離心泵的汽蝕失效分析及預(yù)防措施

謝志輝，張恩勇

（1.中國(guó)石油上海寰球工程有限公司，上海200032；2.歐薩斯能源環(huán)境設(shè)備（南京）有限公司，江蘇南京210058）

離心泵的汽蝕失效分析及預(yù)防措施

謝志輝1，張恩勇2

（1.中國(guó)石油上海寰球工程有限公司，上海200032；2.歐薩斯能源環(huán)境設(shè)備（南京）有限公司，江蘇南京210058）

某循環(huán)水泵在運(yùn)行期間葉輪發(fā)生嚴(yán)重的汽蝕失效現(xiàn)象。文中對(duì)葉輪的宏觀形貌、化學(xué)成分進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，該離心泵的汽蝕余量較小，離心泵葉輪的腐蝕失效主要是汽蝕所導(dǎo)致，介質(zhì)的化學(xué)腐蝕也是泵腐蝕失效的原因之一。此外，沖刷腐蝕在一定程度上加速了腐蝕的進(jìn)行。并根據(jù)腐蝕機(jī)理有針對(duì)性的提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

離心泵；葉輪；汽蝕；沖蝕；預(yù)防措施

2011年某企業(yè)在對(duì)循環(huán)水工段的多級(jí)離心泵進(jìn)行檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)該離心泵發(fā)生了較為嚴(yán)重的腐蝕失效現(xiàn)象，離心泵的葉輪基本已損壞，泵內(nèi)有很多雜質(zhì)。該泵的葉輪材料為ZG25，泵的工作參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 泵的工作參數(shù)

1 宏觀形貌分析

該循環(huán)水泵為四級(jí)離心泵，每級(jí)葉輪及導(dǎo)葉都出現(xiàn)不同程度的腐蝕形貌，二級(jí)葉輪腐蝕最為嚴(yán)重，第四級(jí)葉輪腐蝕最輕。葉輪的宏觀形貌見(jiàn)圖1～3；導(dǎo)葉的宏觀形貌見(jiàn)圖4。

圖1 一級(jí)葉輪宏觀形貌

圖2 二級(jí)葉輪宏觀形貌

圖3 四級(jí)葉輪宏觀形貌

圖4 三級(jí)導(dǎo)葉宏觀形貌

從圖1～4可以看出，離心泵的葉輪具有非常明顯的汽蝕特征，葉輪的一側(cè)蓋板腐蝕非常嚴(yán)重，葉輪的背水面是發(fā)生汽蝕最為嚴(yán)重的地方［1］。葉輪腐蝕破壞部位有大面積的金屬剝蝕，而且周圍有尖銳的坑蝕現(xiàn)象。

2 化學(xué)成分檢測(cè)分析

對(duì)葉輪腐蝕失效部位切塊取樣，進(jìn)行化學(xué)成份分析，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 葉輪化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果/%

由表2可以看出，離心泵葉輪材質(zhì)的化學(xué)成份符合指標(biāo)（GB/T 11352-2009）的規(guī)定，說(shuō)明離心泵葉輪的材質(zhì)滿足要求。

3 掃描電鏡

進(jìn)一步分析葉輪的腐蝕破壞，對(duì)離心泵葉輪腐蝕處的內(nèi)外表面進(jìn)行掃描電鏡分析，觀察葉輪表面的腐蝕形貌，見(jiàn)圖5；葉輪的內(nèi)表面掃描結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖5 葉輪外表面掃描電鏡分析

圖6 葉輪內(nèi)表面掃描電鏡

從圖5，6可見(jiàn)，離心泵葉輪表面有許多蜂窩狀的孔洞，符合離心泵汽蝕破壞的特征。此外，葉輪的內(nèi)外表面均有一些腐蝕產(chǎn)物。

4 能譜分析

對(duì)葉輪表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析，能譜分析所選取的位置見(jiàn)圖7，表面腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果見(jiàn)表3。

圖7 葉輪表面能譜分析位置

表3 表面腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果

從表3可知，葉輪表面腐蝕產(chǎn)物主要為碳和氧，說(shuō)明是有機(jī)物。其次含有少量的氯和硫元素，這些元素可能會(huì)造成離心泵葉輪腐蝕。

5 分析與討論

該葉輪為鑄鋼ZG25材料，從宏觀分析來(lái)看，有大塊金屬被腐蝕脫落的現(xiàn)象。4個(gè)葉輪的腐蝕不同，其中二級(jí)葉輪腐蝕最為嚴(yán)重，其次為一級(jí)葉輪，三、四級(jí)葉輪腐蝕比較輕微。根據(jù)化學(xué)成份檢測(cè)，離心泵葉輪材料的化學(xué)成份符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。葉輪的掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)，腐蝕部位的葉輪表面有很多蜂窩狀的孔洞，具有典型的汽蝕特征。能譜分析中發(fā)現(xiàn)，腐蝕產(chǎn)物中存在氯和硫元素，因此可能造成泵的腐蝕破壞。此外，由于離心泵中存在一定程度的沖蝕腐蝕，從而有大面積的金屬脫落現(xiàn)象。

