循環(huán)水泵葉輪汽蝕氣蝕原因分析

付軍平

摘要：新能能源有限公司供排水車間循環(huán)水站共有10臺(tái)循環(huán)水泵，作為循環(huán)水供水系統(tǒng)中的最重要設(shè)備，其承擔(dān)的主要任務(wù)是，將循環(huán)水加壓送往空分、氣化、合成、熱電站系統(tǒng)，換熱后的熱水又經(jīng)冷卻塔降溫冷卻后，再通過(guò)循環(huán)水泵升壓送往各工藝裝置，如此不斷進(jìn)行循環(huán)。

關(guān)鍵詞：循環(huán)水泵 葉輪汽蝕 原因分析

1 水泵的汽蝕現(xiàn)象與危害

1.1 汽蝕形成的過(guò)程和表現(xiàn)

離心泵葉輪入口處是泵內(nèi)壓力最低的地方，當(dāng)此處的壓力等于或低于工作溫度下被輸出液體的飽和蒸汽壓時(shí)，液體就會(huì)沸騰汽化，產(chǎn)生大量汽泡。同時(shí)原來(lái)溶于液體中的氣體也將析出。這些汽泡隨液體流到葉輪內(nèi)壓力較高處重新凝結(jié)，在凝結(jié)過(guò)程中，由于體積急劇縮小，四周的液體以極大的速度沖向這個(gè)凝結(jié)空間，使泵內(nèi)造成沖擊振動(dòng)和噪音。在壓力很大（可達(dá)到10～100MPa），頻率很高的液體質(zhì)點(diǎn)連續(xù)沖擊下，金屬表面逐漸因疲勞而破壞，這種破壞稱為剝蝕。

P4201循環(huán)水泵葉輪的汽蝕主要集中在葉片入口部位，汽蝕形狀呈現(xiàn)連續(xù)分布的坑狀，且有密集的蜂窩狀，有的部位已被破壞穿孔甚至缺失，葉輪報(bào)廢只能更換。

1.2 汽蝕的危害

汽蝕會(huì)改變泵內(nèi)水流狀態(tài)，造成流動(dòng)阻力增加，產(chǎn)生噪音和振動(dòng)，縮短葉輪使用壽命，而且會(huì)使泵的性能下降。

1.2.1 產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)

泵發(fā)生汽蝕時(shí)，大量汽泡在高壓區(qū)連續(xù)發(fā)生驟然破裂，微細(xì)射流的高速?zèng)_擊形成了噪聲，汽泡破裂時(shí)的沖擊力將使泵組產(chǎn)生很大振動(dòng)。而P4201這臺(tái)循環(huán)泵在2008年6月至11月的試車過(guò)程及往后的運(yùn)行中，噪聲極大，振動(dòng)一直超標(biāo)，雖然經(jīng)過(guò)多次檢修。一直未得到改善。

1.2.2 對(duì)流道的材料造成破壞

當(dāng)汽泡隨液體流到葉輪內(nèi)壓力較高處時(shí)，汽泡受壓后內(nèi)部壓強(qiáng)升高，破碎時(shí)形成微細(xì)射流（速度可達(dá)130m/s，壓強(qiáng)可達(dá)100MPa）。流道金屬表面在高頻高壓的微細(xì)射流作用下，發(fā)生疲勞破壞，嚴(yán)重時(shí)呈現(xiàn)蜂窩狀的空洞。另外，微細(xì)射流造成的沖擊還會(huì)形成200℃以上的高溫，使流道金屬出現(xiàn)電解現(xiàn)象而產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)腐蝕。

2 產(chǎn)生汽蝕的條件與評(píng)價(jià)方法

2.1 泵產(chǎn)生汽蝕的條件

在泵系統(tǒng)中通常用汽蝕余量（NPSH）表示泵汽蝕性能的好壞，汽蝕余量又分為裝置汽蝕余量（NPSHa）和泵汽蝕余量（NPSHr），它們是兩個(gè)性質(zhì)不相同的參數(shù)。NPSHr由泵本身的特性決定，是表示泵本身抗汽蝕性能的參數(shù)；NPSHa由外界的吸入裝置特性決定的，是表示吸入裝置汽蝕性能的參數(shù)。

