Korea Ever-Power · Руководство по применению инженерных решений
Червяк и червячное колесо для смесителей и скребков для очистки сточных вод
Муниципальная очистная станция обрабатывает сточные воды 24 часа в сутки в атмосфере, насыщенной сероводородом в концентрации от 20 до 80 ppm. Привод скребка отстойника — червячная передача, вращающаяся со скоростью 0,05 об/мин на наружной бетонной площадке, — непрерывно находится в этой коррозионной атмосфере от 15 до 25 лет. Стандартная промышленная сталь и бронза заметно корродируют в течение 12 месяцев. Концентрация H₂S определяет, какой материал выдержит.
На очистных сооружениях для сточных вод используются червячные передачи для скребков осветлителей, сгустителей осадка, аэрационных мешалок и приводов лопастей для флокуляции — все они требуют сверхнизкой скорости вращения (0,02–2 об/мин), высокого крутящего момента (500–10 000+ Н·м) и непрерывной работы на открытом воздухе в атмосфере сероводорода (H₂S). Дерево решений по материалам, содержащим H₂S, классифицирует воздействие по четырем диапазонам концентрации и сопоставляет каждый из них с требуемым материалом червяка, сплавом колеса, покрытием корпуса и спецификацией уплотнения. При концентрации H₂S ниже 5 ppm стандартная оцинкованная сталь и фосфористая бронза служат более 10 лет. При концентрации от 50 до 200 ppm только нержавеющая сталь 316L с алюминиевой бронзой и полным эпоксидным покрытием обеспечивает приемлемый срок службы. Для работы скребков осветлителей на сверхнизких скоростях от 0,02 до 0,1 об/мин требуется суммарное передаточное отношение от 1000:1 до 5000:1, которое достигается путем объединения червячной передачи (от 40:1 до 80:1) со вторичной прямозубой или планетарной ступенью (от 25:1 до 80:1), поскольку одноступенчатые червячные передачи с передаточным отношением выше 100:1 нецелесообразны.
Почему в оборудовании для очистки сточных вод используются червячные передачи?
Процессы очистки сточных вод требуют чрезвычайно медленного вращения с высоким крутящим моментом. Скребок первичного отстойника вращает мост диаметром 30 метров со скоростью от 0,03 до 0,05 об/мин — один полный оборот каждые 20–33 минуты. Сгуститель осадка вращает грабли со скоростью от 0,1 до 0,5 об/мин. Смеситель аэрационного бассейна вращает пропеллер со скоростью от 20 до 60 об/мин — быстрее, но все еще намного ниже типичной скорости вращения двигателя.
Червячная передача обеспечивает высокое одноступенчатое передаточное отношение, необходимое для преодоления разрыва в скорости между двигателем (1450 об/мин) и технологическим процессом (от 0,03 до 60 об/мин), а самоблокирующаяся конструкция предотвращает смещение скребкового рычага под воздействием шлама при остановке двигателя для технического обслуживания или отключения электроэнергии.
Червячная передача с передаточным отношением 60:1 в сочетании с цилиндрическим редуктором с передаточным отношением 50:1 обеспечивает суммарное передаточное отношение 3000:1 в приводном блоке, который устанавливается на мостик отстойника, преобразуя скорость вращения двигателя 1450 об/мин в скорость вращения скребка 0,48 об/мин без необходимости в отдельной башне редуктора.
Скребки и грабли отстойника постоянно подвергаются воздействию крутящего момента от осевшего осадка. Когда двигатель останавливается, сопротивление осадка будет вращать скребок в обратном направлении, если привод не является самоблокирующимся, что потенциально может привести к запутыванию цепей скребка в многорычажных отстойниках.
Процессы обработки протекают непрерывно. Червячная передача работает 8760 часов в год — это один из самых длительных периодов годовой эксплуатации среди всех применений в этой серии из 30 статей. Стандартной процедурой для этой работы является смазка в масляной ванне с компенсацией температуры замены масла.
