CC BY
96
УДК 621.671:620.193
К ВОПРОСУ О ПРИЧИНАХ СНИЖЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ПРОМЫВОЧНО-ПРОПАРОЧНЫХ СТАНЦИЙ
В. М. ПРИХОДЬКО, д.т.н., проф., чл.-корр. РАН А. Е. ШЕИНА, аспирант
ФГБОУ ВПО Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ) (Россия, 125319, Москва, Ленинградский пр-т., д. 64) E-mail: sheina2016@inbox.ru
Для проведения промывочных работ на промывочно-пропарочных станциях широко используются центробежные чугунные насосы. В данной статье рассмотрены причины увеличения времени, необходимого для промывки железнодорожных цистерн ввиду коррозионного износа центробежных насосов. С помощью метода моделирования обобщаются возможные последствия неэффективной эксплуатации насосов, перекачивающих воду для промывки.
Ключевые слова: коррозия, промывка железнодорожной цистерны, снижение подачи.
Эффективность работы промывочно-про-парочных станций (ППС) в значительной степени зависит от надежности и долговечности применения насосов для перекачки технологической жидкости. Применение чугунных центробежных насосов для перекачивания горячей воды, используемой в качестве технологической жидкости, по мнению ряда исследователей, не всегда оправданно [1] . Высокая температура перекачиваемой воды влияет на величину внутренней коррозии насоса. В связи с этим отечественные и зарубежные специалисты постоянно возвращаются к исследованию коррозионных свойств чугунных насосов, перекачивающих горячую воду [2, 3].
Общепризнанно, что при выборе материалов для изготовления насосов необходимо учитывать коррозионную агрессивность перекачиваемой среды [4]. Поэтому исследования коррозионной стойкости различных чугунов, из которых изготовлены основные детали насосов, являются актуальными и сегодня.
Несмотря на проводимые исследования и испытания, внедрение современных подходов, проблема внутренней коррозии чугунных насосов все же сохраняется [5]. В настоящее время возможность применения чугунных насосов для подачи воды при температуре от 60° и выше до сих пор является спорной и до конца не решенной.
Материал, из которого изготовлен насос, является существенным фактором, влияющим на срок его службы. М.Д. Айзенштейн, изучая про-
блему коррозии насосов, приводит положительные примеры применения чугунных насосов в системах подачи горячей воды на нефтеперерабатывающих и нефтеперегонных заводах для ограниченного ряда случаев [2].
Согласно работе [5], насосы в котельных из углеродистой стали проявили себя как менее кор-розионно стойкие по сравнению с чугуном. В то же время В.Я. Карелин считает [1], что чугун по причине повышенной коррозии непригоден для системы горячего водоснабжения.
При всем разнообразии точек зрения несомненно, что внутренняя коррозия чугунных насосов может привести к уменьшению перекачиваемого объема воды и тем самым повлияет на эффективность работы котельных, систем горячего водоснабжения, системы теплоснабжения и в том числе работы промывочно-пропарочных станций.
На ППС для промывки железнодорожных цистерн используют горячую воду при температуре до 90 °С. Для промывки цистерн вода подается чугунными насосами из водяных резервуаров [6]. Промывка железнодорожных цистерн производится перед перевозкой или последующим ремонтом и связана с большим расходом воды и электроэнергии.
В связи с возрастающими объемами железнодорожных перевозок, в частности транспортировки нефтегрузов, особенно важным становится проведение промывки в сроки, установленные технологическим процессом на данной промы-вочно-пропарочной станции.
Целью данной работы является проведение анализа для выявления факторов, влияющих на снижение эффективности работы ППС, влекущее за собой нарушение сроков осуществления промывочных работ.
Для анализа причин снижения эффективности работы ППС можно использовать модель, основанную на определении зависимости между внутренней коррозией центробежного чугунного насоса и снижением рабочих параметров насоса. Далее на основе полученной модели можно делать выводы о наиболее значимых параметрах, влияющих на снижение эффективности работы промывочно-пропарочных станций.
В качестве основных параметров, характеризующих работу насоса, были выбраны: подача (ф) и напор (Н). Подача - параметр, характеризующий необходимый объем перекачиваемой воды для проведения промывочных работ. На ППС подача насосов, перекачивающих горячую воду, составляет 30-40 м3/ч. Параметр, характеризующий качественную технологию промывки железнодорожных цистерн от остатков перевозимых грузов, - напор. Для проведения качественных промывочных работ насос должен создавать напор не менее 40 м [6].
