淺談高揚程電力提灌泵站水泵空蝕磨損及對策

趙惠莉

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 景泰 730400）

水泵主要向被輸送液體傳遞能量，運轉過程中易產(chǎn)生空蝕磨損，空蝕磨損程度較輕時會影響水泵運行狀態(tài)，空蝕磨損程度嚴重時水泵出水量大幅下降，運行效率降低，使用壽命縮短，甚至會引發(fā)一系列安全問題[1]。

1 高揚程電力提灌泵站水泵空蝕磨損現(xiàn)象

高揚程電力提灌泵站水泵空蝕磨損最易發(fā)生在螺旋壓水室中兩邊靠近密封環(huán)的一周，空蝕穴的形成方向與水流方向一致。靠近密封環(huán)的一側，空蝕穴密集，磨損程度嚴重，越往外空蝕穴越少，設備受磨損程度相應減輕。水泵中開面鑄造結構空腔附近，尤其是靠近密封環(huán)的地方，受間隙空蝕作用的影響溝槽深度較大，易形成高壓腔與低壓腔貫通的溝槽。部分沖蝕溝道出現(xiàn)在泵蓋、泵體與密封環(huán)結合的圓周面上[2]。

水泵運行過程中泵體隔舌會受到較為嚴重的侵蝕與磨損，出現(xiàn)溝槽、空蝕穴等，導致隔舌端部縮短且厚度變薄，嚴重影響水泵整體運行狀態(tài)。同時，水泵運行過程中葉輪葉片部位也易受到侵蝕與磨損，磨損時間較長時葉片邊緣產(chǎn)生較多的空蝕孔洞。兩側蓋板嚴重磨損時，葉輪直徑明顯變小，葉輪與口環(huán)配合的徑向密封面出現(xiàn)10 mm 左右的環(huán)向深槽。

2 高揚程電力提灌泵站水泵空蝕磨損的原因及危害

2.1 原因

導致高揚程電力提灌泵站水泵空蝕磨損的因素較多，如水泵揚程、水泵材質、水流含沙量、水泵性能質量等。

水泵空蝕磨損與水泵吸水高度密切相關。基于流體力學和水泵設計原理可知，真空值超出臨界值就會產(chǎn)生空蝕磨損問題。對比分析泵站設計裝機高度及實際裝機高度，可發(fā)現(xiàn)裝機高度設計過高易導致葉輪進口處壓力低于規(guī)定值，從而引發(fā)水泵空蝕磨損問題。

水泵揚程會影響水泵磨損程度。水泵運行時將動能轉變成水流壓能，而壓能的產(chǎn)生主要靠葉輪離心力。由于切線速度與水泵揚程的1/2 次方成正比，揚程越高，切線速度越大，由高速水流造成的侵蝕與磨損就更加嚴重。因此，揚程越高的泵站，水泵空蝕磨損現(xiàn)象越嚴重，水泵葉輪更換周期越短[3]。

水泵材質也是影響磨損程度的重要因素。水泵設計中材質控制十分重要，材質不符合相關標準，會導致水泵磨損加速。通常情況下，材質硬度越大越耐磨，不易出現(xiàn)空蝕孔洞。材質彈性越好抵抗侵蝕與磨損的能力越強，因為材料彈性較好時可吸收泥沙顆粒的高速動能，大幅度減小泥沙對水泵造成的負面影響。一些高揚程電力提灌泵站之所以易出現(xiàn)空蝕磨損問題，是因為材料質量不達標[4]。

一些揚程較小的泵站，水流含沙量較大是導致水泵發(fā)生空蝕磨損的主要原因。水流含沙量過大或泥沙粒徑較大時，水泵出口高速水流區(qū)逐漸產(chǎn)生空蝕孔洞，隨著空蝕孔洞的增加，水流阻力相應增大，導致泥沙對水泵的磨損更加嚴重。

水泵制作精度不高或工況達不到設計要求時，易受泥沙磨損而出現(xiàn)一些運行故障。因此，優(yōu)化水泵制作工藝，提高水泵精密性是改善水泵空蝕磨損問題的重要措施之一。為了減輕水泵空蝕磨損程度，應改善水泵運行條件，阻止泥沙進入泵體，及時更換易磨損部件。