Дерево решений для коррозионной атмосферы H₂S — от концентрации до технических характеристик материала.
Сероводород (H₂S) — характерный коррозионный газ в системах очистки сточных вод. Он образуется в результате анаэробного разложения органических веществ, особенно в головных сооружениях, первичных отстойниках, резервуарах для хранения осадка и закрытых метантенках. Концентрация H₂S в пределах одной очистной станции сильно варьируется: в зоне фильтрации головных сооружений она может составлять от 50 до 200 ppm, в то время как на площадке вторичного отстойника — всего от 5 до 15 ppm. Материал червячной передачи должен соответствовать местной концентрации H₂S в месте установки, а не среднему показателю по станции.
Как сероводород повреждает зубчатую пару. H₂S растворяется во влажной пленке на металлических поверхностях и образует серную кислоту (в присутствии кислорода и воды). Эта кислота воздействует как на стальной червяк, так и на бронзовое колесо, но по разным механизмам. На стали кислота вызывает точечную коррозию, которая делает поверхность резьбы шероховатой и увеличивает трение. На стандартной фосфорной бронзе (CuSn12Ni) H₂S реагирует с медью, образуя сульфид меди (Cu₂S) — черный слой налета, который непрерывно растет, покрывая поверхность бронзы со скоростью от 0,05 до 0,3 мм в год в зависимости от концентрации H₂S. Алюминиевая бронза (CuAl10Fe5Ni5) устойчива к воздействию сульфидов, поскольку поверхностный слой оксида алюминия стабилен в атмосфере H₂S — именно поэтому алюминиевая бронза заменяет фосфорную бронзу при концентрации H₂S выше 5 ppm.
Работа на сверхнизкой скорости — от 0,02 до 2 об/мин для скребков осветлителя.
Скребки для осветления работают на настолько низких скоростях вращения, что их практически невозможно заметить невооруженным глазом — 0,03–0,05 об/мин для первичного отстойника означает, что кончик скребка перемещается по поверхности резервуара со скоростью примерно 5–8 метров в минуту. Для достижения такой сверхнизкой скорости требуется передаточное отношение от 1000:1 до 5000:1 между двигателем и приводным валом скребка.
Почему одноступенчатые червячные передачи не могут достигать таких передаточных чисел. Однозаходная червячная передача с модулем 3 и q = 10 имеет передаточное отношение приблизительно 40:1. Увеличение передаточного отношения до 100:1 в рамках одной ступени требует либо непрактично большого колеса (диаметр увеличивается пропорционально), либо непрактично малого диаметра делительной окружности червяка (снижение прочности). Теоретически возможны передаточные отношения выше 100:1 в одной червячной передаче, но это приводит к созданию пар с непригодной геометрией — диаметр червяка становится слишком малым для крутящего момента, а колесо становится слишком большим для корпуса. Практическое решение — это составная передача: червячная передача первой ступени (от 40:1 до 80:1) плюс вторичная прямозубая, косозубая или планетарная ступень (от 25:1 до 80:1). Распространенные составные передачи для приводов отстойников: червяк 60:1 + прямозубая 50:1 = 3000:1 в сумме, или червяк 50:1 + планетарная 40:1 = 2000:1 в сумме.
Смазка на сверхнизких скоростях. При скорости вращения на выходе от 0,03 до 0,05 об/мин входной вал червяка вращается со скоростью от 50 до 250 об/мин (в зависимости от передаточного отношения червячной передачи в составном приводе). Эта скорость вращения на входе достаточна для поддержания гидродинамической масляной пленки на резьбе червяка — в отличие от некоторых применений со сверхнизкими скоростями, где преобладает граничная смазка. Масляная смазка является стандартной для червячных передач очистных сооружений, поскольку непрерывная круглосуточная работа приводит к постоянному выделению тепла, которое герметичная смазка не может рассеять в течение многолетних интервалов обслуживания, характерных для оборудования водоочистки.