Изменение подачи и напора, как предполагается, происходит по причине внутренней коррозии центробежного чугунного насоса, перекачивающего горячую воду. Внутренняя коррозия центробежного насоса зачастую неотрывно протекает вместе с внутренней коррозией трубопровода. Коррозии подвержен как всасывающий трубопровод, по которому вода поступает в насос, так и нагнетательный, по которому насос подает воду потребителю.
Для успешного анализа причин снижения эффективности работы ППС необходимо учитывать все факторы, влияющие на увеличение сроков проведения промывочных работ. Поэтому для более достоверного анализа изменения напора и подачи следует рассмотреть модель, основанную на совместном влиянии внутренней коррозии как в трубопроводе, так и в насосе на изменение рабочих параметров насоса.
Для получения модели, отражающей изменение рабочих параметров насоса, был выбран насос, соответствующий требованиям проведения промывочных работ. В соответствии с этими требованиями был подобран центробежный чугунный насос NP40/200V из каталога [7].
Между рабочими параметрами насоса - подачей и напором существует графическая зави-
симость, известная как рабочая характеристика насоса ф-Н. Подобранный насос NP40/200V должен преодолевать помимо геодезической высоты также и сопротивление трубопровода. Геодезическая высота определяется разницей высот между уровнями всасывающего и нагнетательного трубопроводов. В свою очередь, сопротивление трубопровода определяется изменением подачи. Поэтому наиболее целесообразно определять изменение рабочих параметров насоса графически - построением на одном чертеже и в одинаковом масштабе характеристики ф-Н и кривой, изображающей характеристику трубопровода. Известно [4], что рабочий режим или совместную рабочую характеристику трубопровода и насоса определяют пересечением обеих кривых.
Совместная рабочая характеристика насоса и трубопровода является основой модели, которая далее покажет влияние совместной внутренней коррозии трубопровода и насоса на изменение рабочих параметров насоса.
На рис. 1 изображена совместная характеристика насоса NP 40/200V и трубопровода.
Проведя параллельно оси абсцисс прямую АР на расстоянии (разность геодезических отметок) от нее и прибавив к Нстат величину Ндин (сопротивление во всасывающем и нагнетательном трубопроводах), получим соответствующую кривую трубопровода АЕ. Точка Е является совместной рабочей точкой насоса и трубопровода, в которой будут обеспечены требуемый напор Н = 42 м и необходимая подача горячей воды ф = 30 м3/ч. Данные рабочие параметры соответствуют условию, при котором отсутствует внутренняя коррозия насоса и трубопровода.
Далее будут выделены две модели для выявления совместного влияния внутренней коррозии трубопровода и насоса на изменение рабочих параметров центробежного чугунного насоса.
50
м 40
а 30
о
в а 20
К 10
0
Е / ф-Н
ч стат
А__ Р
10
20
30 40
Подача, м3/ч
50
60
Рис. 1. Совместная характеристика насоса NP 40/200V и трубопровода
0
При построении двух новых моделей будет использована полученная модель, проиллюстрированная на рис. 1. На одной из моделей будет отражена связь между внутренней коррозией трубопровода и изменением рабочих параметров насоса. Затем на второй модели будет рассмотрено совместное влияние внутренней коррозии трубопровода и насоса на изменение рабочих параметров насоса. Успешно решить поставленную задачу о влиянии коррозионного износа можно только на основе этих двух моделей.
Внутренняя коррозия является одной из распространенных причин увеличения гидравлического сопротивления труб, в результате которой снижается пропускная способность трубопроводов и возникает необходимость в повышении напора, создаваемого насосом, чтобы обеспечить при увеличенном гидравлическом сопротивлении расчетную подачу горячей воды [8]. Предположим, что со временем по причине внутренней коррозии расчетное значение гидравлического сопротивления X = 0,013, использованное при построении модели на рис. 1, изменилось до X = 0,042 [9]. Напор при изменившемся гидравлическом сопротивлении трубопровода X = 0,042 равен Н = 43,7 м. На совместную характеристику трубопровода и насоса (см. рис. 1) было нанесено полученное значение напора с учетом внутренней коррозии трубопровода (рис. 2 ).