5.1 汽蝕

離心泵的葉輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸送介質(zhì)呈湍流流動(dòng)，在葉輪前端附近形成低壓區(qū)，葉輪背部形成高壓區(qū)。當(dāng)?shù)蛪簠^(qū)的壓強(qiáng)等于或低于介質(zhì)的飽和蒸汽壓，至使輸送介質(zhì)的汽化，形成大量的汽泡。汽泡隨介質(zhì)進(jìn)入高壓區(qū)時(shí)，汽泡體積大大縮小，汽泡所占的空間幾乎全部形成真空，稱之為空泡。空泡為負(fù)壓區(qū)，與所存的高壓區(qū)形成很大的壓差，使空泡周圍的高壓水以極高的速度沖向空泡負(fù)壓區(qū)。這一過(guò)程在瞬問(wèn)完成，形成巨大的沖擊壓力，使葉輪表面氧化膜破壞，甚至將膜下的金屬離子撕裂。膜破口處的金屬遭受腐蝕，隨即重新生膜，重新被汽蝕破壞撕裂，如此反復(fù)進(jìn)行，使葉輪表面變得很粗糙，出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，即為泵的汽蝕現(xiàn)象［2］。

汽蝕的危害性：（1）汽泡破裂時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)相互作用，對(duì)泵的過(guò)流部件表面產(chǎn)生600～25 000 Hz的高頻沖擊，而且每秒鐘會(huì)重復(fù)許多次，這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致泵產(chǎn)生噪音，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生機(jī)組振動(dòng)；（2）過(guò)流部件的點(diǎn)破壞以及高溫和化學(xué)作用下造成腐蝕破壞，兩者可以相互作用；（3）泵的性能下降。隨著比轉(zhuǎn)速的增加，其下降幅度趨緩慢。

水在不同溫度下的飽和蒸氣壓。該泵的工作溫度為85±5℃，飽和蒸汽壓在47.36～70.11 kPa之間。水泵的進(jìn)口壓力為45 kPa低于該溫度范圍內(nèi)的最低飽和蒸汽壓47.36 kPa，必定會(huì)導(dǎo)致葉輪的汽蝕腐蝕，而且隨著泵工作介質(zhì)溫度的升高，汽蝕現(xiàn)象更為嚴(yán)重。水泵的葉輪表面有許多坑蝕及大面積剝蝕現(xiàn)象，坑蝕處有許多蜂窩狀的孔洞，具有非常明顯的汽蝕特征，從而判斷該泵的腐蝕主要是由汽蝕造成的。

5.2 汽蝕余量的影響

通常情況下，為確保泵不發(fā)生汽蝕，泵的汽蝕余量必須有安全余量。對(duì)于一般的離心泵，泵的安全余量S=0.6～1 m［3］。按標(biāo)準(zhǔn)SH/T3139和SH/T3140的規(guī)定，臥式離心泵在額定點(diǎn)的必需汽蝕余量NPSHr應(yīng)至少比裝置的有效汽蝕余量NPSHa小0.6 m，實(shí)際的工程應(yīng)用中往往會(huì)要求泵的汽蝕余量大于1 m。從表1循環(huán)水泵的工作參數(shù)中發(fā)現(xiàn)，本離心泵的汽蝕余量只有0.67 m，雖然滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，但是余量非常小，泵在實(shí)際運(yùn)行中非常容易發(fā)生汽蝕。通常情況下，當(dāng)NPSHa與NPSHr的差值小于1 m時(shí)，會(huì)要求泵在出廠時(shí)必須進(jìn)行NPSHr試驗(yàn)。

5.3 沖刷腐蝕

沖刷腐蝕就是金屬材料表面與腐蝕流體沖刷的聯(lián)合作用，而引起材料局部的金屬腐蝕［4］。在發(fā)生沖刷腐蝕時(shí)，金屬離子或腐蝕產(chǎn)物因受高速腐蝕流體沖刷而離開(kāi)金屬材料表面，使新鮮的金屬表面與腐蝕流體直接接觸，從而加速了腐蝕過(guò)程。流體的速度愈高，沖蝕腐蝕速度愈快。腐蝕介質(zhì)流動(dòng)速度又取決于流動(dòng)方式：層流時(shí)，由于流體的粘度，在沿管道截面有一種穩(wěn)態(tài)的速度分布；湍流時(shí)，破壞了這種穩(wěn)態(tài)速度分布，這不僅加速了腐蝕劑的供應(yīng)和腐蝕產(chǎn)物的遷移，而且在流體與金屬之間產(chǎn)生切應(yīng)力，能剝離腐蝕產(chǎn)物，從而加大了沖蝕速度。循環(huán)水泵的流速在100 m3/h左右，泵內(nèi)流體為湍流流動(dòng)，在輸送循環(huán)水的時(shí)候，就伴隨有一定程度的沖刷腐蝕。此外，工藝系統(tǒng)中誤流入的酸性介質(zhì)在一定程度上加劇葉輪的沖刷腐蝕［5］。