На муниципальных очистных сооружениях Кореи, обслуживающих 200 000 человек, были выбраны червячные передачи для 4 приводов скребков первичных отстойников. Отстойники представляли собой открытые круглые отстойники диаметром 30 м с центральным подачей и периферийным переливом. Концентрация H₂S на уровне деки отстойника составляла от 15 до 25 ppm — умеренная степень воздействия. В первоначальной спецификации использовались стандартные оцинкованные стальные червячные передачи с колесами из фосфористой бронзы — подходящие для воздействия концентрации ниже 5 ppm, но не соответствующие фактической концентрации 15–25 ppm. Через 4 года на двух из четырех червячных передач на поверхностях бронзовых колес образовалось сильное сульфидное потускнение — толщина зубьев уменьшилась на 0,18 мм (примерно на 12% от первоначальной), а люфт увеличился в 2,5 раза. На оставшихся двух парах (на наветренной стороне очистных сооружений, подвергающихся воздействию более низкой концентрации H₂S из-за преобладающего ветра) наблюдалось лишь незначительное потускнение. Технические характеристики замены всех четырех: червяк из нержавеющей стали 304, колесо из алюминиевой бронзы CuAl10Fe5Ni5, корпус с толстым слоем эпоксидной смолы. Увеличение стоимости за пару: 420 долларов США (с 680 до 1100 долларов США). Последующий осмотр через 3 года после замены показал незначительное воздействие сульфидов на все четыре пары — поверхность из алюминиевой бронзы чистая и стабильная. Вывод: концентрацию H₂S необходимо измерять непосредственно в месте установки, а не оценивать исходя из типа установки. В двух отстойниках одной и той же установки могут наблюдаться разные уровни H₂S в зависимости от преобладающего ветра, состояния покрытия и близости к головному сооружению.
Непрерывная эксплуатация на открытом воздухе — образование конденсата, перепады температур и биопленка.
Червячные редукторы очистных сооружений работают на открытом воздухе, на мостиках отстойников, платформах резервуаров и платформах сгустителей, постоянно подвергаясь воздействию дождя, солнца, ветра и атмосферного сероводорода. Три других фактора окружающей среды, помимо сероводорода, влияют на корпус редуктора и уплотнения.
Управление этими факторами посредством проектирования корпуса, выбора уплотнений и планирования технического обслуживания продлевает срок службы червячной передачи с ожидаемого срока, ограниченного воздействием H₂S (от 5 до 15 лет), до полного срока механического износа (от 15 до 25 лет).
Суточные колебания температуры (день-ночь, сезонные) приводят к образованию конденсата внутри корпуса редуктора — воды, которая эмульгирует масло и ускоряет внутреннюю коррозию. Вентиляционные клапаны с картриджами с осушителем выравнивают давление, предотвращая попадание влаги. Заменяйте осушитель каждые 6 месяцев. Для ответственных приводов установите нагревательный картридж малой мощности (5-10 Вт), который поддерживает температуру корпуса на 5°C выше точки росы окружающей среды.
Ультрафиолетовое излучение разрушает стандартные нитриловые и NBR-уплотнения в течение 2-3 лет (образование трещин, охрупчивание). Уплотнения из EPDM выдерживают воздействие УФ-излучения от 5 до 8 лет; из FKM (Viton) — более 10 лет. Проникновение воды под дождем через поврежденные уплотнения приводит к попаданию влаги и растворенного H₂S в масло, ускоряя внутреннюю коррозию даже при неповрежденном внешнем покрытии корпуса.
Теплая, влажная, богатая питательными веществами атмосфера очистных сооружений способствует росту биопленки и водорослей на поверхностях корпусов редукторов. Биопленка задерживает влагу у корпуса, ускоряя разрушение лакокрасочного покрытия под ней. Ежегодная мойка корпусов под высоким давлением удаляет биопленку и позволяет визуально оценить состояние покрытия. В тропических регионах для корпусов очистных сооружений рекомендуется использовать антимикробную добавку к краске.
