離心泵發(fā)生氣蝕的危害與對策

薛為亮

（射陽經(jīng)濟開發(fā)區(qū)安監(jiān)站，江蘇鹽城 224302）

0 引言

離心泵是一種依靠葉輪旋轉(zhuǎn)形成的離心力進行液體輸送的裝置，具有體積小、操作簡單、類型多樣、使用時間長等優(yōu)勢，目前已廣泛應用在化工、環(huán)境保護、生物制藥、水利建筑等眾多領域。隨著離心泵應用范圍的不斷擴大，其運行安全性、可靠性、穩(wěn)定性得到人們越來越多關注。研究發(fā)現(xiàn)離心泵在使用過程中易發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，從而降低離心泵性能，制約離心泵應用作用發(fā)揮，造成離心泵使用安全隱患。因此，在明確認知離心泵氣蝕危害的同時，有必要探究有效防止對策，保障設備長效穩(wěn)定運行。

1 離心泵發(fā)生氣蝕現(xiàn)象的原因

離心泵主要有泵體、泵軸、葉輪、軸承、填料函、閥門等構成[1]。運行前離心泵泵內(nèi)需要充滿液體，通電后在軸承轉(zhuǎn)動作用下使葉輪旋轉(zhuǎn)，形成離心力，在離心力作用下增加液體流速和壓力，在壓力作用下液體由泵口排出。通常離心泵葉輪葉片進口稍后位置是離心泵內(nèi)壓力的最低點，如果此位置壓力過低，等同于被輸送液體飽和蒸汽壓時，位于入口處的液體會在離心泵中汽化，生成大量的蒸汽泡并進入到高壓區(qū)，在高壓作用下被瞬間壓碎，流體質(zhì)點高速度撞擊葉輪或泵殼，使其出現(xiàn)麻點、裂縫，長此以往呈海綿狀逐漸脫落[2]。這就是離心泵的氣蝕現(xiàn)象。

導致離心泵發(fā)生氣蝕現(xiàn)象的因素有許多，可以歸納總結為以下兩大類。

（1）離心泵自身因素，包括自身結構設計、自身材料選擇等因素。在離心泵結構設計過程中，其外部結構參數(shù)多為固定參數(shù)，但內(nèi)容結構設計存在較大的可變性，如離心泵葉輪葉片設計不合理、離心泵液體入口形式設計不當?shù)染鶗T發(fā)氣蝕現(xiàn)象?；诩扔薪?jīng)驗歸納總結，發(fā)現(xiàn)離心泵氣蝕的發(fā)生可分為氣蝕孕育、氣蝕上升、氣蝕穩(wěn)定以及氣蝕下降等階段，而各階段持續(xù)時間的長短與離心泵自身材料密切相關，如果所選材料的硬度、強度、耐腐蝕性等較差，則整個氣蝕過程所用時間較短，離心泵受氣蝕影響較大。

（2）外部因素。包括離心泵使用環(huán)境因素、離心泵安裝因素、輸送介質(zhì)因素、離心泵操作因素等。多數(shù)實踐證明，外部因素類型較多且是導致離心泵發(fā)生氣蝕的主要因素：低負壓環(huán)境與高溫環(huán)境容易增加離心泵氣蝕發(fā)生概率；離心泵管徑、輸送液體確定情況下，離心泵安裝高度過高，容易增加離心泵入口管線壓頭損失，并降低葉輪中心位置壓力，導致氣蝕現(xiàn)象發(fā)生；離心泵性能測試過程中多利用20 ℃清水為輸送介質(zhì)，如果離心泵實際應用中輸送介質(zhì)密度大于清水，則會降低離心泵的允許安裝高度，提高氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生概率；在離心泵啟動前未關注其所處狀態(tài)或做好設備檢修工作，也會增加氣蝕現(xiàn)象發(fā)生的概率。

例如，某企業(yè)建成投產(chǎn)運行6 個月之后，出現(xiàn)生產(chǎn)用水嚴重不足問題。在對現(xiàn)場內(nèi)設備進行安檢時，了解到水泵房中的離心泵有不同程度的氣蝕現(xiàn)象，主泵葉輪上分布著密密麻麻的小孔，其中最大孔面積達到6 cm2。究其原因：①離心泵實際安裝高度遠超過離心泵允許安裝高度；②主泵入口管堵塞，增加離心泵進口阻力，操作人員在操作過程中沒有及時發(fā)現(xiàn)這一問題，針對供水不足現(xiàn)象通過增加泵的方式解決；③離心泵葉輪材料未達到實際要求。