2.2 危害

空蝕磨損會給水泵運行造成很大影響，空蝕磨損嚴重時水泵的容積效率大幅度降低。水泵受到嚴重磨損后間隙明顯增大，高壓側水流向低壓室泄露，這一過程中水泵隔舌因磨損嚴重而縮短，無法發(fā)揮作用，導致水泵效率降低。水泵在長時間磨損后會出現(xiàn)溝槽、麻面及蜂窩等問題，麻面和溝槽會給水流造成較大的阻力，使水泵在運行過程中產(chǎn)生較大的噪音及振動，導致水泵運行效率較低。長時間磨損后水泵的可用年限會縮短，且運行過程中易出現(xiàn)各類故障，導致水泵運維成本增加。水泵葉輪受到磨損后，出水量大幅度減少，間接導致能源消耗量上升，不利于資源節(jié)約與環(huán)境保護。

3 高揚程電力提灌泵站水泵空蝕磨損防范與處理對策

3.1 合理設定水泵吸水高度

真空值超出臨界值是導致水泵空蝕磨損問題的原因之一，為了防止水泵出現(xiàn)空蝕磨損問題，需對泵站實際裝機高度與設計裝機高度進行統(tǒng)計對比，確保葉輪進口處壓力低于要求值。

3.2 選擇適宜的機型

機型與水泵侵蝕磨損程度密切相關，機型合理時水泵設備不易受磨損，應根據(jù)揚程、泥沙含量等合理選擇機型。一般來說，高揚程電力提灌泵站水泵出口邊流速不宜過大，且葉片厚度不能過小，出口邊流速小且葉片厚度大的水泵有較強的抗磨性能，較適合高揚程電力提灌泵站。

3.3 調(diào)整裝機高度

為了減輕水泵運行過程中的磨損程度，需對裝機高度進行科學計算與合理調(diào)整。確定裝機高度時要綜合考慮水泵機型、泵站生產(chǎn)需求及水流泥沙含量等因素。相關人員需提前對水流中的泥沙含量進行測定，適當加大空蝕余量，保證水泵裝機高度科學合理[5]。

3.4 選用優(yōu)質耐磨材料

高揚程電力提灌泵站應盡可能選用原材料質量有保證的水泵，通過使用優(yōu)質材料提高水泵的耐磨性，延長水泵可用年限。尤其是水泵的易磨損部位，須選擇高性能材料。目前我國大部分水泵都采用鑄鐵制造，雖然經(jīng)濟成本較低，但耐空蝕性不強?？煽紤]用鎳鉻金材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料，提升水泵的抗磨性能，減少泥沙等對水泵的影響。同時，積極研究新型優(yōu)質材料，逐步增強水泵的耐磨性能。高揚程電力提灌泵站中的水泵，可用有利于提升設備耐磨性能的噴涂材料進行處理，如用等粒子噴槍將適量的硬質金屬粉末噴涂到水泵部件表面，在水泵部件表面形成一定厚度的防護層，從而減輕水泵空蝕磨損程度。

3.5 創(chuàng)新水泵設計理念

泥沙較多的水域，易使高揚程電力提灌泵站出現(xiàn)嚴重的水泵空蝕磨損問題，為了保障水泵應用性能及年限，需創(chuàng)新多泥沙水域水泵設計理念，減少泥沙造成的水泵空蝕磨損，提升水泵運行效率及質量，延長水泵的使用壽命。

3.6 防空蝕磨損噴涂處理

3.6.1 噴涂非金屬材料 在水泵上噴涂復合環(huán)氧樹脂等非金屬材料操作容易、價格低廉，可有效預防水泵空蝕磨損問題，可廣泛應用于高揚程電力提灌泵站。改性聚氨酯復合樹脂涂敷技術通過涂抹環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、石英砂、鐵紅等填充材料、增韌劑和稀釋劑等輔助材料形成抗腐蝕層，可明顯改善沙粒磨損及空蝕。復合樹脂的黏結能力強，操作比較簡單，具有良好的抗腐蝕性，主要涂抹在泵體、葉輪和離心泵等部件的表層防護泥沙磨損[6-8]。