Технические характеристики трех червячных передач для очистки сточных вод.
Пример 1 — Корейская муниципальная очистная станция: скребок для отстойника длиной 30 м, 0,04 об/мин, умеренное содержание H₂S.
На муниципальных очистных сооружениях Кореи, обслуживающих население в 200 000 человек, были установлены червячные передачи для 4 приводов скребков первичного отстойника. Диаметр отстойника: 30 м. Тип скребка: центрально-поворотный мостовой с 4 скребковыми рычагами. Скорость вращения: 0,04 об/мин (один оборот за 25 минут). Выходной крутящий момент на центрально-поворотном валу: 6500 Н·м (движение осадка при максимальной глубине слоя). Содержание H₂S на поверхности отстойника: от 15 до 25 ppm (умеренная полоса). Комбинированный привод: червячная передача 60:1 + прямозубая передача 60:1 = 3600:1 в сумме. Двигатель: 3 кВт, 1450 об/мин. Червячная передача (скорректированная спецификация): однозаходная, модуль 5, межосевое расстояние 125 мм, номинальный крутящий момент 2200 Н·м (прямозубая передача обеспечивает оставшееся передаточное отношение). Материал: червяк из нержавеющей стали 304, колесо из алюминиевой бронзы CuAl10Fe5Ni5. Смазка в масляной ванне с использованием синтетического полиалюминиевого герметика ISO VG 460 (пакет присадок, устойчивых к H₂S). Корпус: толстослойное эпоксидное покрытие (минимальная толщина сухой пленки 250 мкм). Уплотнение: FKM (Viton) IP66 с осушителем. Замена масла: каждые 2 года по результатам контроля кислотного числа. Стоимость одной пары червячных передач: 1100 долларов США. Целевой срок службы: 12 лет.
Пример 2 — Японская промышленная очистная станция: сгуститель осадка, 0,3 об/мин, высокое содержание H₂S вблизи метантенка.
Японская химическая компания заказала червячные передачи для двух приводов гравитационных ленточных сгустителей на своей очистной станции промышленных сточных вод. Сгустители располагались рядом с анаэробным реактором — концентрация H₂S составляла от 60 до 90 ppm (высокий диапазон). Скорость вращения: 0,3 об/мин. Крутящий момент: 1800 Н·м. Высокая концентрация H₂S в окружающей среде потребовала полной защиты от коррозии: червячная передача в однозаходном режиме, модуль 4, межосевое расстояние 100 мм, передаточное отношение 40:1. Материал: червяк из нержавеющей стали 316L, колесо из алюминиевой бронзы. Корпус: эпоксидное покрытие на основе каменноугольной смолы (превосходящая устойчивость к H₂S по сравнению со стандартной эпоксидной смолой). Уплотнение: FKM с лабиринтом под давлением — положительное внутреннее давление азота (0,3 бар) предотвращало проникновение H₂S в корпус даже при пиковой концентрации в атмосфере 90 ppm во время вентиляции реактора. Масло: синтетическое масло ISO VG 680 PAG с присадкой, нейтрализующей серу. Стоимость за пару: 1850 долларов США (включая систему уплотнений под давлением). Достигнутый срок службы: 7 лет до первой замены колеса — соответствует ожидаемому сроку от 6 до 10 лет при содержании H₂S от 60 до 90 ppm. Просмотреть Коррозионностойкий червячный редуктор варианты очистки сточных вод и применения в промышленности в атмосфере H₂S.
Пример 3 — Вьетнамский пруд для аквакультуры: аэратор с лопастным колесом, 20 об/мин, умеренный микроклимат.
