渣漿泵汽（氣）蝕產生的原因、危害及解決措施

[摘 要]以ZJ型臥式渣漿泵為例，分析了其可能產生汽（氣）蝕的原因、危害，提出了解決的措施。

[關鍵詞]渣漿泵 汽蝕 氣蝕 危害 破壞 措施

中圖分類號：TH38 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）21-0096-02

渣漿泵又叫雜質泵，大多數(shù)渣漿泵屬于離心泵的一種，是管道水利輸送的關鍵設備，主要用于排送含有一定粒度、濃度的固、液混合物。隨著管道水力輸送技術的蓬勃發(fā)展，目前，渣漿泵在很多工業(yè)領域都被廣泛的應用，特別是在選礦廠運用最為廣泛。因為復雜的工況，會導致渣漿泵在日常使用過程中受到較大磨損，而其中因汽（氣）蝕造成的非正常磨損占相當大的比例，所以一定要正確的使用渣漿泵，消除一切不利因素，提高渣漿泵過流件使用壽命，以最大限度的降低其使用成本。本文以我公司選礦流程中使用最多的石家莊工業(yè)泵廠生產的ZJ型臥式渣漿泵為例，分析其使用中可能產生汽（氣）蝕的原因、危害及防治解決措施。

一、ZJ型臥式渣漿泵的結構及工作原理

1、ZJ型臥式渣漿泵結構

ZJ型臥式渣漿泵由基座、泵頭部份、托架部份和電動機傳動部份組成，泵頭部份由泵殼（前泵殼、后泵殼）、過流部件（蝸殼、葉輪、前護板、后護板）、軸封裝置（副葉輪+填料、機械密封）組成。（見圖1）

2、ZJ型臥式渣漿泵工作原理

渣漿泵的主要工作部件是葉輪和蝸殼，蝸殼內的葉輪裝置位于軸上，并與電動機連接形成一個整體。當電動機帶動葉輪旋轉時，葉輪中的葉片迫使流體旋轉，即葉輪對流體沿它的運動方向做功，從而迫使流體的壓力勢能和動能增加，與此同時流體在慣性力的作用下，從中心向葉輪邊緣流去，并以很高的速度流出葉輪，進入壓出室，再經出管排出，這個過程稱為壓水過程。同時，由于葉輪中心的流體流向邊緣，在葉輪中心形成低壓區(qū)，當它具有足夠的真空時，在吸入端壓強的作用下（一般是大氣壓強），流體經吸入室進入葉輪，這個過程稱為吸水過程，由于葉輪的連續(xù)旋轉，流體也就連續(xù)的吸入、排出，形成連續(xù)的工作。

渣漿泵的工作過程，實際上是一個能量的傳遞和轉換的過程。它將電動機高速旋轉的機械能，通過泵的葉輪傳遞并轉化為被抽升流體的壓能和動能。

二、渣漿泵汽（氣）蝕產生的原因及破壞機理

我公司的選礦流程是處理錫銅共生礦的，礦石硬度比較高，渣漿泵過流件是在強磨蝕狀態(tài)下工作的。我們通過對損壞件進行分析發(fā)現(xiàn)：因正常磨損而報廢的過流件所占比例約25%，大部分過流件是在非正常工作工況下運行而造成早期破壞的，且壽命相差近一半。對于流程中使用的吸入式渣漿泵，其非正常損壞件占的比例較大，應是以汽蝕形式破壞的。然而對于壓入式渣漿泵非正常損壞件，泵的汽蝕性能是滿足要求的，以汽蝕形式破壞就解釋不通了，經查閱資料我們才發(fā)現(xiàn)，汽蝕除了常見的真空汽蝕一種外，還有一種汽蝕，稱為氣體氣蝕。以下我們對兩種汽蝕所產生的原因及破壞機理進行分析。

1、真空汽蝕產生的原因及破壞機理

汽蝕是由于液流流道中的局部低壓（低于該處溫度下液體的飽和蒸氣壓）使液體在該處汽化而引起大量微氣泡爆發(fā)性生長，微汽泡急劇生長成大汽泡后隨液流至壓力高處突然潰滅，對流道壁面產生高達幾百個大氣壓的沖擊，造成壁面材料的剝蝕，這一現(xiàn)象稱為汽蝕。

