота всасывания, механические повреждения (например, прогиб вала, заедание вращающихся частей и износ подшипников) также приводят к вибрации и шуму насосной установки.

Если вращающаяся часть насоса не уравновешена, то при ее вращении появляется сотрясение (вибрация) всего насоса, которое вызывает разрушение подшипников, фундамента и самого насоса. Для устранения вибрации вращающиеся части должны быть отбалансированы на специальных станках.

При осуществлении ремонта центробежных насосов наибольший объем работы приходится на устранение неисправностей в роторах, так как их детали подвергаются большему изнашиванию.

Эрозионный и коррозионный износ, неточные зазоры в проточной части насоса, попадание в насос посторонних тел и значительный осевой сдвиг ротора из-за неправильной сборки насоса являются основными причинами выхода из строя рабочих колес. Их долговечность зависит от материала, из которого они изготовлены, и от того, насколько качественно они выполнены.

Основные дефекты муфт - это коррозийный износ и задиры поверхностей зубьев и посадочных мест, нарушение балансировки и соосности, механические поломки, овальность отверстий для пальцев, нарушение посадки на валу, а также бие-

ние полумуфт. При ремонте муфт осуществляется проверка размеров зазоров и зацеплений.

В процессе эксплуатации торцевых уплотнений неполадки, как правило, возникают вследствие износа пар трения. Наиболее ответственная заключительная операция по обработке пар трения состоит в притирке рабочих поверхностей трущихся пар торцевого уплотнения. Механизация процесса притирки рабочих поверхностей пар трения позволит получить идеальную плоскостность притираемой поверхности.

Также выходу из строя подвергаются подшипники. Их срок службы определяется числом часов, в течение которых наступает «усталость металла», числом оборотов подшипника, наличием и количеством смазки.

Большинство подшипников выходит из строя по следующим причинам:

• неправильный подбор подшипника к валу (несоблюдение допусков);

• отсутствие соосности между насосом и его ведущим шкивом;

• деформация валов;

• несбалансированность вращающихся элементов;

• термическое расширение вала.

К уменьшению напора приводит засорение всасывающего трубопровода, защитной сетки или рабочего колеса. Закупоривание рабочего колеса возможно из-за несовпадения общей высоты напора с параметрами насоса, что приводит к опасности перегрузки приводного двигателя.

Направление вращения вала насоса должно соответствовать заданному направлению. Неправильное направление вращения приводит к неисправностям насоса в результате ослабления затяжки рабочего колеса или гайки на валу, а это, в свою очередь, вызывает повреждение элементов корпуса насоса, что также может привести к заклиниванию вала насоса.

Из-за превышения допустимой вакуумметри-ческой высоты всасывания или максимальной геометрической высоты всасывания насоса может произойти разрыв сплошности потока, или кавитация, а также сильное снижение мощности. При работе насоса необходимо соблюдать допустимую высоту всасывания - кавитационный запас. Максимальная высота всасывания сильно зависит от температуры перекачиваемой жидкости, от потерь на трение и изгибы трубопровода, а также от диаметра во всасывающем трубопроводе.

Поскольку с увеличением температуры увеличивается давление парообразования, повышение

температуры перекачиваемой жидкости уменьшает высоту всасывания. Для сокращения потерь на трение и изгибы со стороны всасывающего трубопровода его делают коротким и широким, без лишних вставных элементов. Забитая приемная сетка и трудно открывающийся клапан сильно увеличивают потери энергии. В связи с тем, что потери на трение и скоростной напор зависят от скорости во всасывающем трубопроводе, в лопастных насосах диаметр всасывающего патрубка по сравнению с диаметром напорного, как правило, больше.

Спокойная работа вала насоса особенно важна во время эксплуатации торцевых уплотнений. Если вал работает неравномерно или с биениями, то на уплотнительных поверхностях появляются следы интенсивного изнашивания, это приводит к преждевременной потере уплотнительных свойств торцевых уплотнений [1].

Приведем классификацию возможных дефектов деталей и узлов насосов, возникающих в процессе эксплуатации (см. таблицу) [3].