3.6.2 鑲嵌不銹鋼板 不銹鋼板具有良好的抗蝕性，鑲嵌在軸流泵葉輪內(nèi)壁可有效預防空蝕磨損。但在軸流泵葉輪內(nèi)壁鑲嵌不銹鋼板難度較大，且成本較高。

3.6.3 噴焊合金粉末 現(xiàn)階段我國在處理水泵空蝕磨損問題時，常采用噴焊合金粉末法。噴焊合金粉末的主要優(yōu)點是強化水泵表面的金屬強度，使金屬表面能承載更大重力，以免受到泥沙破壞。該技術利用乙炔、氧氣混合燃燒形成的熱能，將合金粉末（鎳基、鐵基、鎳鉻基、碳化鎢等）加熱至熔融狀態(tài)或半熔融狀態(tài)后，迅速噴射到已經(jīng)清潔完的工件表層，與基體結合形成一層冶金防護層，熱影響范圍較小，具有較強的抗空蝕磨損性能，可延長水泵的使用壽命。對于鑄鐵及鑄鋼的水泵而言，在其表面噴涂0.5～0.8 mm氧乙炔火焰，抗蝕性能可提高4～6 倍。此外，噴焊合金粉末能增強水泵葉片硬度和表面彈性，形成抗空蝕磨損保護層，延長水泵使用年限。

3.6.4 焊接修復 采用焊接修復方式解決水泵空蝕磨損問題時，需嚴格把控環(huán)境溫度，提升水泵修復效果。

3.6.5 HVOF 技術 該技術是一種高能噴涂技術，以氧氣和相關燃氣為熱源，使砌體迅速膨脹，產(chǎn)生高壓，噴涂材料通過高壓噴射形成高速（2 馬赫速度）氣流。高速燃氣不僅可使粉末材料半融化，還能使材料加速運行，將熔化后的材料均勻密實地噴涂在相關部件的表層，與基材共同形成抗腐蝕層。

3.7 合理選用施工材料

確定水泵工程建設目標后，要合理購買施工材料，嚴格落實管理及質檢工作，保證施工材料與工程要求相符。若施工材料質量不符合相關標準，則不能進場使用，以此確保各項設備的應用性能，防止工程出現(xiàn)質量問題。除此之外，從業(yè)人員需對施工設計圖紙進行深入研究，根據(jù)施工圖紙落實施工技術[9-10]。

3.8 維修水泵設備

為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，泵站建設應注重節(jié)能環(huán)保材料的應用，盡量降低能源損耗，不斷應用新型技術，延長水泵工程的應用壽命。水泵設備的前期設計及安裝環(huán)節(jié)較復雜，后期應用中易出現(xiàn)問題，影響水泵的正常運行。因此，需全面落實后期維修工作，確保泵站正常運行，延長水泵使用壽命。

3.9 做好運維管理工作

要減輕水泵空蝕磨損程度，還需做好運維管理，如及時清除攔污柵前的雜物，減小水流阻力，從而減輕水流對水泵的侵蝕與磨損。水泵運行過程中需采用各種方式確保水泵在高效區(qū)運行，避免水泵壓閘運行造成的水流紊亂、機組振動加重水泵空蝕磨損程度。此外，還需監(jiān)測水流中的泥沙含量，采取有效措施降低水流中的泥沙含量，防止大量泥沙進入泵體，從而減輕水泵空蝕磨損程度，延長水泵使用壽命。

4 結語

高揚程電力提灌泵站水泵易受水流、泥沙的侵蝕與影響而出現(xiàn)溝槽、孔洞及麻面等問題，導致水泵運行效率降低。需結合相關規(guī)范與要求，根據(jù)泵站實際情況合理選擇水泵機型及裝機高度，嚴格管控泵站施工材料，并對水泵進行防空蝕磨損噴涂處理，提高水泵的抗磨損性能。