在渣漿泵運轉過程中，當泵內流體的絕對速度增加或吸入狀態(tài)發(fā)生變化時，使得流體靜壓力下降，當壓力降到小于汽化壓力時，便會產生真空汽泡，真空氣泡隨液體流動到泵內后，由于葉輪的旋轉使得壓力上升，便會造成汽泡突然破裂，從而產生巨大的屬于內向爆破性質的冷凝沖擊，若汽泡破裂不發(fā)生在流動的液體內，而是發(fā)生在過流部件壁面處，凝結破裂形成的微噴射流像利刃似的高頻高速沖擊壁面，致使壁面產生麻點及微小裂紋，連續(xù)頻繁的汽泡破裂會使材料疲勞剝落，形成蜂窩狀，汽蝕破壞除具有機械力作用外，同時還伴有電解、化學腐蝕等作用，從而造成了過流部件的早期損壞。

汽蝕產生的原因用分子理論學解釋：流體分子的密度隨壓力的增高而加大，隨壓力的降低而減小。由此我們可以想到，泵在吸入工作時，吸入管內的壓力會逐漸降低，到葉輪入口處最低，顯然，液體密度也是在逐漸減小，液體分子間距離加大。但通過旋轉的葉輪增壓后，液體密度急劇增加，分子間距突然縮小，從而會分離出一些低壓汽泡，汽泡受壓力的作用及撓動的液體撞擊會突然破裂，從而造成汽蝕。

為避免上述原因產生的汽蝕，則必須了解造成汽蝕的相關因素，通常引入的是汽蝕余量（又稱有效凈正吸頭）概念來描述汽蝕發(fā)生的界限，汽蝕余量的方程式為：

NPSHa = PC/ρg-hg-hc-Pv/ρg （1）

式中：NPSHa 為裝置的汽蝕余量； PC為吸入液面的壓力，對于敞開式吸入即外界大氣壓力；ρ為輸送介質密度（kg/m3）；g為重力加速度（m/s2）；hg為吸入幾何高度（m），倒灌時取+值；Pv為汽化壓力（kg/cm3）；hc為吸入裝置的損失水頭（m）；吸入裝置的水力損失按下式計算：

hc = λLV2/2gD + ∑ ξV2/2g=（λL/D + ∑ ξ）V2/2g （2）

式中：λ位吸入管阻力系數(shù)；L為吸入管長度；D為吸入管內徑（m）；V為管內液體流速（m/s）；∑ ξ為局部阻力系數(shù)之和。將式（2）帶入式（1）得：

NPSHa = PC/ρg-hg-（λL/D + ∑ ξ）V2/2g-Pv/ρg （3）

由式（3）可知，決定裝置內汽蝕余量的參數(shù)有當?shù)卮髿鈮毫?、輸送介質密度、吸入幾何高度、吸入管阻力系數(shù)、吸入管長度、吸入管內徑、局部阻力、流體速度、輸送液體溫度。其中影響因素最大的是：a、吸入幾何高度，因此一定要注意限制；b、管內液體流速。大家知道，管內流速與流量成正比，相同流量下與管內徑成反比，這就充分說明了吸入管直徑需適當加粗的原因；c、輸送介質密度，由公式可以看出：輸送介質密度大，吸入性能差。這就是為什么吸入漿體比吸入清水性能差的原因；d、吸入管長度越長，則管路阻力越大，故在允許的情況下應盡量縮短吸入管管長。

由式（3）計算出的裝置汽蝕余量值若小于或等于所用泵該工作點下的汽蝕余量值，則該泵就定會產生汽蝕，泵不發(fā)生汽蝕的條件是：NPSHa= NPSHr （NPSHr 為泵必須汽蝕余量要求，產品樣本一般給出）