В настоящее время при ремонте деталей и узлов технологического оборудования широко применяются полимерные композиционные материалы.

Выпускаемые ведущими российскими и зарубежными фирмами полимерные композиционные материалы являются двухкомпонентными и состоят из основы и активатора, заполненных минеральными или металлическими наполнителями. Эффективное использование физико-механических и химических свойств полимерных материалов позволяет значительно снизить трудоемкость ремонта центробежных насосов, что обуславливается следующими особенностями их использования [2]:

• технология с использованием полимерных композиций не требует сложного оборудования и высокой квалификации работающих;

• при использовании полимерных композиций можно производить ремонт без полной разборки узлов;

• возможность проведения ремонта в полевых и производственных условиях без подвода энергии;

• возможность выполнения ремонта в неудобных и труднодоступных местах;

• восстановление фрагментов деталей без применения специальной оснастки и инструмента;

• применение металлополимеров ускоренного отверждения позволяет производить срочный ремонт в течение короткого времени;

• возможность соединения разных материалов между собой и в различных сочетаниях между ними;

• возможность использования металлополиме-ров в качестве конструкционного материала.

Таблица. Классификация возможных дефектов деталей и узлов насосов, возникающих в процессе эксплуатации

Узел, деталь Дефект

Вал Трещины, задиры посадочных поверхностей Износ поверхностей вала Износ, смятие резьбовых поверхностей Общий прогиб вала Износ, смятие шпоночных пазов

Рабочее колесо Кавитационный и эрозийный износ рабочих поверхностей, наличие трещин Ослабление посадки колеса на валу Износ посадочной поверхности, наличие забоин Износ уплотняющих и торцевых поверхностей рабочего колеса, наличие задиров, забоин Износ, смятие шпоночного паза на поверхности Разбалансировка

Подшипники качения Трещины, поломка обойм шариков деталей сепаратора Раковины, следы коррозии, отпечатки шариков на поверхностях качения, изменение цвета Риски, царапины на поверхностях качения Износ тел качения по зазору в подшипнике

Уплотнения Трещины, раковины на рабочих поверхностях Износ рабочих поверхностей Износ торцевой поверхности

Корпус, крышка Трещины, раковины, абразивный износ поверхности Задиры рабочих поверхностей Износ посадочных поверхностей Коробление поверхности сопряжения

Полумуфта соединения с двигателем Трещины, задиры, раковины посадочной поверхности Смятие резьбы Износ шпоночного паза Биение, забоины поверхности полумуфты

Гайка крепления рабочего колеса Смятие резьбы

Посадочная поверхность вала Забоины, задиры, износ поверхности сопряжения с рабочим колесом

Восстановление деталей металлополимерными композициями имеет ряд специфических особенностей по сравнению с восстановлением деталей металлами (наплавкой, металлизацией, сваркой, пайкой и т.п.), обусловленных прежде всего использованием химической энергии для превращения олигомера в полимер, т.е. для обеспечения реакции полимеризации. В этом случае необходимо в ходе технологического процесса управлять формированием свойств полимерного материала, которые отличаются от свойств металлической детали. Поэтому незначительное отклонение от оптимальных условий может привести к резкому ухудшению качества восстанавливаемой детали. При восстановлении деталей металлополимерами, ввиду однопорядкового характера свойств, имеется определенный «запас» качества, в результате чего режимы восстановления не так жестки. Но при этом принципиальное значение приобретают такие операции, как подготовка поверхностей деталей, приготовление и нанесение ремонтных композиций, а также тепловая и механическая обработка деталей. Рассмотрим их более подробно.

Подготовка поверхностей деталей. Одной из основных операций, определяющих качество восстановления деталей, является подготовка их поверхностей перед нанесением металлополимерной композиции. Ее цель - обеспечить наилучшие условия адгезионного взаимодействия между композицией и деталью, а также придать поверхности детали необходимую геометрическую форму.

Весь процесс подготовки можно разделить на следующие операции:

• очистку и мойку;

• обезжиривание и химическую обработку;

• сохранение чистоты поверхности до нанесения композиции.

