淺析水輪機(jī)組液壓設(shè)備中氣穴的產(chǎn)生及危害

尕藏才讓+劉志林+楊茹皓+羅紅英

摘 要：文章從液壓系統(tǒng)中的氣穴現(xiàn)象入手，闡述了其產(chǎn)生的原因及產(chǎn)生過(guò)程，介紹了氣穴現(xiàn)象所造成的危害，分析了其對(duì)水輪機(jī)組液壓設(shè)備所造成的實(shí)際影響，并提出相應(yīng)防治措施。

關(guān)鍵詞：氣穴現(xiàn)象；水輪機(jī)組液壓設(shè)備；危害

中圖分類號(hào)：TV734.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）31-0066-02

1 概述

在液壓系統(tǒng)中，由氣穴現(xiàn)象所產(chǎn)生的大量氣泡會(huì)使液壓系統(tǒng)油介質(zhì)的一體性遭到破壞，直接導(dǎo)致設(shè)備反應(yīng)遲鈍、爬行。同時(shí)氣穴也會(huì)間接導(dǎo)致氣蝕現(xiàn)象在液壓缸內(nèi)發(fā)生，使得設(shè)備出現(xiàn)震動(dòng)、漏油、及噪音等二次危害?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)于氣穴現(xiàn)象的研究大都是以相關(guān)流體動(dòng)力學(xué)為理論基礎(chǔ)，數(shù)值仿真模擬（Matlab/Simulink仿真分析、FLUENT仿真模擬）與理論分析相結(jié)合為主要方法進(jìn)行。研究者們對(duì)于氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生過(guò)程都有著詳細(xì)的研究，對(duì)于氣穴現(xiàn)象對(duì)液壓設(shè)備的危害，也提出了如增設(shè)補(bǔ)氣裝置，提高液壓油質(zhì)量等一系列的有效防治措施。水輪機(jī)組液壓設(shè)備作為水輪機(jī)工作的重要工作系統(tǒng)，因?yàn)闅庋ìF(xiàn)象的存在，會(huì)對(duì)其工作穩(wěn)定性造成危害，從而影響水輪機(jī)的正常工作。本文以氣穴現(xiàn)象為出發(fā)點(diǎn)，想為大家介紹氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理、危害，并且通過(guò)查詢相關(guān)資料，列舉出氣穴現(xiàn)象對(duì)水輪機(jī)組液壓設(shè)備造成的實(shí)際危害，為今后水輪機(jī)組的運(yùn)行與維護(hù)提供參考。

2 氣穴產(chǎn)生的原因

氣穴簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是指有空氣混入液壓設(shè)備之中，然后與油介質(zhì)形成汽液混合物，下面就是對(duì)氣穴形成的兩個(gè)原因的簡(jiǎn)單介紹。

2.1 外部空氣進(jìn)入

通常我們所接觸到的液壓設(shè)備都是在大氣壓環(huán)境下工作，尤其是在維修以及更換液壓元器件的過(guò)程中，空氣會(huì)不可避免地?fù)饺?，有的設(shè)計(jì)不合理或者密封性差的設(shè)備也會(huì)導(dǎo)致空氣進(jìn)入。這時(shí)空氣的混入對(duì)液壓中的油液性質(zhì)產(chǎn)生了影響，即不再是不可壓縮性液體，這違背了液壓設(shè)備對(duì)油液介質(zhì)的基本要求[1]?？諝庖詺馀轄顟B(tài)摻混于油液中的現(xiàn)象，稱為氣泡油，這些氣泡油也是氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生的部分原因。

2.2 油介質(zhì)內(nèi)有溶解空氣

在油介質(zhì)的運(yùn)輸和裝填過(guò)程中，周圍的空氣難免會(huì)溶解入油介質(zhì)，溶解空氣量的多與少取決于油液的性質(zhì)和油液與氣體的接觸及攪動(dòng)的實(shí)際情況，此外在壓力升高的情況下，部分混入液壓設(shè)備的氣體會(huì)溶于油液中，空氣在油液中的溶解度與油液的壓力成正比，即壓力越高，溶解于油液的空氣體積量越大。

