泥漿泵泵閥的特點(diǎn)及應(yīng)用

盧春陽，歐陽志強(qiáng)，李明星，歐喜生，田愛民

(衡陽中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司，湖南衡陽 421002)

0 引言

泥漿泵是地質(zhì)鉆探和工程施工的重要配套設(shè)備，能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成液壓能。泥漿泵的用途非常廣泛，可用于各種軟地基的注漿處理、工程施工鉆進(jìn)、水井鉆進(jìn)、高山送水、礦井排水、堤防灌漿等。在鉆探施工中，泥漿泵主要是向孔內(nèi)供給沖洗液，使之在鉆孔中循環(huán)，以達(dá)到攜帶巖屑返回地面、保持孔底干凈、保護(hù)孔壁防止坍塌的作用，同時(shí)還可以冷卻與潤(rùn)滑鉆頭及鉆具。在特殊工序(如堵漏、封孔)中，還可用泥漿泵向孔內(nèi)灌注水泥漿等物質(zhì)。

在鉆探生產(chǎn)中，應(yīng)用最為廣泛的是往復(fù)式泥漿泵，這是一種容積式泵，由動(dòng)力端和液力端兩大部分組成。動(dòng)力端由曲柄連桿機(jī)構(gòu)、十字頭和其他機(jī)械傳動(dòng)部件組成，液力端由泵頭體、缸套、活塞或柱塞、安全閥、空氣室、吸入閥和排出閥等組成。

1 泵閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

往復(fù)式泥漿泵的工作原理是活塞在缸套中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，形成液缸容積變化。當(dāng)抽吸使液缸容積增大時(shí)，腔內(nèi)壓力降低，水池中的液體在壓力差的作用下經(jīng)吸入管推開吸入閥進(jìn)入液缸；當(dāng)排擠液缸使容積變小時(shí)，液缸中的液體受到擠壓，腔內(nèi)壓力升高，吸入閥關(guān)閉，排出閥打開，液體被排出液缸，進(jìn)入管路，如此不斷循環(huán)，實(shí)現(xiàn)吸入或排出液體。每個(gè)液缸工作腔都設(shè)有一個(gè)吸入閥和一個(gè)排出閥，總稱為泵閥。在實(shí)際生產(chǎn)中，為便于互換和維修，通常吸入閥和排出閥做成完全相同的結(jié)構(gòu)。

泵閥結(jié)構(gòu)型式多種多樣，有用于低壓小流量泵上的自重球閥，用于中、高壓泵上的平板閥和錐形閥(片閥)等。球閥一般由閥座、閥球、消聲墊、限位裝置等組成，限位裝置為閥蓋或限位套，用以限制泵閥的升程。片閥一般由閥座、閥片、閥體、彈簧和限位套等組成，泵閥的升程由限位套或閥蓋控制。

泥漿泵泵閥對(duì)泵的正常工作具有重要的作用，是泥漿泵的重要零部件。為保證泥漿泵的正常工作，要求泵閥關(guān)閉時(shí)具有良好的密封性并避免嚴(yán)重撞擊，運(yùn)動(dòng)應(yīng)平穩(wěn)，噪聲小，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，經(jīng)久耐用。

2 泵閥的應(yīng)用

我公司生產(chǎn)泥漿泵歷史較久，產(chǎn)品齊全，品種豐富，有成熟的生產(chǎn)工藝、完善的生產(chǎn)條件和試驗(yàn)檢測(cè)方法，有良好的口碑，市場(chǎng)占有率高。系列化的泥漿泵流量50～3000 L/min，壓力2～30 MPa，功率5～300 kW，可滿足地質(zhì)勘探、工程勘察、高山送水、非開挖配套等不同用戶的需求。在我公司泥漿泵產(chǎn)品中，泵閥的結(jié)構(gòu)型式也是多樣化，根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域和不同的輸送介質(zhì)，采用不同的泵閥，應(yīng)用較廣泛的是球閥和片閥。

2.1 球閥的應(yīng)用

球閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢修拆裝方便，通用性、互換性好，使用成本較低等特點(diǎn)，普遍用于流量較小、壓力較低的泥漿泵，如BW-150、BW-250泥漿泵。

圖1為BW-150泥漿泵的排水閥，閥球?yàn)殇撉?，閥球和閥座直接金屬接觸密封，沖擊較大，容易產(chǎn)生較大的噪聲，為降低噪聲，在閥蓋上安裝消聲墊，起到降噪緩沖的作用。球閥的閥隙流道圓滑，流液阻力小，也常用于砂漿泵的泵閥上，圖2為BWH-150/1.5水泥砂漿泵的吸排閥，砂漿泵要求閥座通徑大，通過性好，與之相配的閥球較重，泵的吸入排出要克服閥球的重量，為解決這一矛盾，通常采用空心閥球減輕重量以滿足砂漿泵的性能要求。

圖1 BW-150泥漿泵排水閥結(jié)構(gòu)圖Fig.1 BW-150 structural drawing of drain valve of mud pump

圖2 BWH-150/1.5水泥砂漿泵的吸排閥結(jié)構(gòu)圖Fig.2 BWH-150/1.5 structural drawing of suction and discharge valve of cement mortar pump