Способность поверхности к склеиванию после обработки повышается в результате дополнительной очистки поверхности от адсорбированных слоев, увеличения поверхности склеивания и искажения кристаллической решетки металла на поверхности. Увеличение поверхности склеивания достигается за счет обработанных поверхностей, но оно не может быть полностью использовано, так как впадины представляют собой капилляр с

открытым кольцом, и воздух, находящийся в нем, создает препятствие для смачивания всей поверхности неровности.

Из механических способов следует рекомендовать точение и растачивание, шлифование, дробеструйную обработку, обработку щетками. Однако на практике не всегда есть возможность механической обработки ремонтируемой поверхности. Дробеструйная обработка деталей является более предпочтительной, поскольку при этом происходит поверхностный износ материала, возникают шероховатости и упрочняется поверхность. Все это приводит к тому, что прочность поверхностей, соединенных между собой и подвергнутых обработке дробью, выше, чем при их механической обработке.

Весьма перспективна очистка поверхности деталей с помощью механизированных щеток ввиду простоты и долговечности инструмента, несложности механизации процесса и повышения производительности труда в 20 - 30 раз по сравнению с ручными операциями.

Для обезжиривания рекомендуется использовать специальные очистители (например «Честер БЗ» или «Честер Б7»), в крайнем случае ацетон, с последующей обработкой поверхности спиртом.

Приготовление ремонтных композиций. Олигомерные эпоксидные композиции являются многокомпонентными системами, окончательное приготовление которых осуществляется непосредственно на местах работы и незадолго до их применения. Это обусловлено тем, что после смешивания двух компонентов жизнеспособность композиции колеблется в пределах 40 - 60 мин, что, в свою очередь, и определяет количество приготовляемого состава. Перед смешиванием двух компонентов состава между собой каждый из них должен быть тщательно перемешан разными шпателями.

Компоненты смешивают между собой в соотношении, указанном в инструкции. Анализ показывает, что отклонение в дозировке компонентов на 5 - 10% не приводит к существенным изменениям свойств композиций при хорошем смешивании.

В результате анализа различных вариантов перемешивания компонентов вручную установлено, что наиболее благоприятной формой емкости является круглая или эллиптическая, так как при прямоугольной форме емкости в ее углах остаются неперемешанные части композиции. Форма шпателя имеет вполне определенное влияние на качество и скорость перемешивания. Для цилиндрического сосуда целесообразной формой шпателя при перемешивании является цилиндрическая. Однако

наилучшее качество композиции получается при перемешивании ее на плоской поверхности плоскими шпателями. Перемешивание можно производить на пластмассовых поверхностях, стекле, оргалите, фанере и т.п. Перемешивание осуществляется путем размазывания материала во взаимно перпендикулярных направлениях до получения однородной массы одинакового цвета.

Нанесение и формирование ремонтных композиций. При восстановлении деталей металлополимерными композициями они могут наноситься на поверхности, расположенные под разными углами наклона. В связи с вязкой консистенцией композиции и наличием гравитационных сил возникает задача по сохранению слоя нанесенного материала в первый период отверждения. Отсюда следует, что металлополимерные композиции должны обладать вполне определенными реологическими свойствами, обеспечивающими качественное восстановление деталей.

После нанесения слоя композиции на поверхность деталей необходимо подвергнуть его формованию, т.е. силовому воздействию с целью придания требуемой формы. При склеивании деталей или наложении заплат формирование слоя способствует плотному распределению материала по площади склеивания, а также уменьшению размера воздушных включений. При восстановлении изношенных деталей формование обеспечивает получение заданных параметров, а также некоторое улучшение свойств отвержденного материала.

Тепловая и механическая обработка деталей. Отверждение эпоксидных олигомеров при комнатной температуре обычно не заканчивается, и малейшее повышение температуры окружающей среды по сравнению с комнатной температурой приводит к изменению физико-механических свойств композиции. Дополнительный нагрев может быть осуществлен также за счет нагрева детали в процессе работы машины.