3 氣穴產(chǎn)生過(guò)程

由于上述兩種原因，液壓系統(tǒng)的油介質(zhì)內(nèi)不可避免的存在有溶解空氣，這些溶解空氣隨油液介質(zhì)在液壓系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)時(shí)，一旦流通所經(jīng)的有效面積發(fā)生變化，就會(huì)使得靜壓力降低，當(dāng)靜壓力降至低于油液空氣分離壓時(shí)，溶解的空氣便從油液中析出，形成大量氣泡，流體力學(xué)中稱為氣穴[1]。大量氣泡的混入，會(huì)使油液的體積彈性模量急劇降低，粘度增大，嚴(yán)重影響傳動(dòng)系統(tǒng)的正常工作。當(dāng)氣泡隨著油液流入高壓區(qū)時(shí)，便突然收縮，形成局部真空。此時(shí)四周的液體質(zhì)點(diǎn)以極大的速度沖向真空區(qū)域，在高壓下氣泡破裂而產(chǎn)生局部液壓沖擊，將質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)能突然轉(zhuǎn)換為壓力能，這時(shí)局部高壓區(qū)的溫度可高達(dá)1000℃。而在管壁或元件的表面上，因長(zhǎng)期承受液壓沖擊和高溫作用而逐漸腐蝕，表面剝落形成蜂窩狀小坑，這種現(xiàn)象稱為氣蝕[2]。氣蝕現(xiàn)象會(huì)對(duì)設(shè)備造成如油污染、卡阻等二次傷害。

4 氣穴的危害

4.1 氣穴對(duì)液壓設(shè)備造成的影響

（1）導(dǎo)致液壓系統(tǒng)反應(yīng)遲滯。由于油介質(zhì)中混有了空氣泡形成氣泡油，流動(dòng)的油液就會(huì)變成了氣-液兩相流[1]，這會(huì)導(dǎo)致液壓設(shè)備內(nèi)的油介質(zhì)體積彈性模量劇減、剛性降低，從而導(dǎo)致系統(tǒng)反應(yīng)遲滯及爬行現(xiàn)象。（2）會(huì)使產(chǎn)生噪聲和劇烈振動(dòng)。在氣穴產(chǎn)生后，氣泡隨油液運(yùn)動(dòng)至高壓區(qū)，在高壓區(qū)內(nèi)由于氣壓差，會(huì)導(dǎo)致含有高能量的氣泡被瞬時(shí)擠破產(chǎn)生噪聲，同時(shí)管路及管接頭由于受到?jīng)_擊會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。（3）漏油現(xiàn)象，由氣蝕導(dǎo)致。當(dāng)氣泡隨油介質(zhì)行至高壓區(qū)時(shí)，氣泡在壓力波作用下，體積急劇變小，當(dāng)這些小氣泡發(fā)生破滅時(shí)會(huì)釋放巨大能量，它所產(chǎn)生的局部高溫和高壓，會(huì)導(dǎo)致油缸活塞處密封圈碎裂而造成油缸內(nèi)油液泄露。（4）劣化油液介質(zhì)性能。非固體顆粒污染物的產(chǎn)生，主要來(lái)源于油液氧化分解產(chǎn)生的沉淀物，這是由于水和空氣對(duì)油液的污染及油溫變化引起的[3]。被壓縮的氣泡在發(fā)生破滅時(shí)，會(huì)產(chǎn)生極大的熱量，致使油液介質(zhì)碳化，使得碳游離出來(lái)，在液壓缸中形成微小顆粒，而使油液介質(zhì)粘度變大，污染度等級(jí)變高，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)故障增多。