球閥的失效形式主要包括：①閥球在載荷下對(duì)閥座的沖擊，使閥座變形，沖程增大，造成接觸面磨損或?qū)蛑鶖嗔?圖3)；②閥球在輸送介質(zhì)的高壓沖蝕下遭到破壞，導(dǎo)致密封失效(圖4)；③泥漿泵在使用后，腔內(nèi)液體未排盡，造成閥座與閥球生銹，影響泵的吸入，也是泥漿泵的常見故障之一。

圖3 損壞的閥座Fig.3 Damaged valve seat

圖4 損壞的閥球Fig.4 Damaged valve ball

2.2 片閥的應(yīng)用

片閥結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，零件多，加工制造工序多，成本較高，但使用性能優(yōu)良。片閥具有良好的密封性，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小、經(jīng)久耐用，普遍用于大流量、高壓力的泥漿泵。片閥是通過閥片與閥座金屬面的錐面接觸實(shí)現(xiàn)密封，閥片除起密封作用外，還對(duì)閥體落座時(shí)的沖擊起緩沖作用。泵閥上的彈簧用于在閥上建立載荷，保證閥的及時(shí)關(guān)閉。為了控制閥片的運(yùn)動(dòng)和平穩(wěn)準(zhǔn)確地落座，在閥體上還配有導(dǎo)向裝置。

圖5為BW-300/16型泥漿泵的片閥結(jié)構(gòu)圖，該泵閥的閥體與閥片為一體制造，限位套和閥體均為精鑄件，加工制造成本較高。在較大流量泵上使用時(shí)，閥座與泵頭接觸的錐面加工精度要求較高，否則容易松開脫落，造成泵閥損壞，脫落的泵閥被柱塞頂壞，見圖6。

圖5 BW-300/16泥漿泵片閥結(jié)構(gòu)圖Fig.5 BW-300/6 structural drawing of mud pump diaphragm valve

圖6 損壞的片閥Fig.6 Damaged flap valve

圖7 BW-850/10泥漿泵片閥結(jié)構(gòu)圖Fig.7 BW-850/10 structural drawing of slurry pump diaphragm valve

圖7為BW-850/10和BW-1000/12泥漿泵的片閥結(jié)構(gòu)，該泵閥的閥座與泵頭采用過盈配合的密封形式。BW-850/10泥漿泵在內(nèi)蒙古通遼某鈾礦基地砂土層施工中，體現(xiàn)了使用壽命長(zhǎng)、效果較好的優(yōu)勢(shì)，組合式的閥片有效地降低了用戶的使用成本。

片閥的失效形式主要是沖擊載荷或高壓輸送液體通過閥隙時(shí)沖蝕閥片，使閥片出現(xiàn)磨損或裂紋，密封性能遭到破壞，圖8為被沖蝕的閥片。

圖8 被沖蝕的閥片F(xiàn)ig.8 Erosion valve plate

3 泵閥結(jié)構(gòu)對(duì)泵的影響

我們?cè)趯?duì)用戶進(jìn)行走訪和工地調(diào)研時(shí)，用戶也對(duì)泵閥結(jié)構(gòu)有不同的要求。例如，使用BW-320泵時(shí)，有用戶要求用球閥，有用戶中意于片閥。為進(jìn)一步驗(yàn)證球閥和片閥對(duì)泵性能的影響，我們?cè)谠囼?yàn)室對(duì)多種流量的泵進(jìn)行了多次測(cè)試。

表1是對(duì)產(chǎn)銷量較大、使用范圍較廣，在系列泵中最有代表性的BW-600/10泥漿泵的性能測(cè)試數(shù)據(jù)。在同一臺(tái)泵上分別安裝球閥和片閥，泵閥的升程和閥座的通徑均相同，有效地避免了各種因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的干擾。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，片閥的各擋壓力均勻，排出流量穩(wěn)定，測(cè)量的噪聲比球閥噪聲低1～3 dB(A)，噪聲無較大波動(dòng)。通過測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，片閥的實(shí)測(cè)流量比球閥多5～15 L/min，容積效率明顯好于球閥。

4 結(jié)論

影響泥漿泵質(zhì)量和性能的因素很多，有加工制造的因素，也有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的因素。動(dòng)力端的曲軸箱和變速箱的溫升、齒輪的噪聲，液力端的壓力不均勻、流量排出不穩(wěn)定、容積效率過低等都對(duì)泥漿泵有影響。泵閥是泥漿泵的重要零部件，泵閥的密封性能和結(jié)構(gòu)形式對(duì)泥漿泵的影響較大。結(jié)合泥漿泵的工地使用情況和試驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)可見：流量低于300 L/min用球閥有優(yōu)勢(shì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)更換方便；流量在300～600 L/min用球閥和片閥均可，但使用圖5所示結(jié)構(gòu)的片閥對(duì)泵性能的提升較好；流量大于600 L/min較適合用圖7所示結(jié)構(gòu)的片閥，對(duì)液體的通過性和流動(dòng)性較好。不同泵閥結(jié)構(gòu)各有優(yōu)勢(shì)，應(yīng)根據(jù)不同的流量及輸送的介質(zhì)對(duì)泵閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化選擇。

表1 BW-600/10泥漿泵不同泵閥性能測(cè)試對(duì)比Table 1 Performance comparison of different pump valves for mud pumps