高揚程電力提灌泵站水泵空蝕磨損及對策研究

陳金

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400）

泵站工程最主要的設(shè)備就是水泵，因為水泵是輸送液體、傳遞能量的載體和途徑，但如此龐大的輸送過程對于水泵各部件的損耗也是空前嚴重、不可避免的，尤其是高揚程提水灌泵站，因為該地區(qū)的河流多沙石。之所以如此在意水泵的磨損，是因為磨損會降低水泵的效率，致使水泵出水量下降，但同時耗能又進一步地增加，使得水泵的使用周期壽命不斷減少。而水泵本身就比其他設(shè)備壽命短，其頻繁地更換也使得管理費用消耗數(shù)額驚人。對此，如何有效減少水泵的損耗、減少泵站工程的運行消耗費用是亟待解決的問題。

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的水泵，空蝕磨損最嚴重的部分就是靠近螺旋壓水室的地方，那里有一周與兩邊的密封環(huán)位置極為接近，這一結(jié)構(gòu)十分利于空蝕穴的形成，因為其和水流方向幾乎一致。因此，越是靠近密封環(huán)，空蝕穴的數(shù)量越多，以至于水泵的磨損越嚴重，而空蝕穴的數(shù)量是與密封環(huán)的距離成反比的，而空蝕穴的數(shù)量又與設(shè)備磨損程度成正比。用專業(yè)理論知識來解釋空蝕穴的形成，其實就是水泵受到了間隙空蝕作用的影響，在這一作用的影響下會形成很多溝槽，因為高壓腔與低壓腔相互作用、貫通。

除了密封環(huán)附近，泵蓋、泵體，甚至是密封環(huán)周圍的圓周面上都有可能出現(xiàn)沖蝕溝道。其實溝槽以及空蝕穴可謂是無處不在，因為泵體隔舌也會出現(xiàn)它們的身影，最終的結(jié)果就是隔舌端部縮短且厚度變薄，最后對水泵的運用產(chǎn)生嚴重的阻礙。

2 高揚程電力提灌泵站水泵空蝕磨損的特性及危害

2.1 水泵空蝕磨損的特性

高揚程電力提灌泵站水泵與一般的水泵有著極大的不同，通過對其的仔細查勘可以發(fā)現(xiàn)，高揚程電力提灌泵站水泵中出現(xiàn)的空蝕穴總體呈現(xiàn)魚鱗狀，根本原因是隨著距離螺旋壓水室與密封環(huán)處越遠，形成的空蝕穴就越少，由此形成的溝槽的深度也會不斷地變淺。另外，受到高壓腔和低壓腔作用而產(chǎn)生的溝槽也是魚鱗狀空蝕穴形成的原因之一。除了溝槽，高低壓的相互作用也會導(dǎo)致溝道的產(chǎn)生。更嚴重的，還有可能出現(xiàn)隔舌變薄的情況，這對于水泵的安全的維持有著威脅。同樣的，水泵的葉輪也會隨著時間受到磨損，其磨損主要集中于葉輪，具體就是葉輪的直徑越來越小?？瘴g穴、溝道以及溝槽等在水泵運作過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象都會對水泵的工作產(chǎn)生影響，不但降低了水泵的工作效率，還會加快水泵的磨損。

2.2 水泵空蝕磨損的危害性

水泵的空蝕磨損必然會導(dǎo)致各個方面的危害的出現(xiàn)，具體可分為四方面。首先，是水泵的容積變小，因為隨著磨損程度的不斷加深，水泵的部分部位之間的間隙會隨著加大，這就導(dǎo)致了水流從高壓室向低壓室流動，并且上文提到的隔舌厚度減小，這一現(xiàn)象會導(dǎo)致水分難以輸送，因為水流會在水泵內(nèi)部形成閉環(huán)。其次，就是會產(chǎn)生極大的噪音，形成噪聲污染，因為磨損的加深使得機器內(nèi)部空間擴大，從而導(dǎo)致了水泵振動頻率的加快，最終結(jié)果就是振動發(fā)出的聲音越來越大，并且溝槽等情況的出現(xiàn)也導(dǎo)致了噪聲污染的加重，因為溝槽會增加水流向外輸送時的阻力，機器摩擦的聲音被擴大了。再次，對于機器進一步加快了其損耗，要明白，效率的降低也會導(dǎo)致耗能的加大，使得老舊的部件進一步加速報廢。最后，就是能量消耗量在不斷增加，因為葉輪直徑的減小降低了水泵工作的效率，而要用更低的效率輸送同樣多的水流，只能通過增加耗能。

3 改善高揚程電力提灌泵站水泵空蝕磨損現(xiàn)象的意義

近年來，水資源問題已經(jīng)成為一個世界性的命題，自人類社會步入工業(yè)社會以來，由于工業(yè)的快速發(fā)展，人們對于資源的需求越來越多，但也造成了越來越多的污染，其中，對于水資源的使用是十分無節(jié)制的，這就導(dǎo)致了21 世紀后地球的水資源已經(jīng)變得十分匱乏。除此之外，地球各種水資源分布不均的問題也十分嚴重，而經(jīng)過幾十年的探索研究，人們發(fā)現(xiàn)泵站能夠很好地解決水資源分布不均等問題，尤其值得一提的就是高揚程輸水泵站，它對當(dāng)?shù)孛裆陌l(fā)展有著極其重要的意義。而高揚程電力提灌泵站的工程設(shè)施的維修和更新也是一項大工程，從這兩方面來看，改善高揚程電力提灌泵站也是刻不容緩的。