Тепловая обработка композиции может выполняться по следующим схемам в зависимости от времени подвода тепла:

1) подвод тепла осуществляется сразу после соединения деталей (горячее отверждение, ¿0 < < ¿схв);

2) подвод тепла производится после момента

схватывания, но до момента технологического отверждения (¿схв < < ¿техн);

3) нагрев осуществляется после технологического отверждения (смешанное отверждение, < ¿техн).

При восстановлении деталей наиболее приемлемыми являются две последние схемы нагрева, так

как при использовании первой схемы композиция становится маловязкой, что на наклонной поверхности детали приводит к стеканию композиции.

В связи с этим наиболее целесообразно отверждение композиции при температуре окружающей среды до затвердевания, а затем дополнительный нагрев и выдержка при более высокой температуре.

Механическая обработка. Этот вид обработки отвержденной композиции необходим для удаления заусенцев и снятия острых кромок. Поскольку при механической обработке наблюдается прямая корреляция между скоростью деформирования и скоростью резания, все прочностные характеристики и модуль упругости материала возрастают при увеличении скорости резания.

Обработка полимерных материалов режущим инструментом может быть рассмотрена как разновидность процесса управляемого разрушения. Определяющими факторами технологического процесса механической обработки деталей из полимерных материалов являются их физико-

механические свойства. Например, низкое сопротивление сжатию и срезу полимерных материалов позволяет применять при их обработке высокоскоростные режимы резания, а низкие теплопроводность и теплостойкость пластмасс ограничивают возможность высокоскоростных режимов резания. Высокая податливость полимерных материалов вызывает необходимость использования инструмента с острой режущей кромкой. Существенное влияние на качество обработки оказывает температура резания.

Анализ напряжения в зоне резания показывает, что в обрабатываемом материале деформации развиваются в слое от 0,3 до 1,0 мм, что соизмеримо с толщиной покрытия. Поэтому обработка тонкослойных покрытий из эпоксидных компози-

Рис. 2. Защитная втулка на валу центробежного насоса: до (а) и после (б) восстановления

Рис. 3. Восстановленное посадочное место вала под рабочее колесо центробежного насоса

ций затруднительна и нецелесообразна. В этих случаях необходимо получать заданные размеры путем статического или динамического формования слоя композиции.

На рис. 1 - 4 представлены примеры применения полимерных композиционных материалов при ремонте центробежных насосов.

Результаты проведенных исследований будут интересны для ремонтных служб предприятий жилищно-коммунального хозяйства, так как при-

Рис. 4. Рабочее колесо центробежного насоса с нанесенным полимерным композиционным покрытием

менение рассматриваемой технологии позволит снизить трудоемкость ремонта центробежных насосов на 20%, а себестоимость работ на 15 - 20%.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гардт В.А., Михин Н.М., Логинов А.Р. Анализ триботехнических решений обеспечения работоспособности опор скольжения центробежных насосов // Обзор информ. Сер. «Экономика и управление нефтяной промышленности». М.: ВНИИОЭНГ. 1990.

2. Гончаров А. Б., Корнеев А. А., Тулинов А. Б. Технология применения ремонтных композиционных материалов для восстановления систем жизнеобеспечения жилищнокоммунального хозяйства: Справочное пособие. М.: ФГОУ ВПО «РГУТиС». 2009.

3. Кузнецов В. Л., Кузнецов И. В., Очилов Р. А. Ремонт крупных осевых и центробежных насосов: Справочник. М.: Энергоатомиздат. 1996.

4. Николаев В. П. Применение композиционных материалов в узлах и деталях общего назначения. М.: МЭИ. 1995.

Поступила 18.12.2011 г.

Защиты в Диссертационном совете Д 212.150.05 при ФГОУВПО «РГУТиС» за 2011 год

Кандидатская диссертация по специальности 05.17.08 -Процессы и аппараты химических технологий

Юровский Александр Викторович

Тема:

«Разработка и исследование самоочищающегося фильтра для обезжелезивания воды»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Лукашева Г.Н.