4.2 對(duì)水輪機(jī)組液壓設(shè)備造成的實(shí)際危害

（1）爬行、反應(yīng)遲阻。由于氣穴現(xiàn)象而導(dǎo)致的油介質(zhì)彈性模量劇減，會(huì)嚴(yán)重影響水輪機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，使得傳動(dòng)系統(tǒng)剛度減小，導(dǎo)致飛擺或電液轉(zhuǎn)換器、引導(dǎo)閥、主配壓閥等位移遲緩或卡阻，接力器不動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，增減負(fù)荷遲緩，開(kāi)機(jī)不成功，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)等現(xiàn)象的發(fā)生。致使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)任務(wù)無(wú)法完成，嚴(yán)重的還會(huì)造成甩負(fù)荷，機(jī)組過(guò)速和飛逸等事故，嚴(yán)重危及機(jī)組安全運(yùn)行。（2）噪音、震動(dòng)。攜帶有溶解空氣的油介質(zhì)在液壓系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)時(shí)，一旦流通所經(jīng)的有效面積發(fā)生變化，就會(huì)使得靜壓力降低，當(dāng)靜壓力降至低于油液空氣分離壓時(shí)，溶解的空氣便從油液中析出，形成大量氣泡，這些氣泡在經(jīng)過(guò)高壓區(qū)時(shí)會(huì)導(dǎo)致劇烈的震動(dòng)及噪音。其結(jié)果會(huì)造成機(jī)組無(wú)法開(kāi)機(jī)并網(wǎng)，儀表管路破裂，工作部件松動(dòng)磨損，導(dǎo)致漏油，樓基共振，直接危及安全。[4]（3）卡阻、漏油。由于氣穴現(xiàn)象會(huì)同時(shí)導(dǎo)致氣蝕的發(fā)生，含有高能量的氣泡破裂所產(chǎn)生的巨大熱量會(huì)同時(shí)導(dǎo)致油介質(zhì)和液壓缸的表面金屬發(fā)生化學(xué)變質(zhì)，使得油系統(tǒng)內(nèi)有異物產(chǎn)生堵塞輸油管或活塞，最終導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)卡阻，堵塞現(xiàn)象。另外，由于液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的密封元件受到高溫高壓的影響，會(huì)導(dǎo)致原件的老化、破壞、傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)漏油的現(xiàn)象，使得傳動(dòng)效果大打折扣，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致油泵起動(dòng)頻繁，耗費(fèi)電能，并引起空氣滲人，造成漂移、爬行、擺動(dòng)和震動(dòng)，影響調(diào)節(jié)穩(wěn)定性及安全運(yùn)行。

5 防治措施endprint

空穴現(xiàn)象作為液壓系統(tǒng)內(nèi)不可避免的現(xiàn)象，它對(duì)水輪機(jī)組液壓系統(tǒng)有著一定程度的危害，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致水電站安全事故發(fā)生。為了避免或者減小氣穴的發(fā)生，本文列出了以下幾點(diǎn)預(yù)防措施，以供維護(hù)人員供參考。

5.1 提前檢查

在設(shè)備運(yùn)行前，我們需對(duì)其引導(dǎo)閥、主配壓閥所對(duì)應(yīng)的的控制部件進(jìn)行檢查，看控制部件的密封原元件是否受損，是否存在漏油現(xiàn)象，是否有卡阻或爬行現(xiàn)象發(fā)生。其次，需觀測(cè)油管或元件內(nèi)是否有油氣泡產(chǎn)生，若有空氣進(jìn)入其內(nèi)部，則需進(jìn)行處理并排除空氣。對(duì)于嚴(yán)重老化或者已經(jīng)破壞變形的元件，應(yīng)該及時(shí)更換或者維修。

工作人員還應(yīng)該對(duì)主要部位的靈活性進(jìn)行測(cè)試，加強(qiáng)對(duì)老化元件的篩查，如果元件生銹應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行拆卸清理，若條件允許，則可加裝百分表來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行分段檢查、重新拆卸、調(diào)整、裝配。