Полученная модель (см. рис. 2) отражает связь между внутренней коррозией трубопровода и изменением рабочих параметров насоса. В связи с внутренней коррозией уменьшился размер проходного сечения трубопровода. По этой причине крутизна кривой трубопровода изменяется, переходя из точки Е в точку О. Кривая трубопровода АО пересекает характеристику насоса Q-H в точке О, где Н = 43,7 м. Дальнейшая внутренняя коррозия трубопровода, как видно из модели, представленной на рис. 2, приведет к еще большему превышению напора для обеспечения расчетного значения подачи.
Излишний напор - это основное влияние внутреннего коррозионного износа трубопровода. Превышение напора относительно требуемого значения, заложенного при проектировании, затрудняет регулировку задвижек в нагнетательной линии. Затворы регулировочной арматуры могут зависать из-за превышающей величины допустимого напора, что влечет за собой простои и частые ремонты задвижек.
Рис. 2. Совместные характеристики насоса NP 40/200V и трубопровода при внутренней коррозии трубопровода
Изменение напора во время эксплуатации в большую сторону по причине износа трубопровода приводит к увеличению аксиальной нагрузки на подшипники электродвигателя, что снижает срок его службы и вынуждает часто ремонтировать оборудование [5].
Насос так же, как и трубопровод, подвержен внутренней коррозии. В особенности изнашивается рабочее колесо центробежного чугунного насоса под воздействием коррозии. На скорость коррозии рабочего колеса могут повлиять: неправильно подобранный материал рабочего колеса; увеличение давления в насосе; увеличение температурных значений рабочей жидкости относительно номинальных значений во время эксплуатации насоса; режим работы насоса (постоянный или переменный); наличие абразивных частиц в перекачиваемой среде; некачественно изготовленная отливка рабочего колеса.
Качественно выполненные отливки с соблюдением ширины галтелей лопаток, величин углов на входе и выходе в рабочее колесо обеспечивают рабочие параметры насоса, заложенные при его проектировании. Появление шероховатости на колесе по причине брака на производстве или коррозионных отложений на поверхности рабочего колеса во время эксплуатации насоса приводят к изменению характеристики Q-H [8].
Результат воздействия коррозионного износа на поверхность рабочего закрытого колеса центробежного чугунного насоса, установленного в системе подачи горячей технической воды, представлен на рис. 3а. Обрастание входных и выходных кромок лопастей рабочих колес вызывает отклонение потока перекачиваемой воды. Поток воды выходит из всасывающего патрубка насоса, заходит в рабочее колесо, изменяет свое направление в сторону входного канала между двумя соседними лопатками, проходит по всей длине канала и выходит из рабочего колеса, по-
падая после него в нагнетательный патрубок насоса.
После эксплуатации чугунного насоса, перекачивающего горячую воду, между лопатками рабочего колеса обнаружены отложения продуктов коррозии (рис. 3б).Частичное или значительное обрастание каналов по причине коррозии может привести к снижению напора насоса. Полное зарастание одного из каналов между соседними лопатками выведет канал из процесса перекачивания воды. Это, в свою очередь, значительно снизит величину напора.
На основе полученных выводов о влиянии коррозии рабочего колеса на величину напора была построена вторая модель. Новая модель даст представление о совместном влиянии коррозионного износа трубопровода и рабочего колеса насоса на изменение рабочих параметров насоса.
Для получения новой модели на модель (см. рис. 2) была нанесена пунктирными линиями кривая, которая соответствует возможному изменению характеристики ф-И насоса NP 40/200V. Подобное изменение положения рабочей характеристики ф-И возможно при условии совместного воздействия коррозионного износа и трубопровода и рабочего колеса насоса.
При увеличении гидравлического сопротивления в трубопроводе совместная рабочая точка насоса и трубопровода перемещается из точки Е в О в сторону больших напоров (рис. 4). Если предположить, что одновременно протекает внутренняя коррозия трубопровода и рабочего колеса, то напор насоса будет значительно отличаться от значения, заложенного при проектировании. Поэтому в этом случае вместо Е рабочей точкой станет С.
Следует отметить, что напор в точке О больше, чем в точке Е. Этот вывод был сделан при описании модели, представленной на рис. 2, когда учитывалось влияние только коррозионного износа трубопровода на величину напора. Если учитывать совместное влияние коррозионного износа трубопровода и рабочего колеса на величину напора насоса, как было сделано при построении модели на рис. 4, то можно заметить, что напор в точке С меньше, чем в точках О и Е. Из чего можно сделать вывод, что совместная коррозия трубопровода и насоса уменьшают напор насоса.