此外，與上述同機理的另一種汽蝕稱為間隙汽蝕，間隙汽蝕產生的原因是：高低壓差作用在小間隙部位，可使流體產生局部的、非常高速的射流，在這種情況下，雖然泵滿足汽蝕余量要求，但由于高速流動的結果，在間隙內將形成一個很低的靜壓力，甚至降到流體的汽化壓力而形成真空汽泡，這種汽泡在間隙下游流速較低的區(qū)域發(fā)生破裂而形成汽蝕。這種間隙汽蝕一般表現(xiàn)在高揚程泵蝸殼隔舌處及葉輪前蓋板與吸入側的間隙內，尤其泵工作在小流量情況下更為嚴重，勘察過流件破壞嚴重部位也正發(fā)生于此。

2、氣體氣蝕產生的原因及破壞機理

氣體氣蝕亦簡稱氣蝕，其形成原因是：泵內吸入溶解于液體中的各種氣體從泵液體中溢出形成氣體空腔，氣體空腔至高壓區(qū)后破裂而形成氣蝕。由于這類氣泡內部有空氣存在，故自身具有可壓縮性，因而氣泡內向爆裂時有緩沖作用，所以其單獨破壞作用不如真空汽蝕大。但是，由于吸入氣泡的數(shù)量一般遠遠多余真空汽蝕所產生汽泡的數(shù)量，那么，其總體破壞作用也就顯得非常重要了。

氣體氣蝕破壞機理：一是存在著像真空汽蝕破壞一樣內向爆破機理，二是存在著漿體中顆粒介質氣液分離后的加速沖擊作用，由于這類氣泡比漿體質量輕，所以它極易被旋轉的葉輪趕到蝸殼及前后護板壁面上及護板蝸殼的結合縫隙內并在此處破裂，破裂后液體迅速補充空穴，加速撞擊壁面，這種頻繁撞擊，造成材料疲勞剝落，剝落后的凹坑更易存留氣泡，并且還會在此形成渦流，加速壁面磨損。（見下圖2所示）

此類屬氣蝕加高速旋流綜合破壞形式，過流件損壞很快，破壞后的外觀如熔巖洞滴石怪狀。

這里需提及一點的是：氣體氣蝕與抽空是兩個不相同的概念，抽空形成的是氣液分離，氣體氣蝕則是氣液溶解而后破裂所形成。

三、汽（氣）蝕的危害

1、產生振動和噪聲

渣漿泵汽蝕時，汽泡在高壓區(qū)內連續(xù)不斷發(fā)生突然潰滅，并伴隨著強烈的液擊，這時會產生頻率為600～25000Hz的噪音，泵內可聽到劈劈、啪啪的爆炸聲，同時機組產生振動，機組的振動又將促使更多的空泡發(fā)生潰滅，兩者相互激勵，當頻率接近于裝置的固有頻率時，機組將發(fā)生強烈的共振，稱為汽蝕共振，振動劇烈和噪聲過大時，泵應停止工作。

2、過流部件的汽（氣）蝕破壞

渣漿泵長時間在汽（氣）蝕條件下工作時，在連續(xù)強烈的高頻（600～25000Hz）沖擊下（壓力達50MPa），金屬表面初期會出現(xiàn)麻點，后期金屬晶粒會松動并脫落，呈現(xiàn)出蜂窩狀、海綿狀、溝槽狀、魚鱗狀甚至穿孔、斷裂。

實踐證明，汽（氣）蝕破壞的部位，正是汽泡消失之處，所以常常在葉輪出口和蝸殼進口部位發(fā)現(xiàn)破壞痕跡，在葉輪兩側和外周、前后護板及蝸殼內壁也會出現(xiàn)間隙汽蝕破壞。

3、性能下降

渣漿泵剛發(fā)生汽蝕時，對泵性能影響不大，待汽蝕發(fā)展到一定程度，由于葉輪和液體的能量交換受到干擾和破壞，大量的汽泡會堵塞流道，泵的流量、揚程、效率 、軸功率曲線就也會顯著下降。

四、防止汽（氣）蝕破壞的措施

1、采用抗磨蝕材料的過流件

采用某些抗汽蝕破環(huán)性能良好的材料，可以在不同程度上減輕氣蝕破壞程度，提高渣漿泵過流件的工作壽命。如采用鈦合金、鎳合金等合金材質過流件，均可獲得優(yōu)良的抗汽蝕破環(huán)性能。

