泥水平衡盾构泥浆泵选型设计研究pdf

  《装备制造技术))2o15年第 3期 泥水平衡盾构泥浆泵选型设计研究 苏志学，蒲晓波，贺开伟，赵万里 (中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016) 摘 要：泥浆泵是泥水平衡盾构重要的输送设备 ，其选型设计对泥水环流系统的常规使用的寿命和稳定能力有着非常大的影响。以 6m地铁泥水平衡盾构为例 ，对泥浆泵选型常用参数和公式进行 了汇总，对泥浆泵设计普遍的问题进行 了阐述 ，为其他泥 水平衡盾构泥浆泵选型与设计提供参考与借鉴。 关键词：泥水平衡盾构 ；泥浆泵；选型；设计 中图分类号tU455．3 文献标识码：B 文章编号：1672—545X(2015)03—0087—03 泥浆泵是泥水平衡盾构输送泥浆的重要输送设 处单位重量液体所具有的超过汽化压力的富裕能 备，其选型和设计是不是合理，必然的联系到泥水环流系 量。如图1所示，当必须气蚀余量 (NPSHr)大于有效 统的稳定运行，是泥水环流系统正常运作的核心。因 气蚀余量 (NPsHa)时泵将出现气蚀现象，且从 A点 各工程地质差异性，泥浆泵的选型和配置是定制式 开始流量扬程曲线发生陡降。 的，如何配置即满足施工要求 ，又经济适用的泥浆泵 方案是困扰设计人员的难题。目前国内各类文献中 只有极少数文章提及泥浆泵选型，尚未形成详细和 完善的泥浆泵选型计算过程。本文以6m地铁泥水 盾构泥浆泵选型设计为例，对地铁泥水平衡盾构泥 浆泵选型常用参数和公式进行介绍，对泥浆泵设计 普遍的问题进行了汇总，以期为泥水平衡盾构泥浆泵 2 选型关键数据及公式 选型提供理论依照 ，为其设计提供参考与借鉴。 2．1泥浆流速的选取 1 选型常用术语定义 泥水平衡盾构泥浆流速经验取值：2～4m／s。 2．2管径的选取 (1)土粒比重。用 G表示，是指同体积的土粒质 根据泥浆流量和流速大小，按以下公式计算管 量与4~C纯水的质量之比，也称为土粒相对密度。土 路直径： 粒比重大小与浆体的沉降速度、磨损量以及泵的轴 D≥4．6 功率成正比，与泵的效率成反比。 式中： (2)粒径。指浆体中固体物料的大小，粒径分最小 D为管径，ram； 粒径、最大粒径和中值粒径。中值粒径是指试样筛分时 p为流量，Lm／in； 累计重量为50％的颗粒粒径，用d50表示 ，单位为mm 为流速 ，m／s。 或 ixm。粒径大小对泵的选择和管路影响较大。 2．3压力损失计算公式 (3)体积浓度。用 c表示，是指浆体中土颗粒体 积与泥浆体积的比值。 A： × L xS C D × 。· (4)质量浓度。用 c表示，是指浆体中土颗粒质 量与泥浆质量的比值。 (5)当量长度。用 表示 ，是指管路中的一些附 日=A××等 件，如阀门、弯头、三通等折合成直管的长度，用于计 式中： 算管路的压力损失。 A为管路摩擦损失系数； (6)汽蚀余量。用NPSH表示，是指在泵吸入 口 c为管路系数； 收稿 日期：2014—12—04 作者简介 ：苏志学 ，男，重庆永川人，本科 ，助理工程师，现主要是做盾构机设计与研究工作。 87 EquipmentManufacturingTechnologyNo．3，2015 D为管径，m； I，为泥浆流速 ，m／s； 3 选型示例 5为泥浆比重； 为管路压力损失，m； 某市地铁隧道项 目拟采用两台泥水平衡盾构施 ，J为管路当量长度，m； 工。结合工程地质概况及盾构基本信息参数对泥浆泵计 g为重力加速度。 算与选型如下。 3．1泥浆参数 2．4 临界沉降流速计算公式 =2¨m ¨ 雌 ¨ 为防止固体颗粒沉淀导致管路堵塞，必须使流 (1)进浆 。流量 Q。=860m3／h；泥浆 比重 S= 1．15；土粒 比重 Gsl=2．6；中值粒径 dso=0．075mm； 速超过某个给定的最小值 ，此速度称为临界沉降流 最大粒径 D =2mm。 速 ，以符号 表示 。 (2)排浆。流量Q2=970m。／h；泥浆比重S：=1．3； 当管径D200mm时，通常使用杜拉德公式计 土粒比重 G盟=2．6；中值粒径 d50，，=O．5mm；最大粒径 算临界沉降流速，公式如下： D”=150mm 。 - S) VL： a／2go(Cs 一 3．2隧道参数 v ．) 隧道总长度 =2359m，泥浆管路总长度L = 式中： 2620m，泥浆管路垂直高差AH=23m，刀盘开挖直 S为泥浆 比重； 径为6-3m，隧道穿越地层主要为泥质粉砂岩 ，天然 为与粒径、浓度等有关的速度系数 ，如图2所 示 密度为P=2．