泥水平衡盾构泥浆泵选型设计研究

《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，河南摘郑州４５００１６）　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使用寿命和稳定性有着很大的影响。以　６　ｍ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，对泥浆泵设计常见问题进行了阐述，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：１　６７２—５４５Ｘ（２０１　５）０３—００８７—０３　泥浆泵是泥水平衡盾构输送泥浆的重要输送设　备，其选型和设计是否合理，直接关系到泥水环流系　统的稳定运行，是泥水环流系统正常运转的核心。因　各工程地质差异性，泥浆泵的选型和配置是定制式　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６　ｍ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　常见问题进行了汇总，以期为泥水平衡盾构泥浆泵　选型提供理论依据，为其设计提供参考与借鉴。　处单位重量液体所具有的超过汽化压力的富裕能　量。如图１所示，当必须气蚀余量（ＮＰＳＨｒ）大于有效　气蚀余量（ＮＰｓＨａ）时泵将出现气蚀现象，且从Ａ点　开始流量扬程曲线发生陡降。　２选型关键数据及公式　２．１泥浆流速的选取　１　选型常用术语定义　（１）土粒比重。用Ｇ　表示，是指同体积的土粒质　量与４￣Ｃ纯水的质量之比，也称为土粒相对密度。土　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，Ｌ／ｍｉｎ；　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ｉｘ　ｍ。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　Ａ：　×　Ｌ　ｘ　Ｓ　积与泥浆体积的比值。　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　式中：　件，如阀门、弯头、三通等折合成直管的长度，用于计　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；　泥水平衡盾构泥浆流速经验取值：２～４　ｍ／ｓ。　２．２管径的选取　根据泥浆流量和流速大小，按以下公式计算管　路直径：　日＝Ａ×　×等　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，现主要从事盾构机设计与研究工作。　８７　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｎｏ．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；　某市地铁隧道项目拟采用两台泥水平衡盾构施　为管路压力损失，ｍ；　工。结合工程地质概况及盾构基本参数对泥浆泵计　，Ｊ为管路当量长度，ｍ；　算与选型如下。　ｇ为重力加速度。　３．１泥浆参数　２．４临界沉降流速计算公式　＝２¨ｍ　¨　雌　¨　（１）进浆。流量Ｑ。＝８６０　ｍ３／ｈ；泥浆比重Ｓ　＝　为防止固体颗粒沉淀导致管路堵塞，必须使流　１５；土粒比重Ｇｓｌ＝２．６；中值粒径ｄｓｏ　＝０．０７５　ｍｍ；　速超过某个给定的最小值，此速度称为临界沉降流　１．最大粒径Ｄ　＝２　ｍｍ。　速，以符号　表示。　（２）排浆。流量Ｑ２＝９７０　ｍ。／ｈ；泥浆比重Ｓ：＝１．３；　当管径Ｄ＜２００　ｍｍ时，通常使用杜拉德公式计　算临界沉降流速，公式如下：　ＶＬ：　ａ／２ｇｏ（Ｃｓ－Ｓ）ｖ．）式中：　Ｓ为泥浆比重；　为与粒径、浓度等有关的速度系数，如图２所　示　一＝　；三＿一　／　嘎　，　／　Ｚ　，　幺　ｒ　ｒ　／　ｒ　ｒ　８８　土粒比重Ｇ盟＝２．６；中值粒径ｄ５０，，＝Ｏ．５　ｍｍ；最大粒径　Ｄ”＝１５０　ｍｍ。　３．２隧道参数　隧道总长度　＝２　３５９　ｍ，泥浆管路总长度Ｌ　＝　２　６２０　ｍ，泥浆管路垂直高差ＡＨ＝２３　ｍ，刀盘开挖直　径为６－３　ｍ，隧道穿越地层主要为泥质粉砂岩，天然　密度为Ｐ＝２．４５　ｔ／ｍ　。每小时的开挖量为１１２　ｍ　，气　垫仓保压压力Ｐ气＝３　ｂａｒ。　３．３计算与选型　（１）进、排浆管径的计算根据Ｄ≥４．６、　，计　算得到进浆管Ｄ　≥２７５　ｍｍ，排浆管ＪＤ　≥２９２　ｍｍ，　故选取进排浆管径均为ＤＮ３００。　（２）泥浆体积浓度　进浆：ｃ　１＝　×１００％＝９．３７５％　二．Ｕ一且　排浆：ｃ　２＝　×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０．１　ｍｍ，体　积浓度ｃ　≤１５％，不需要考虑颗粒的沉降，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：　，”　３．６　ｍ／ｓ。　（４）管路流速　，：——　＿０—　：３．８２　ｍ／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　＝１．０５×２６２　０＝２７５　０　ｍ。　（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　０５　０　．　×　．０５×．　