NPSHr表示在泵進(jìn)口處單位重量液體所具有超過(guò)輸送溫度下該液體的飽和蒸汽壓的富余能量。如果裝置的汽蝕余量小于或者等于泵的氣蝕余量，泵就會(huì)發(fā)生汽蝕。

2.2 汽蝕的評(píng)價(jià)方法

泵汽蝕余量NPSHr是由泵自身的結(jié)構(gòu)，如吸水室、葉輪進(jìn)口部分等的幾何形狀決定的，它的值越小，表示泵本身的抗汽蝕性能越好。至于在某一工況是否發(fā)生汽蝕，與泵的幾何安裝高度有關(guān)，即泵應(yīng)該在低于允許吸液高度下運(yùn)行。

泵的幾何安裝高度=P0/ρg—Pt/ρg—△h—∑h

P4201循環(huán)泵泵參數(shù)及運(yùn)行條件為：

P0：當(dāng)?shù)卮髿鈮?9×104N/㎡

ρ：液體密度1000kg/m3

Pt：液體飽和蒸汽壓32℃時(shí)0.047bar

△h：吸入管路壓頭總損失 按1m計(jì)

∑h：泵的允許汽蝕余量8.3m

g：9.81N/kg

代入上式計(jì)算，幾何安裝高度為-0.7m，為安全起見(jiàn)，泵的實(shí)際安裝高度再降低1m，可取-1.7米。而現(xiàn)場(chǎng)泵的安裝高度位于吸水池液面以下-4.3米，如果泵在標(biāo)定的工況下運(yùn)行，理論上不會(huì)發(fā)生汽蝕。

3 影響葉輪汽蝕的因素分析

按照泵的流體力學(xué)分析，是否發(fā)生汽蝕取決于泵汽蝕余量和裝置汽蝕余量的差值，即泵的幾何安裝高度高于泵的允許吸上高度是循環(huán)水泵葉輪發(fā)生汽蝕的主要原因。從設(shè)備的檢修角度看，循環(huán)水泵葉輪產(chǎn)生汽蝕的主要原因有以下幾方面：倒灌高度不夠造成有效汽蝕余量下降；空氣進(jìn)入泵內(nèi)；密封間隙大造成間隙汽蝕；長(zhǎng)期偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行造成葉片內(nèi)流速過(guò)快；泵超負(fù)荷運(yùn)行；壓力和流量分布不均，產(chǎn)生汽泡；材質(zhì)及制造質(zhì)量；設(shè)計(jì)等。做如下分析。

3.1流量是否過(guò)大

實(shí)際運(yùn)行中，泵循環(huán)水量是否超過(guò)設(shè)計(jì)值，由于大流量引起葉輪進(jìn)口速度增加，從而引起泵進(jìn)口至葉輪以及進(jìn)口管路中的壓力降增加，超過(guò)汽蝕界限，產(chǎn)生嚴(yán)重汽蝕。這一點(diǎn)由于泵出口沒(méi)有安裝流量表，只能在額定揚(yáng)程及電機(jī)不過(guò)載的狀態(tài)下操作運(yùn)行。根據(jù)運(yùn)行記錄不會(huì)出現(xiàn)這種情形。

3.2倒灌高度是否不夠

倒灌高度為吸水池最高液面標(biāo)高與泵中心線標(biāo)高的差值，隨著液面降低，倒灌高度會(huì)減小。如果倒灌高度的減小超過(guò)界限，從而引起泵葉輪的汽蝕。根據(jù)上述計(jì)算及日常運(yùn)行液面高度（7.2m），不會(huì)發(fā)生這種情形。

3.3水泵的運(yùn)行時(shí)間是否過(guò)長(zhǎng)