45t／m 。每小时的开挖量为 112m ，气 垫仓保压压力P气=3bar。 一 =；三_一 ／ 3．3计算与选型 嘎 ， ／Z ， (1)进、排浆管径的计算根据D≥4．6、 ，计 幺 r r 算得到进浆管D ≥275mm，排浆管JD≥292mm， ／ r r 故选取进排浆管径均为DN300。 (2)泥浆体积浓度 进浆：c1= ×100％=9．375％ 二 ．U 一 且 排浆：c2= ×100％=18．75％ (3)计算临界沉降流速根据上述计算和分析得 到，进浆浆液中的固体颗粒绝大部分小于0．1mm，体 积浓度 c ≤15％，不需要仔细考虑颗粒的沉降，此处只 需校核排浆管的临界流速。由于排浆管径为 DN300， 临界流速按照凯夫公式进行计算：，”3．6m／s。 (4)管路流速 ： — — _0— ：3 ， ． 82m／s，大于排浆临 3600×3．14×0．3‘ 界流速，故排浆管中泥浆不会发生沉降。 (5)管路当量长度根据经验，泥水平衡盾构进排 浆管路总当量长度约为泥水管路总长度的 1．O5倍 ， 得总管路当量长度 L=1．05×2620=2750m。 (6)扬程计算扬程富裕系数 取 1．05。 进浆压力损失： A1= ×— 『_L ×1．15=0 ． 0164 120 03 ×3．38。· ． ， ． H =1．0055××0．．0011664×× ：_，芸一×× 三 一≈92m 。 进浆总扬程 ： 88 装《备制造技术12015年第3期 Hl=日1+ 1OP气一△月 =92+10X3—23=99In (NPSHr)较大(如图 1所示)，更容易出现真空气蚀， 同理计算得到排浆总扬程 ：H，=138m。 加剧泥浆泵过流部件在气蚀作用下损坏。 (7)泵型确定根据泥水平衡盾构泥浆输送特点 (2)泵长期在满负荷下运行，轻易造成断轴等结 和经验，进浆泵选择 10／8AH泵 ，数量为2台。排浆泵 构部件的疲劳性损坏问题。 4．3 防止气蚀设计 选择 10／8GH泵 ，数量为3台，考虑泥浆泵空间尺寸 大量施工经验和分析表明泥浆泵过流部件损坏 及传递效率，泵采用直联传动方式。 (8)泵的安装高度进排浆泵的进 口管路沿程压 绝大部分是气蚀造成的，而泥水平衡盾构的进、排浆 泵一般都会采用浆液倒灌或压力吸入方式，线m，进排浆泵布置高度不 高于液面距离： 象较少，气蚀产生原因是由于浆液中混入了气泡，故 进浆泵：日 =9．8—5—2—0．5=2．3mm 防止和减少气泡混入浆液可以轻松又有效的减少泥浆泵气 蚀现象 ，其设计原则如下： 扫}浆泵： =9．8—4—2—0．6=3．3mm (1)泥浆泵进 口应设法增加管径，尽量减小吸人 (9)电机功率计算 管路长度、弯头和附件的数量，且泵进 口直线段长度 泥水平衡盾构泥浆泵电机富裕量一般取值 = 不小于管路直径的2～3倍，减少弯头在水平方向 1．25。 转弯，以免在弯头处聚集空气。 1)进浆泵 (2)泵进浆管的进浆 口入水深度不小于0．6～ 轴功率：=上 誉 一178kW 1m，否则会引起进浆管周围水面产生漩涡并带进气 体，且影响进浆量。 电机功率：P1=口+PI=1．25X178=222．5kW (3)保证泵的轴封填料密封严实，防止空气进 进浆泵 电机功率为 235kW 电机 ，最高转速 入，且轴封密封水压、水量足够。 1000rpm，工作电压380V，变频驱动。 2)排浆泵 5 结束语 轴功率：= 罴 257kW 电机功率：P1：口+P1，：1．25×257：321．25kW 泥浆泵是泥水环流系统的核心部件 ，其选型设 ， 工作电压38oV’变频驱动 最高转 ， 慧 主 辈 薹 T 作 。 磊爱 毳 匕薹耋罨栗 4 选型设计需要注意的几点 4 一 扯 石 … 一 一 … 蓍 累了宝贵 般情况下单台进浆泵和单台排浆泵都不能满 刚 大 川 勺 H显。 足泥水平衡盾构的施工要求 ，需要多台泵接力使用 ， =基老-6_赫 ． 得堡超埋经过其最高扬种程譬的力泥浆蚕 程 要 ] ，许振良，孟庆华．浆体管道输送临界流速的影响因 75％(根据该扬程确定接力泵 ～素及计算分析J『]．管道技术与设备， 2004(6)：1—2． 的数量)，此系数下泵的泥浆效率高且浆体对泵过流 2【]张宁川．泥水盾构主机推进速度与泥浆系统能力的匹配J【】． 部件磨蚀损耗小，将减少维修成本和降低现场检修 隧道建设，2007，27(

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