2 離心泵發(fā)生氣蝕現(xiàn)象的危害

離心泵氣蝕危害是明顯的，尤其是在離心泵廣泛應用的現(xiàn)階段。其危害主要體現(xiàn)在以下3 個方面。

2.1 提高設備運行噪聲污染水平，使其異常振動

在離心泵氣蝕過程中，當蒸汽泡隨著液體進入到高壓區(qū)后，發(fā)生蒸汽凝結、氣泡破裂現(xiàn)象，隨著氣泡消失局部真空，高壓液體迅速沖向氣泡原先所在位置，液體質(zhì)點之間的相互碰撞以及位于金屬表面蒸汽凝結的碎裂，會使離心泵出現(xiàn)爆豆似的噪聲。同時，這還會使離心泵發(fā)生異常振動，降低其運行穩(wěn)定性。

2.2 損壞離心泵部件，縮減其使用壽命

當離心泵長時間處于氣蝕狀態(tài)運行時，葉輪、泵殼等受損程度將逐漸加大，當金屬材料表面保護膜被完全破壞且受損位置的材料強度、硬度無法滿足承載需求時，將出現(xiàn)擊穿、腐蝕、脫落等問題，從而減少離心泵的使用壽命，使其運行安全風險提高。

2.3 降低離心泵使用性能，出現(xiàn)停機故障

離心泵使用過程中，泵內(nèi)液體運動存在一定規(guī)律，可用離心泵特性曲線進行標識。有關研究表明，不同離心泵所具有的特性曲線不同，但曲線趨勢大致相同。圖1 是4B20 型離心泵的特性曲線。其中，η—qv曲線為“效率—流量曲線”，He'—qv曲線為“揚程—流量曲線”，P—qv曲線為“功率—流量曲線”[3]。使用過程中當該泵發(fā)生氣蝕后，泵內(nèi)介質(zhì)能量交換勢必發(fā)生改變，從而對離心泵性能產(chǎn)生不利影響。例如，氣蝕能夠降低離心泵葉輪轉(zhuǎn)速，加之氣泡隨著液體在流道內(nèi)運動，降低離心泵流量，離心泵揚程、功率、效率也將隨著流量的改變而改變，制約離心泵性能，嚴重時甚至出現(xiàn)斷流、停機故障。

圖1 離心泵特性曲線

3 防止離心泵氣蝕現(xiàn)象的對策

為了降低或減輕氣蝕現(xiàn)象的危害，根據(jù)離心泵氣蝕機理、氣蝕現(xiàn)象成因，建議從以下兩個方面入手來落實離心泵氣蝕現(xiàn)象防止對策。

3.1 基于自身因素的氣蝕防止對策

針對離心泵自身因素影響下的氣蝕防止，主要從離心泵設計與制造兩方面入手落實相關對策。

（1）適當增加離心泵葉輪蓋板進口段曲率半徑來控制泵內(nèi)壓力和液流速度，如可以適當縮短葉輪入口與泵體之間的距離。

（2）適當降低葉片進口厚度，提高其表面光潔度，或改變?nèi)~片進口的形態(tài)、使其近似于流線型，以增加介質(zhì)進入面積、減少水力損失，提升離心泵抗氣蝕性能。

（3）可以在離心泵結構體系中配置前置誘導輪，通過提前作用來改善液流壓力，提高離心泵抗氣蝕能力。應用雙吸葉輪時，要盡可能保證兩側(cè)壓力平衡，使液流同時進入并根據(jù)離心泵揚程需求調(diào)整入口真空水平，降低進口流速，規(guī)避氣蝕現(xiàn)象。

（4）在進口管路設計時，可通過調(diào)整管路長度、彎曲度等方式，盡可能減少管路造成的壓力損失，保證介質(zhì)在管路內(nèi)的平穩(wěn)流動。

（5）有效增加離心泵有效汽蝕余量，降低泵進口動壓降。通常在離心泵轉(zhuǎn)速、流量等參數(shù)確定后，離心泵的泵進口動壓降受葉輪幾何外形影響較大，因此可通過改變?nèi)~輪幾何外形方式來降低泵進口動壓降，提高離心泵抗氣蝕能力。