5.4 鹽濃度及溫度對(duì)腐蝕的影響

溶解于水中的鹽對(duì)葉輪的腐蝕有較大的影響，因?yàn)辂}能夠增強(qiáng)水的導(dǎo)電性，增加了電偶腐蝕的電流，尤其在酸性鹽和氧化性鹽環(huán)境中，會(huì)出現(xiàn)氫離子去極化腐蝕或氧去極化腐蝕，溶解鹽對(duì)保護(hù)膜的形成和破壞也有顯著的影響，特別是海水中存在大量氯離子，能夠破壞保護(hù)膜，使鋼鐵表面難以鈍化，同時(shí)氯離子又有很強(qiáng)的穿透能力，因此鋼鐵在海水中的腐蝕速度比在淡水中大［6］。

溫度對(duì)水中氫離子濃度有影響，水在25℃時(shí)是中性的，隨著水溫的升高，水的酸性增強(qiáng)，腐蝕性也增強(qiáng)，水溫每升高10℃，可使鐵的腐蝕速率增加30%。該泵輸送的介質(zhì)的工作溫度為85±5℃，所輸送的介質(zhì)會(huì)呈現(xiàn)一定的酸性。

所以循環(huán)水介質(zhì)沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)處理，導(dǎo)致水中的鹽含量較高，加之輸送介質(zhì)的溫度較高而加劇了葉輪的腐蝕［7～9］。

6 結(jié)束語(yǔ)

循環(huán)水工段的多級(jí)離心泵葉輪發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕破壞。葉輪的宏觀形貌分析發(fā)現(xiàn)離心泵葉輪的一側(cè)蓋板腐蝕非常嚴(yán)重，葉輪的背水面是破壞最為嚴(yán)重的地方，具有非常明顯的汽蝕特征。材料的化學(xué)成分分析表明離心泵葉輪材料為ZG25符合標(biāo)準(zhǔn)要求。離心泵葉輪的表面有大面積腐蝕及金屬脫落現(xiàn)象，凹坑處掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)葉輪表面存在許多蜂窩狀的孔洞，說(shuō)明葉輪的破壞是由于葉輪的汽蝕造成的。葉輪表面還有一些腐蝕產(chǎn)物，產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)了氯和硫元素，說(shuō)明介質(zhì)的化學(xué)腐蝕也是泵葉輪腐蝕破壞的一個(gè)重要原因。此外，介質(zhì)的沖刷腐蝕在一定程度上加劇了葉輪的腐蝕破壞。可以采取4項(xiàng)措施。

（1）對(duì)循環(huán)水介質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理，降低水中的鹽含量，特別是氯離子的含量，減少泵的腐蝕破壞。

（2）降低循環(huán)水輸送時(shí)的溫度。

（3）降低泵的安裝高度或者其他措施提高泵的入口壓力，從而增加泵的汽蝕余量。

（4）將更換的葉輪表面進(jìn)行硬化處理，提高葉輪表面的硬度，提高其抗汽蝕和沖蝕的性能，或者在葉輪的各表面涂高分子化合物，使表面光滑，且具足夠的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性。

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Analysis of cavitation failure of centrifugal pump and prevention measures

Xie Zhihui1，Zhang Enyong2
（1.PetroChina Shanghai Huanqiu Engineering Co.Ltd.,Shanghai 200032,China;2.Oschatz Energy Environment（Nanjing）Co.Ltd.,Nanjing 210058,China）

Severe cavitation of the impeller occurred during operation.This paper made analysis to the macroscopic feature and chemical components of the impeller.The result showed,the NPSH is small,the corrosion failure of the centrifugal pump impeller is mainly caused by cavitation,and the chemical corrosion of medium is one of the causes.In addition,erosion corrosion accelerated the corrosion to some extent.The relevant prevention measures were proposed based on the corrosion mechanism.

centrifugal pump;impeller;cavitation;erosion corrosion;prevention measure

F276.44

B

1671-4962（2017）06-0055-04

2017-07-09

謝志輝，男，工程師，1999年畢業(yè)于河北科技大學(xué)化工設(shè)備與機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)從事機(jī)泵類設(shè)備的選型設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)安裝管理工作。