Вьетнамская креветочная ферма заказала червячные редукторы для 36 лопастных аэраторов, распределенных по 12 прудам для аквакультуры. Аэраторы перемешивали воду в прудах для поддержания уровня растворенного кислорода, необходимого для выживания креветок — критически важная задача, где отказ аэратора может привести к массовой гибели креветок в течение нескольких часов. Скорость вращения: 20 об/мин (значительно быстрее, чем у скребков-отстойников). Крутящий момент: 120 Н·м на аэратор. H₂S: ниже 3 ppm (мягкий климат — открытые пруды с хорошей аэрацией). Спецификация была обусловлена экономическими соображениями: 36 единиц по самой низкой стоимости материалов, отвечающих целевому сроку службы в 5 лет в мягком климате. Червячный редуктор: однозаходный, модуль 3, межосевое расстояние 63 мм, передаточное отношение 30:1. Материал: горячеоцинкованный червяк (достаточное содержание H₂S ниже 3 ppm), колесо из фосфористой бронзы. Уплотнение: EPDM IP55 (зона брызг — аэраторы отбрасывают воду, но не погружаются в воду). Смазка: стандартная литиевая комплексная EP, повторная смазка каждые 6 месяцев через смазочный штуцер. Стоимость за пару: 48 долларов США. Стоимость 36 единиц: 1728 долларов США. За 48 долларов США за пару можно защитить примерно 5000 долларов США креветок на пруд за один цикл выращивания. Ежегодное техническое обслуживание: смазка каждые 6 месяцев, ежегодная проверка уплотнений, проверка цинкового покрытия каждые 3 года (повторное цинкование или замена, если потеря цинка превышает 50 процентов от первоначальной толщины).
Часто задаваемые вопросы
В: Как измерить концентрацию H₂S в точке установки червячной передачи?
Используйте портативный электрохимический детектор H₂S (стоимость: от 200 до 500 долларов США), установленный на высоте корпуса червячной передачи на палубе отстойника или платформе резервуара. Измерения следует проводить в наихудших условиях: теплая погода (выбросы H₂S увеличиваются с повышением температуры), слабый ветер (концентрация накапливается) и пиковая органическая нагрузка (обычно в середине дня на муниципальных очистных сооружениях). Запишите среднечасовую концентрацию. Повторяйте измерения в зависимости от сезона — уровни H₂S могут меняться от 3 до 5 раз между зимой и летом в одном и том же месте. Используйте самое высокое сезонное значение для определения характеристик материала.
В: Можно ли использовать стандартную фосфорную бронзу в любых очистных сооружениях?
Только там, где концентрация H₂S постоянно ниже 5 ppm — как правило, это вторичные отстойники, каналы для сточных вод и фильтрующие здания в хорошо вентилируемых очистных сооружениях. При концентрации выше 5 ppm сульфидное потускнение фосфорной бронзы ускоряется до такой степени, что измеримая потеря толщины зубьев происходит в течение 3–5 лет. Алюминиевая бронза (CuAl10Fe5Ni5) является стандартным вариантом модернизации для всех очистных сооружений с концентрацией H₂S выше 5 ppm — слой оксида алюминия противостоит сульфидной коррозии, чего не может обеспечить фосфорная бронза. Доплата за алюминиевую бронзу по сравнению с фосфорной бронзой обычно составляет от 30 до 50 процентов за зубчатое колесо — это оправдано для детали, которая, как ожидается, прослужит 10–15 лет в агрессивной среде.
В: Какой интервал замены масла следует соблюдать для червячных передач очистных сооружений?
Для умеренной среды с содержанием H₂S (ниже 5 ppm): замена масла каждые 3–4 года в зависимости от результатов анализа (кислотное число ниже 2,0 мгКОН/г, содержание воды ниже 0,1%). Для умеренной среды (от 5 до 25 ppm): замена масла каждые 2 года — следы H₂S, проникающие в корпус, образуют серную кислоту в масле, повышая кислотное число быстрее, чем в чистой атмосфере. Для среды с высоким содержанием H₂S (выше 25 ppm): ежегодная замена масла независимо от результатов анализа — уровень загрязнения серой слишком высок, чтобы допускать увеличение интервалов замены. Добавьте осушительный сапун во все корпуса червячных передач очистных сооружений независимо от уровня H₂S — один только контроль влажности продлевает срок службы масла на 30–50 процентов.
