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制定“排沙必备”安全措施 王庆武攻破潜水泵爆炸难题

煤矿用潜水泵爆炸是上世纪80年代以来的行业难题,那么,潜水泵为什么会爆炸?上海庆武排沙水泵研究所所长王庆武指出,由“锅炉爆炸”联想到“潜水泵爆炸”,难题顿时简单了。因此,分析潜水泵爆炸机

煤矿用潜水泵爆炸是上世纪80年代以来的行业难题,那么,潜水泵为什么会爆炸?上海庆武排沙水泵研究所所长王庆武指出,由“锅炉爆炸”联想到“潜水泵爆炸”,难题顿时简单了。因此,分析潜水泵爆炸机理时,重点应该是“饱和水蒸汽三要素”:密封容器、水源、热源。

电动机外壳本身就是“密封容器”,“水源”是排沙振动导致的电动机内腔进水,“热源”是排沙过载导致的电动机内腔异常发热。由于“密封容器”内的“热源”通过“水源”转换为饱和水蒸汽的强大压力却无法释放,最终导致电动机外壳蒸汽爆炸。针对煤矿井下的实际条件,王庆武制定出潜水泵“排沙必备”的安全措施,研发出KL型矿用立泵、BSQ型排沙潜水泵,尤其是增加了泄压安全阀及隔爆管柱组件,已经遏制住潜水泵爆炸将近十年。

防止潜水泵爆炸三要素

在组装状态,端盖止口与机座采用0形密封圈,转轴与轴孔采用“双端面机械密封”,电缆与引入装置采用橡胶密封圈,电动机的整机须通过气密性试验。实质上,煤矿用潜水泵的电动机外壳本身就是“密封容器”。

一方面,排沙振动,电动机进水。根据王庆武1988年的专项观测结论:潜水泵排沙后,台台干式电动机的外壳内都有积水。进水的通路是穿越了双端面机械密封,并在最后一道“端面”以水蒸汽的方式进入电动机内腔,再冷凝为教科书所说的“结露水”。以4.0kW潜水泵的统计数字为例,振动为“精密级”,使用三个月,电动机内腔积攒的“积水”为15~20g。按1999年的统计结果:4.0kW潜水泵,振动为“普通级”,积水为30~80g,极个别的为125g以上。

另一方面,剧烈振动,电动机大量进水。王庆武指出,潜水泵直接坐在水坑底部排沙,因此经常会看到:开泵的瞬间,吸沙浓度的质量比有时高达40%。这时叶轮的3到6个流道中有一个流道的入口如果被固体颗粒拥挤而堵塞,就会产生剧烈振动,导致电动机内腔大量进水。

1)采煤工作面用,或岩石平巷掘进用,规定固体的质量比为20%,功率要比排清水时增大1.14倍。设计时还应考虑开泵瞬间吸沙质量比为40%时的“功率峰值”,为了避免 “频繁烧电机”,配套电动机的功率实际应比排清水时增大1.34倍以上。

2)立井或斜井掘进用、清水仓用,规定固体的质量比为40%,功率要比排清水时增大1.34倍。还应考虑吸沙质量比为53%时的“功率峰值”,功率实际应增大1.5倍以上。

3)采空区灌浆充填用,规定固体的质量比为53%,功率要比排清水时增大1.5倍。还应考虑吸泥沙质量比为70%时的“功率峰值”,功率实际应增大1.8倍以上。

4)清除“第四纪流沙”用,规定固体的质量比为40%,功率要比排清水时增大1.34倍。还应考虑吸沙质量比为70%时的“功率峰值”,功率实际应增大1.8倍以上。另外,吸沙吸出大沙坑后会坍塌,这时吸沙的质量比也会突然增大到70%。

然而,王庆武表示,目前国内的煤矿用潜水泵现状是规定允许“含固体颗粒的介质,其体积浓度一般不超过2%”(行业标准MT/T671-2005《煤矿用隔爆型潜水电泵》第4.3 d)条)。其实,“2%”的规定值出自“潜污水电泵”行业标准,这是城镇污水的最高固体浓度值,换算成质量比为5.22%。

很明显,这与煤矿井下对排沙浓度的实际需求相差甚远。此时其功率仅比排清水时增大1.03倍,假如配套电动机的功率富裕量确实不足,也就难免出问题。

出现以上问题的原因是:该行业标准的编制时间仓促,没有到煤矿井下去做“排沙浓度”调研,只好用“潜污水电泵”行业标准代替“排沙潜水泵”行业标准。因此,频繁“烧电机”的根源,很可能是排沙浓度过高,而产品标准过低,导致排沙过载后电机异常发热。

除了由于排沙过载引起电动机异常发热外,可由定转子温度判断水蒸气高压。通常来说,“烧电机”的瞬间,定子和转子铁芯的温度≥250℃。

假如电动机外壳爆炸是水蒸气引起的。那么,250℃时的饱和蒸汽的压力表读数已达3.8779MPa。若定子的紫铜漆包线被短路电流击穿,电弧放电和熔化的铜渣会把电动机内腔的气体温度由250℃至少提升到270℃,这时饱和蒸汽的压力表读数至少5.4063MPa。显然,电动机的外壳承受不了这样大的压力。