（6）合理選擇離心泵制造材料，通常以強度高、硬度高、化學穩(wěn)定性強等材料為主。也可以根據(jù)離心泵應用要求，利用能夠提高離心泵材料抗腐蝕性能、抗氣蝕性能的方法和技術進行材料處理，如熱強化處理技術、滲碳處理技術等。

（7）提高離心泵過流部件精度。實踐證明，離心泵過流部件精度越高其所具有的抗氣蝕性能越高，離心泵發(fā)生氣蝕風險發(fā)生概率越低，則氣蝕對離心泵結構與性能的影響越小。

3.2 基于外部因素的氣蝕防止對策

針對外部因素，建議從以下6 個方面落實離心泵氣蝕防止對策，以增強離心泵運行的穩(wěn)定性、安全性、可靠性和長久性。

（1）離心泵的氣蝕現(xiàn)象與離心泵安裝高度存在密切關系，因此應高度重視離心泵的安裝管理。通常情況下，離心泵安裝高度多由離心泵制造廠家實驗測定，并在使用說明中明確標出。但由于離心泵制造廠家實驗過程中所選用的輸送介質(zhì)為20 ℃清水。而輸送介質(zhì)濃度也是影響離心泵氣蝕現(xiàn)象發(fā)生的關鍵因素。對此，離心泵安裝過程中，需根據(jù)離心泵運營環(huán)境，做好離心泵安裝高程計量工作，以保證實際安裝高度適中在允許安裝高度之下，避免安裝高度過高造成的氣蝕現(xiàn)象發(fā)生。

（2）當輸送介質(zhì)為水時，應保證水流速度平穩(wěn)，能夠順利進入且不會在離心泵內(nèi)產(chǎn)生逆流、渦旋等問題。同時，日常管理中應做好儲水池清潔工作，避免雜物、淤泥過多而影響水流穩(wěn)定性。

（3）輸送介質(zhì)為其他液體時，應盡可能降低輸送介質(zhì)的密度、合理控制其溫度，減少高密度、高溫度對氣化壓力的影響，有效降低離心泵氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

（4）加強管控離心泵運行參數(shù)的力度。在使用離心泵時，相關部門以及工作人員可根據(jù)離心泵運行具體情況科學、合理調(diào)整離心泵參數(shù)，使其盡可能符合離心泵的設計要求。同時，在條件允許的情況下，應盡可能降低運轉(zhuǎn)速度，以減緩離心泵氣蝕現(xiàn)象的發(fā)展速度，便于設備維護人員在氣蝕孕育階段發(fā)現(xiàn)氣蝕并進行氣蝕現(xiàn)象的早期處理。

（5）針對離心泵氣蝕現(xiàn)象制定科學且完善的日常維修養(yǎng)護方案，最大限度降低離心泵氣蝕現(xiàn)象發(fā)生后的影響，減少企業(yè)設備消耗，提高離心泵應用綜合效果。在此過程中，可根據(jù)離心泵振動情況、噪聲情況進行氣蝕位置以及嚴重程度評估，并善于利用修復技術對腐蝕部件進行處理，延長部件使用壽命。如部件損壞過重，應及時更換抗腐蝕性強的新部件，維持離心泵穩(wěn)定與安全運行。定期對離心泵進行大規(guī)模檢查，在檢查過程中加大氣蝕易發(fā)位置檢查力度，以便準確、全面、有效了解離心泵氣蝕程度，進行針對性維修養(yǎng)護處理。

（6）建立完善操作制度，提高操作人員監(jiān)督管理意識，規(guī)范操作人員操作行為，避免操作不當對離心泵穩(wěn)定運行帶來的不利影響。

4 結束語

綜上所述，離心泵易受使用環(huán)境、運行壓力、輸送介質(zhì)等因素影響發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，從而損害離心泵結構，降低離心泵性能，縮短離心泵壽命，提高離心泵運行安全風險。因此，為保證離心泵長時間穩(wěn)定、安全運行，應高度重視其管理工作，能夠通過離心泵合理選擇、合理安裝、規(guī)范操作、有效維護等降低離心泵氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生和影響。