При наличии только внутренней коррозии трубопровода подача также изменяется, как и напор. В случае внутренней коррозии трубопровода величина подачи перемещается из точки Е в точ-
а б
Рис. 3. Закрытое рабочее колесо центробежного насоса: а - общий вид закрытого рабочего колеса; б - задний диск разрезанного рабочего колеса
50
м 40
а 30
о
в а 20
К 10
0
/Е ф-И
Су /Б ----- ----
А
10 20 30 40
Подача, м3/ч
50
60
Рис. 4. Совместные характеристики трубопровода и насоса № 40/200У. Рассмотрены возможные варианты совместных характеристик при коррозии трубопровода и рабочего колеса
ку О в сторону меньших подач. При совместном влиянии коррозионного износа трубопровода и рабочего колеса насоса величина подачи перемещается из точки Е в точку С. Подачи в точках О и С меньше, чем в точке Е. Разница подач между точками О и С напрямую зависит от коррозионного износа трубопровода и насоса.
После получения последней модели подтвердилось предположение, что внутренняя коррозия трубопровода и насоса может повлиять на изменение подачи и напора насоса. Внутренняя коррозия трубопровода, коррозионные отложения на поверхности рабочего колеса и обрастание каналов продуктами коррозии между лопатками изменяют характеристику ф-И. При этом уменьшается напор и подача насоса. На основе выводов, полученных из построенных моделей, можно будет понять, каким образом совместный коррозионный износ трубопровода и рабочего колеса снижает эффективность работы ППС.
Полученные модели были построены для анализа причин снижения эффективности работы промывочно-пропарочных станций. Снижение эффективности работы ППС связано с увеличе-
Таблица
Вид работы Требуемое время Количество цистерн
Пропарка и промывка из-под темных продуктов средней вязкости 120 мин. (из них 40 мин. промывка) 6
Пропарка и промывка из-под продуктов высокой вязкости 180 мин. (из них 40 мин. промывка) 1
нием продолжительности промывки железнодорожных цистерн.
Предположим, что в сортировочном парке были отобраны цистерны для проведения про-мывочно-пропарочных работ. В соответствии с таблицей необходимо провести следующие виды работ [10]:
1. Если предположить, что промывка осуществляется только одним насосом при номинальной подаче Q = 30 м3/ч, то промывка семи цистерн займет не более 280 мин., полная очистка цистерн с учетом промывки и пропарки - 900 мин. (см. рис. 4). Если подача горячей воды снижается по причине коррозионного износа трубопровода и рабочего колеса насоса до Q = 22 м3/ч, то в этом случае промывка одной цистерны увеличивается на 20 мин., а полная обработка всей группы цистерн займет 1040 мин (см. рис. 4).
2. С учетом того, что подача цистерн для очистки производится в соответствии с суточным (сменным) планом [11], рассчитанным на круглосуточную работу промывочно-пропарочной станции, увеличение времени технологического процесса приведет к срыву установленного срока выполнения работ.
3. Цистерны предварительно подаются на пути накопления, расположенные вблизи станции, а затем направляются на пути очистки [6]. Увеличение времени, отведенного для процесса промывки, уменьшит не только количество цистерн, которые могут быть обработаны в течение суток, но и тех, которые могут быть поданы на пути накопления. В свою очередь, вовремя не очищенные цистерны, не могут быть использованы в установленные сроки для перевозки продукта.
Таким образом, эффективность работы ППС снижается из-за увеличения времени, требуемого для промывки железнодорожных цистерн. Основное влияние на снижение эффективности промывочных работ на ППС оказывает совместная коррозия трубопровода и рабочего колеса центробежного чугунного насоса, подающего горячую воду для промывки железнодорожных цистерн.
Выводы
1. Построенные модели позволяют установить влияние коррозионных износов трубопровода и насоса на рабочие параметры насоса. Коррозионный износ трубопровода увеличивает напор, создаваемый насосом. Превышение величины допустимого напора влечет за собой снижение эффективности работы ППС.
2. Построенные модели позволяют провести анализ причин снижения эффективности работы ППС. Полученные результаты позволяют утверждать, что коррозионный износ как трубопровода, так и рабочего колеса насоса влияет на увеличение продолжительности обработки железнодорожных цистерн на промывочно-пропа-рочных станциях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Карелин В.Я. Насосы и насосные станции. - М.: Стройиздат, 1986.320 с.