综上所述,王庆武认为,假如已经用排污水的标准为煤矿用潜水泵配备了电动机,然后强行排沙就会功率不足;同时电动机又缺少排沙必备的“泄压安全阀”,在这种条件下,潜水泵爆炸的主要根源很可能是因为其电动机外壳本身就是“密封容器”,“水源”是排沙振动导致的电动机内腔进水,“热源”是排沙过载导致的电动机内腔异常发热。由于“密封容器”内的“热源”通过“水源”转换为饱和水蒸汽的强大压力无法释放,最终导致电动机外壳爆炸——如同没有安全阀的锅炉爆炸。

王庆武的“安全泵”

排沙必备的安全规定有哪些呢?王庆武从12条规定中列举出3条最重要的。第一,电动机外壳须有潜水泵专用的泄压安全阀,在压力为0.25MPa时须能自动泄压,还须为其配备能预防瓦斯爆炸的隔爆零件。第二,干式电动机内腔不得有饱和水蒸汽,环境温度和水温均须≤35℃,电动机绕组温升限值为60K。环境温度不再为≤40℃,电动机绕组温升限值不再为80K。第三,断水空转6h,机械密封不得冒烟,其外壳温度不得高于95℃。

1)2007年川煤集团李子垭南矿发生潜水泵爆炸,该集团选用带有“安全阀”的矿用立泵,已经遏制住潜水泵爆炸将近十年。

2)2007年兖矿集团济三矿溜子道煤水混合,“频繁烧电机”,该集团选用功率有“富裕量”的矿用立泵, 已经遏制住“频繁烧电机”将近十年。

3)2012年四川省“政府采购”KL280-50型矿用立泵,多台串联,成功取代王家岭矿难时“无法入井”的大型离心泵。

5)2014年开滦集团唐山矿采区工作面水灾被淹,因煤水混合,原有潜水泵“频繁烧电机,又因巷道窄小,离心泵太大,无法搬入,选用KL50-50×2型矿用立泵,人工抬入,多台串联抢险排水成功。

“潜水排沙电泵”威胁煤矿安全

潜水泵在煤矿井下使用,虽有电气保护,照样两三个月就烧电机,这使潜水泵背上爆炸安全隐患。

煤矿与许多行业都发生过潜水泵爆炸,国内外均有研究报告。煤科总院上海分院1988年已到爆炸现场调研,有预防潜水泵爆炸的意识与具体措施。因此,当时的上海防爆检验站站长姚克要求王庆武办证的潜水泵必须满足:为防冒顶隔断水源必须允许断水空转6小时,还要允许排沙重20%,规定排沙超标不得烧电机,更不得爆炸。最终,诞生的 “排沙潜水泵”,被评为“1991年度国家级新产品”、“国际金奖”,《中国煤炭报》发文宣传加上广告14年, 2005年成为“知名商品”,“排沙”也成了有商业价值的热词。1992年发明人王庆武“有突出贡献”获得“国务院政府特殊津贴”、“煤炭部科技进步奖”。这些曾经轰动煤炭和水泵两大行业,也让“个别厂商”眼红。

在这一背景下,明明是执行MT/T671“潜污水电泵”行业标准的产品“潜水电泵”,2006年发证机构却批准“个别厂商”自己提出的“潜水排沙电泵”名称,并发给煤矿安全标志证。同时,不许发明人王庆武继续用“排沙潜水泵”名称办证,强迫改名,一切从头来,这是 “置知名商品于死地”的商家大忌,会丢失全部市场。王庆武不同意改名为“潜水排沙电泵”,最终“排沙潜水泵” “被消失”。王庆武因此强烈反对。

由于“潜水排沙电泵”与市场畅销的“知名商品”“名称近似”,并用低于“排沙潜水泵”价格销售,在招投标中误导了“排沙潜水泵”老用户,导致老用户采购出错,法律上已涉嫌不正当竞争,这令老用户无法接受,恨其为“假排沙潜水泵”。因担心安全隐患,兖矿集团首先禁止采购“潜水排沙电泵”。

在昆山大爆炸、天津大爆炸之后,“潜水排沙电泵”成为煤矿最大安全隐患,这让王庆武更加揪心。他知道“潜水排沙电泵”事关煤矿安全,责任重大。为此他呼吁,政府主管部门积极深入煤矿一线调查摸底,虚心听取煤矿第一线用户的客观意见,从而从根本上消除安全隐患,防患于未然。

“排沙潜水泵”的发明人王庆武1948年出生,1988年从采煤专业转行到水泵专业。当时,他顶着“不准退休养老”的惩罚,顶着“知名商品” “被消失”的摧残,失去成果转化的大好商机,损失惨重。在极端困境下,他又“不顾一切”地攻克了潜水泵爆炸世界难题,成为潜水泵行业领军人物,是勇士,值得颂扬。目前,他已经获得很多人的支持,今后将不会再是孤军作战。

王庆武也相信,国家安监总局最终会主持公道,会追究相关责任人的乱作为和不作为,会做出令人满意的整改方案,让潜水泵还给煤矿安全。这将是一大幸事。

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