В: Как изменяется требуемый крутящий момент в зависимости от глубины слоя осадка?
Момент сопротивления скребка увеличивается примерно линейно с глубиной слоя осадка. Отстойник с тонким слоем (100–200 мм) создает низкое сопротивление; тот же отстойник с толстым слоем (500–800 мм во время пиковой нагрузки) создает сопротивление в 2–4 раза больше. Пара червячных передач должна быть рассчитана на максимальное состояние слоя осадка, которое может возникнуть только во время дождливой погоды, когда гидравлическая нагрузка достигает пика. Расчет на основе средней глубины слоя осадка занижает номинальные характеристики пары примерно на 50 процентов. Добавьте датчик перегрузки по крутящему моменту (контроль тока на двигателе), который оповестит операторов, когда момент сопротивления приблизится к 80 процентам от номинальной мощности, указывая на то, что глубина слоя осадка требует увеличения объема откачки до остановки скребка.
В: Каков типичный срок службы червячной передачи на очистных сооружениях?
Срок службы определяется тем, какой предел будет достигнут первым: коррозия (вызванная H₂S) или механический износ. При концентрации H₂S ниже 5 ppm со стандартными материалами: от 10 до 15 лет до замены из-за коррозии. При концентрации от 25 до 100 ppm с соответствующими H₂S-стойкими материалами: от 6 до 10 лет. Только механический износ (в условиях отсутствия коррозии) обеспечил бы срок службы от 15 до 25 лет при круглосуточной работе, типичной для очистных сооружений. Предел коррозии почти всегда достигается раньше предела механической коррозии — именно поэтому концентрация H₂S является наиболее важным параметром при закупке червячных передач для очистных сооружений. Правильный выбор материала для фактического уровня H₂S сокращает разрыв между сроком службы из-за коррозии и сроком службы из-за механической коррозии, максимизируя отдачу от более дорогостоящей спецификации, устойчивой к H₂S.
Червячные передачи в системах водоочистки работают в условиях трех сложных факторов: коррозии от сероводорода (от 5 до 200+ ppm), сверхнизкой скорости вращения (от 0,02 до 2 об/мин, требующей коэффициентов смешивания от 1000:1 до 5000:1) и непрерывной круглосуточной эксплуатации на открытом воздухе (8760 часов работы в год). Дерево решений по выбору материала с учетом содержания H₂S сопоставляет местную концентрацию H₂S в атмосфере в точке установки с требуемым материалом червяка, сплавом колеса, покрытием корпуса и спецификацией уплотнения, обеспечивая соответствие стоимости материала фактической степени коррозии, а не завышение спецификации (растрата бюджета) или занижение спецификации (сокращение срока службы вдвое). Масляная смазка с пакетами присадок, устойчивых к H₂S, и осушителями позволяет поддерживать многолетние интервалы замены масла, необходимые для оборудования водоочистки непрерывного действия.
Для производителей оборудования для водоочистки и операторов очистных сооружений наш инженерный отдел сопоставляет концентрацию H₂S с правильными техническими характеристиками материала. Стандартный каталог коррозионностойкие червячные передачи Подходит для очистных сооружений с диаметром межосевого расстояния от 80 до 200 мм, с вариантами из оцинкованной стали, нержавеющей стали 304 и 316L, в сочетании с колесами из фосфорной и алюминиевой бронзы. Необходимо предоставить техническое задание на привод для очистных сооружений с указанием измерения H₂S, выходной скорости, крутящего момента и места установки на предприятии.
Выбираете ли вы червячные передачи для оборудования очистки сточных вод?
Укажите концентрацию H₂S в точке установки, скорость и крутящий момент на выходе, тип осветлителя или оборудования, а также тип привода (наружный или закрытый). Мы определим категорию H₂S и порекомендуем подходящий материал, покрытие и уплотнительную прокладку.
Запросить техническое задание на привод канализационной трубы →
Редактор: Cxm