查運(yùn)行記錄，自2008年6月27日試車至今，共運(yùn)行3167.5小時(shí)。

3.4是否空氣進(jìn)入泵內(nèi)造成葉輪汽蝕

如果輸送的介質(zhì)中富含空氣，在較低壓力下較易揮發(fā)，會(huì)大大降低吸入口狀態(tài)的真空度，汽蝕現(xiàn)象同樣發(fā)生，這是泵發(fā)生汽蝕的主要原因。循環(huán)水中氣體的來(lái)源主要有以下幾個(gè)方面：循環(huán)水在冷卻塔冷卻的過(guò)程中，夾帶了大量的過(guò)飽和空氣；吸水池中旋渦帶入的空氣；軸封漏氣，循環(huán)水泵兩側(cè)的軸封各設(shè)有水沖洗裝置，用以冷卻填料和防止空氣進(jìn)入泵內(nèi)。采用傳統(tǒng)填料密封的循環(huán)水泵，填料對(duì)泵的磨損較大，隨之間隙增大，密封效果變差，空氣在大氣壓力作用下進(jìn)入葉輪進(jìn)口低壓區(qū)，并隨水進(jìn)入高壓區(qū)沖擊葉輪造成機(jī)械剝蝕而產(chǎn)生汽蝕。

3.5材質(zhì)問(wèn)題

在不能完全避免汽蝕現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，應(yīng)采用抗汽蝕材料制造葉輪，一般來(lái)說(shuō)，零件表面越光，材料強(qiáng)度和韌性越高，硬度和化學(xué)穩(wěn)定性越高，則材料的抗汽蝕性能越好，該泵的材質(zhì)為HT250，屬一般材質(zhì)，而且加工精度并不高。

3.6設(shè)計(jì)問(wèn)題

是否在葉輪進(jìn)口直徑、葉片進(jìn)口寬度、葉片進(jìn)口邊的位置和形狀等設(shè)計(jì)上存在問(wèn)題。

3.7化學(xué)腐蝕

此外，含有氯離子且偏堿性弱腐蝕的水質(zhì)，也會(huì)加速對(duì)葉輪汽蝕的腐蝕。

4 分析結(jié)論

按上述方法，根據(jù)試車、運(yùn)行及檢修的角度分析，我們認(rèn)為造成P4201循環(huán)水泵葉輪嚴(yán)重汽蝕破壞的原因?yàn)椋?/p>

4.1表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是試車時(shí)，在額定揚(yáng)程下，電機(jī)電流過(guò)大，超載，連續(xù)跳車3次，當(dāng)時(shí)在檢修時(shí)將葉輪直徑從850切割至820；另一方面，試車、運(yùn)行過(guò)程中，該泵的噪聲和振動(dòng)一直都很大，沒(méi)有達(dá)到合同技術(shù)附件中要求的標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)家有關(guān)規(guī)范，說(shuō)明泵在實(shí)際運(yùn)行中偏離了泵的性能曲線，從一開(kāi)始，汽蝕現(xiàn)象就很嚴(yán)重。

4.2材質(zhì)抗汽蝕性能差，該泵葉輪材質(zhì)為HT250，材料強(qiáng)度、韌性、硬度和化學(xué)穩(wěn)定性差。且加工精度不高，葉輪表面粗糙。

4.3水質(zhì)不好。該泵在2009年化洗預(yù)膜時(shí)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，由于水中腐蝕性藥物及運(yùn)行中氯離子、偏堿性弱腐蝕性水質(zhì)聯(lián)合作用造成腐蝕破壞。

4.4軸封填料泄漏大，有可能漏入空氣。

5提高水泵抗汽蝕性能的措施

5.1葉輪流道內(nèi)刷涂環(huán)氧樹(shù)脂；

5.2葉輪采用抗汽蝕性能較好的鑄鋼、1Cr18Ni9Ti等不銹鋼；

5.3提高葉輪表面光潔度；

5.4改善填料密封效果；

5.5把各項(xiàng)防汽蝕措施落實(shí)到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行規(guī)程和運(yùn)行管理、檢修管理、設(shè)備管理工作中。消除產(chǎn)生汽蝕的環(huán)境，在操作中確保吸水池水位高于限值。

參考文獻(xiàn)：

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