2. Айзенштейн М.Д.. Центробежные насосы для нефтяной промышленности. - М.: Гостоптехиздат, 1957.364 с.
3. Nesbitt B. Handbook of pumps and pumping. - L.: Elsevier Science & Technology Books, 2006. 470 p.
4. Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы. - М.: Машиностроение, 1966. 364 с
5. Vandagriff L., Practical R. guide to industrial boiler systems. - NY.: Marcel Dekker, Inc., 2001. 362 p
6. Григорьев А.Н. Железнодорожные цистерны / А.Н. Григорьев, Г.М. Асламазов, С.П. Кузьмин. -М.: Трансжелдориздат. - 1959. - 212 с.
7. Каталог насосов для систем отопления, кондиционирования, охлаждения, водоснабжения. Блочные и стандартные насосы двухстороннего входа. Каталог А3 - 50 Гц -2007/08. - 43 с.
8. Лезнов, Б.С. Экономия электроэнергии в насосных установках. - М.: Энергоиздат, 1991. 144 с.
9. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М.: Госэнергоиздат, 1960. 464 с.
10. Г-14540. Типовой технологический процесс работы железнодорожных станций по наливу и сливу нефтегрузов и промывочно-пропарочных предприятий по очистке и подготовке цистерн под перевозку грузов, 1982.
11. Попова Е.Н. Не пропаришь - не поедешь // Транспорт. 2010. № 7. С. 12-14 .
WHY DO EFFICIENCY OF RAILCAR TANK CLEANING COULD DECREASE
Prikhodko V. M., Corresponding Member RAS, Dr. Sci. (Tech.), Prof. Sheina A. E., Postgraduate student
Moscow Automobile and Road Construction University (MADI) (64, Leningradskiy prosp., 125319, Moscow, Russia) E-mail: sheina2016@inbox.ru
ABSTRACT
Cast iron pumps are widely used in railcar tank cleaning. Considerable cast iron corrosion of pump impeller brings to serious consequences during pump operating. Analysis have shown that substantial wear of the impeller causes increasing of the time which is necessary for railcar tank cleaning. Keywords: corrosion, railcar tank cleaning, flow decrease.
REFERENCES
1. Karelin V.Ya. Nasosy i nasosnye stantsii [Pumps and pumps stations]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1986. 320 p.
2. Ayzenshteyn M.D. Tsentrobezhnye nasosy dlya neftyanoy promyshlennosti [Centrifugal pumps for oil industry]. Moscow, Gostoptekhizdat Publ., 1957. 364 p.
3. Nesbitt, B. Handbook of pumps and pumping. L.: Elsevier Science & Technology Books. 2006. 470 p.
4. Lomakin A.A. Tsentrobezhnye i osevye nasosy [Centrifugal and axial pumps ]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1966. 364 p.
5. L. Vandagriff, R. Practical guide to industrial boiler systems. NY.: Marcel Dekker, Inc. 2001. 362 p
6. Grigor'ev, A.N., Aslamazov G. M., Kyz'min S.P. Zheleznodorozhnye tsisterny [Railcar tanks]. Moscow, Transzheldorizdat Publ., 1959. 212 p.
7. Katalog nasosov dlya sistem otopleniya, konditsionirovaniya, okhlazhdeniya, vodosnabzheniya. Blochnye i standartnye nasosy dvukhstoronnego vkhoda.
Katalog A3 - 50 gts. [Handbook of pumps for heating, conditioning, cooling systems, water supply systems. Unit and double type standart pumps. Handbook A3-50 Hz. 2010, no. 8, 43 p.
8. Leznov B. S. Ekonomiya elektroenergii v nasosnykh ustanovkakh [Economy of electric energy in pump stations]. Moscow, Energoizdat Publ., 1991. 144 p.
9. Idel'chik, I.E. Spravochnik po gidravlicheskim soprotivleniyam [Handbook of hydraulic resistance]. Moscow, Gosenergoizdat Publ., 1960. 464 p.
10. State Standart 14540. The working process of oil cargo loading and unloading at railway stations and of cleaning and preparing departments of railcar tanks to transport cargoes. - Moscow, Trasport Publ., 1982. 60 p. (In Russian)
11. Popova H.N. Won't steam - won't go. Transport [Transport], 2010, no. 7, pp.12 -14. (in Russian )