2、提高過流件表面的加工精度和光潔度

渣漿泵過流部件過流表面，特別是容易發(fā)生汽蝕部位的表面制造加工質量、幾何形狀精度和表面光潔度等，對于泵的汽蝕性能會產生一定影響。比較粗糙或不光潔的過流部件，在流量較小的時候，由于邊界層較厚，不會對汽蝕性能有什么影響，但是在大流量情況下，會對汽蝕的開始點造成影響。

另外，比較粗糙或不光潔表面，在汽蝕條件下會引起應力集中，從而加速材料的破壞。

過流部件幾何形狀和加工精度的誤差將會造成液體流動狀態(tài)的改變，如產生旋渦、撞擊和局部擴散，從而增加了產生汽蝕的機會，尤其是葉輪葉片進口附近的翼形幾何形狀、頭部尺寸、進口邊位置、葉輪與密封環(huán)或泵體之間的間隙大小等，都會對葉輪的抗汽蝕性能產生一定的影響。

3、正確的設計吸入接管和吸入管路

渣漿泵吸入接管和吸入管路內的壓力通常都很低，如果它們的尺寸和形狀選擇不當，就容易在其內發(fā)生汽蝕。因此，正確的設計吸入接管和吸入管路，以保證液流在其內具有最小的阻力損失，并使得液流在進入葉輪之前具有良好的流動性能，將對于提高泵的汽蝕性能具有很大意義。

首先，應采用最短的吸入管路，使其結構最為簡單和有利液體的流動，并且盡量減小不必要的管路附件，如彎頭、附件等。

此外還應該正確地選擇吸入管路的直徑。吸入管徑過大，在小流量工況時會在其內產生回流現(xiàn)象，而直徑過小的話，就會產生較大的吸入磨擦損失，這樣都會降低葉輪吸入口的液體壓力，不利于汽蝕性能。吸入管徑對泵汽蝕性能的影響已被所進行過的實驗所驗證，過小的吸入管徑將會導致泵汽蝕工況的提前產生，從而大大降低了泵的可調性能。

吸入接管的尺寸和結構對泵汽蝕性能的影響是十分明顯的，因此更應該予以重視。

4、減輕渣漿泵機組運行時的振動

渣漿泵是一種旋轉機械，它在運行時或多或少的都會產生一些振動，有時候，外界的機械振動也會給泵的運行帶來影響，造成泵運行時的附加振動。渣漿泵中料液的氣蝕會導致機組的振動，反之，機組的振動也會影響泵的汽蝕性能降低，并且還會產生其他一些不利的影響，因此，應該盡量減輕或消除機組運行時的振動，以改善渣漿泵的水力性能和氣蝕性能。

5、避免氣泡進入泵內

對于壓入式工作的渣漿泵，真空汽蝕現(xiàn)象較少，而氣體氣蝕卻廣泛存在，而氣體氣蝕產生的原因是由于液體中混合了氣泡，液體中混合氣泡形成大概有如下幾種原因：

（1）、選礦流程中加入的藥劑會產生氣泡，氣泡極易混入在料液內，并隨料液流入泵內。

（2）、料液進入料液池時的水力沖擊，造成料液翻卷并裹入氣泡。

（3）、料液池液面太低、吸入池體積太小或吸入口位置布置不合理，造成吸入口形成漩渦帶進氣體。

（4）、吸入管路裝置或填料部位密封不嚴造成空氣進入。

針對氣泡產生的原因我們只要采取有效的解決方法便可避免氣體氣蝕，具體針對性的做法這理就不再贅述。

四、結束語

汽（氣）蝕是渣漿泵過流件破壞的重要原因，大多數(shù)使用中的渣漿泵經常在汽（氣）蝕狀態(tài)下運行，因而在使用時一定要引起高度的重視，這樣做會使泵過流部件的壽命、泵的效率大大提高，安全經濟運行才能得到保證，從而帶來良好的經濟效益。

參考文獻

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[2]關醒凡.現(xiàn)代泵理論與設計[M].北京：中國宇航出版社，2011

[3]石家莊工業(yè)泵廠.渣漿泵使用維護說明書[M].石家莊市，2008.

作者簡介

鄭應清（1968-），男，云南個舊人，大學本科，機械工程師，從事設備能源管理工作。