5.2 保證油液質(zhì)量

保證液壓油的質(zhì)量，是防止產(chǎn)生氣穴及氣蝕的一個(gè)重要因素，若油液的抗泡沫性差，就會(huì)容易氣化而形成泡沫，從而導(dǎo)致氣穴氣蝕的發(fā)生。油介質(zhì)在設(shè)計(jì)、制造、裝配、安裝、使用、維護(hù)的過(guò)程中都有可能受到污染，從而影響其質(zhì)量，以下則是幾點(diǎn)防止污染的措施。在設(shè)計(jì)階段，我們應(yīng)避免選用易于產(chǎn)生顆粒雜質(zhì)而污染系統(tǒng)油液的裝置結(jié)構(gòu)。盡量選擇油路塊和集成油路塊，這樣可以減少在裝置裝配和維護(hù)時(shí)管接頭產(chǎn)生磨屑的情況發(fā)生，此外油箱的呼吸設(shè)計(jì)位置應(yīng)該盡量高一些，并且盡量隱蔽，從而防止雨沙灰塵侵入油介質(zhì)中。其次，增設(shè)濾油器也是控制油污染的主要方法之一，一是在進(jìn)油處增設(shè)吸油濾油器，防止污染源從吸油口進(jìn)入。二是在某些容易產(chǎn)生碎屑的液壓元件回油處增設(shè)濾油器。三是在關(guān)鍵性的液壓件的進(jìn)油口處設(shè)置輔助濾油器，進(jìn)而加強(qiáng)過(guò)濾效果。四是在污染物侵入量大的液壓系統(tǒng)中，增設(shè)旁路過(guò)濾器，以改善系統(tǒng)的清潔度，延長(zhǎng)濾油器的使用壽命。最后，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)配制的液壓管道，必須進(jìn)行酸性除銹，管道和油箱要按照脫脂、酸洗、中和、鈍化、干燥、涂油、封閉等工藝流程進(jìn)行處理。酸洗前應(yīng)將經(jīng)過(guò)脫脂處理后的管子用凈化壓力水沖去管內(nèi)外壁的堿性溶液，洗去油污。所有密封面、絲扣等必須涂油覆蓋后才能進(jìn)行清洗，來(lái)防止液壓管對(duì)油介質(zhì)的污染。

5.3 定期檢查

隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，一些本來(lái)不存在的問(wèn)題也會(huì)發(fā)生，一個(gè)問(wèn)題的發(fā)生有可能會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)問(wèn)題，因此定期的檢查是必不可少。首先應(yīng)該對(duì)油液進(jìn)行定期的化學(xué)檢驗(yàn)，對(duì)有問(wèn)題的油液應(yīng)該進(jìn)行進(jìn)行及時(shí)更換，防止污染油液影響傳動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。其次，應(yīng)該對(duì)液壓設(shè)備的溫度進(jìn)行檢查，溫度過(guò)高會(huì)加劇氣穴、變質(zhì)等現(xiàn)象的出現(xiàn)，對(duì)于溫度過(guò)高的部位進(jìn)行及時(shí)的降溫，以防影響的擴(kuò)大。最后，應(yīng)定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行，過(guò)濾、排水、除臟，以便維護(hù)設(shè)備正常運(yùn)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

水輪機(jī)組的液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)行對(duì)于水輪機(jī)的運(yùn)行具有十分重要的作用。通過(guò)分析可知，氣穴現(xiàn)象會(huì)對(duì)水輪機(jī)組正常運(yùn)行造成諸多危害。未來(lái)隨著我國(guó)水力資源開(kāi)發(fā)的不斷深化，水輪機(jī)組的使用將面臨更多更復(fù)雜的情況，對(duì)于水輪機(jī)液壓系統(tǒng)的性能和要求也將會(huì)更加嚴(yán)格。本文希望可以通過(guò)對(duì)空穴現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理和危害的介紹分析來(lái)引起大家對(duì)液壓設(shè)備氣穴現(xiàn)象的重視。

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