０１６０１６　４　×　×　：，＿芸　一×　三　×　一９２≈　ｍ　进浆总扬程：　《装备制造技术１２０１５年第３期　Ｈｌ＝日１　＋１ＯＰ气一△月＝９２＋１０　Ｘ　３—２３＝９９　Ｉｎ　（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，＝１３８　ｍ。　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，容易导致断轴等结　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。　选择１０／８ＧＨ泵，数量为３台，考虑泥浆泵空间尺寸　４．３防止气蚀设计　及传递效率，泵采用直联传动方式。　大量施工经验和分析表明泥浆泵过流部件损坏　（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　力损失约为２　ｍ，余量取０．５　ｍ，进排浆泵布置高度不　泵一般采用浆液倒灌或压力吸入方式，真空气蚀现　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＝２．３　ｍｍ　防止和减少气泡混入浆液可以有效的减少泥浆泵气　扫｝浆泵：　＝９．８—４—２—０．６＝３．３　ｍｍ　蚀现象，其设计原则如下：　（９）电机功率计算　（１）泥浆泵进口应设法增加管径，尽量减小吸人　泥水平衡盾构泥浆泵电机富裕量一般取值　＝　管路长度、弯头和附件的数量，且泵进口直线段长度　１．２５。　不得小于管路直径的２～３倍，减少弯头在水平方向　１）进浆泵　转弯，以免在弯头处聚集空气。　（２）泵进浆管的进浆口入水深度不得小于０．６～　轴功率：　＝上　誉　一１７８　ｋＷ　１　ｍ，否则会引起进浆管周围水面产生漩涡并带进气　电机功率：Ｐ１＝口＋ＰＩ　＝１．２５　Ｘ　１７８＝２２２．５　ｋＷ　体，且影响进浆量。　进浆泵电机功率为２３５　ｋＷ电机，最高转速　（３）保证泵的轴封填料密封严实，防止空气进　１　０００　ｒｐｍ，工作电压３８０　Ｖ，变频驱动。　入，且轴封密封水压、水量足够。　２）排浆泵　轴功率：　＝　罴　２５７　ｋＷ　５结束语　电机功率：Ｐ１：口＋Ｐ１，：１．２５×２５７：３２１．２５　ｋＷ　泥浆泵是泥水环流系统的核心部件，其选型设　工作电压３Ｔ作　８ｏ　Ｖ’变频驱动，。　最高转　，　磊爱　慧　主　辈　毳　匕　薹耋罨　栗　薹　４选型设计注意事项　４　一般情况下单台进浆泵和单台排浆泵都不能满　扯　石…　一一…蓍　刚　大　川　勺　Ｈ显。　累了宝贵　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．　堡埋经　得超过其最高扬程的种譬力泥浆蚕　７５％（根据该扬程确定接力泵　程　要　～素及计算分析『］　，许振良，Ｊ］．管孟庆华．道技术与设备浆体管道输送临界流速的影响因　，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（６）：７－９．　频繁等问题。　［３】曾垂刚．泥水盾构泥浆循环技术的探讨［Ｊ】．隧道建设，２００９，　４．２防止泵选的偏小　２９（２）：１６２—１６５．　（１）泵长期在大流量下运行，必需气蚀汽蚀余量　Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｎ　Ｓｌｕｒｒｙ　Ｐｕｍｐ　ｏｆ　Ｓｌｕｒｒｙ　Ｓｈｉｅｌｄ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｕｄ　ｉｓ　ｍｕｄ　Ｂａｌａｎｃｅｄ　Ｓｈｉｅｌｄ　ｉｍｐｏｒｔｎａｔ　ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｈａｓ　ａ　ｇｒｅａｔ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｅｒｖｉｃｅ　ｌｉｆｅ　ａｎｄ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｌｕｒｒｙ　ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｗｉｔｈ　６　ｍ　ｏｆ　ｓｕｂｗａｙ　ｓｌｕｒｒｙ　ｂａｌａｎｃｅ　ｓｈｉｅｌｄ　ｆｏｒ　ｅｘａｍｐｌｅ，　ｃｏｍｍｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｍｕｄ　ｐｕｍｐ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｆｏｒｍｕｌａ　ａｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ｓｏｍｅ　ｃｏｍｍｏｎ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｌｕｒｒｙ　ｐｕｍｐ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ａｎｄ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆｒ　ｏｔｈｅｒ　ｓｌｕｒｒｙ　ｓｈｉｅｌｄ　ｓｌｕｒｒｙ　ｐｕｍｐ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｌｕｒｒｙｓｈｉｅｌｄ　ｍａｃｈｉｎｅ；ｓｌｕｒｒｙｐｕｍｐ；ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ；ｄｅｓｉｎｇ　８９