4 高揚程電力提灌泵站水泵空蝕磨損的影響因素

要想精準地實現(xiàn)對高揚程電力提灌泵站水泵磨損問題的解決，最重要的就是準確地把握影響空蝕磨損的各個要素。相關(guān)工作人員通過對6 個水泵運轉(zhuǎn)時各種性能的觀察與統(tǒng)計（見表1）總結(jié)了以下幾種影響要素。

表1 總干渠泵站裝機特性表

4.1 水泵揚程

觀察表1 的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在吸水高度方面，總一泵、總二泵、總?cè)眠@三者之間的差距較大，受到的磨損也有所不同。從流體力學(xué)角度分析，通常將H 作為水泵的裝機高度的臨界值，通常情況下，水泵出現(xiàn)磨損是因為裝機超過了H 值，因此在設(shè)計水泵時，要尤為重視H 的精準計算。通過分析也可以發(fā)現(xiàn)，水泵的揚程與其切線的速度呈現(xiàn)正比例的關(guān)系，換言之就是，揚程越高，切線的速度就越大，反之亦然?？偠灾?，由于裝機高度和揚程等各種因素，總一泵、總二泵、總?cè)盟艿降哪p是遠大于總四泵、總五泵、總六泵的。

4.2 水流中含沙量和顆粒的大小

表1中，數(shù)據(jù)顯示總四泵、總五泵、總六泵的裝機高度都較低，按理來說，它們受到的磨損幾乎可以忽略不計，但其仍然出現(xiàn)了不可忽視的磨損，究其原因，是這三個水泵中輸送的水流含沙量過大，以及沙子的顆粒也不小。水流流通，加之沙石流過，造成磨損是意料之中的情形，但令人焦心的是惡性循環(huán)的發(fā)生，因為水流和沙石造成了磨損，降低了水泵的工作效率，而磨損更加導(dǎo)致了水流輸送的困難，無頭蒼蠅一般在水泵中亂竄的水流進一步損耗了元件，由此形成了一個閉環(huán)，對于高揚程電力提灌泵站水泵的發(fā)展是極其不利的。

4.3 水泵的材質(zhì)

對于水泵的建設(shè)來說，選擇優(yōu)質(zhì)的建設(shè)材質(zhì)是極其重要的。而要想找到最合適的建設(shè)材料，設(shè)計人員可以從水泵建設(shè)當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件和地勢地貌等各方面分析，秉持著因地制宜的設(shè)計理念。因為不適合的材料不僅會降低水泵的輸送效率，更會損害水泵，減少其使用壽命。而彈性較強的材質(zhì)會是設(shè)計師的首選，高彈性對于泥沙流動產(chǎn)生的動能能夠有效地化解和吸收，減少了流動過程中對元件的磨損。

5 高揚程電力提灌泵站水泵空蝕磨損的改善對策

5.1 合理設(shè)定水泵吸水高度

通過調(diào)查會發(fā)現(xiàn)，水泵空蝕磨損出現(xiàn)的一大原因就是其真空值超出了水泵承受的臨界值。因此，只有保證實際裝機高度與設(shè)計裝機高度之間的誤差保持著一定區(qū)間內(nèi)，才有可能有效地減少磨損的發(fā)生的可能。

5.2 選擇適宜的機型

合適的機型能夠有效地減少設(shè)備所受的磨損，要根據(jù)實地的沙石含量、顆粒大小以及揚程等方面的實情選取合適的機型。而對于高揚程電力提灌泵站水泵的建設(shè)來說，最合適的機型應(yīng)該是葉片較厚、出口流速較小的水泵。

5.3 調(diào)整裝機高度

裝機高度更是影響水泵磨損程度的重要因素，裝機高度受到各個方面的影響，例如，機型、需求以及水流的狀態(tài)等，在進行裝機高度設(shè)計時，要充分地考慮各方面的綜合因素，從而盡可能找到裝機高度建設(shè)的最優(yōu)解。

5.4 選用優(yōu)質(zhì)耐磨材料

正如上文所說，高揚程電力提灌泵站的建設(shè)要選擇優(yōu)質(zhì)的材質(zhì)，這對于水泵的使用壽命來說是一個決定因素，越耐磨的材料所建設(shè)的水泵壽命周期就越長。對于水泵螺旋壓水室附件的位置，更要采取高性能的原材料，因為這些部位所受的磨損是最嚴重的。我國現(xiàn)今水泵建造在原材料方面仍然需要改進，因為如今建設(shè)材料大多選用鑄鐵制作，誠然，這種方式所需成本更低，但材料的耐空蝕性較弱，以至于各泵站水泵更換的頻率十分頻繁。對此，鎳鉻合金材料可以納入建造的考慮范圍，因為其在抗磨性能、減少磨損等各方面都有著優(yōu)勢。但替換是遠遠不夠的，要想真正在原材料方面取得進步，最重要的是要加大研究新型優(yōu)質(zhì)材料的力度，創(chuàng)造出最適合水泵建設(shè)的材料。而對于高揚程電力提灌泵站的建設(shè)來說，硬質(zhì)金屬粉末的運用是十分有效的，可以用等粒子噴槍在水泵部件表面噴涂覆蓋，這就起到了保護膜的作用，在一定程度上減少了磨損。

5.5 防空蝕磨損噴涂處理

在高揚程電力提灌泵站的水泵部件表面噴涂硬質(zhì)金屬粉，其本質(zhì)就是為水泵增加一層防護膜。因此，即使是非金屬材料也可以運用到水泵噴涂的過程中，而且非金屬材料比金屬材料更加便宜，噴涂起來操作也更加便捷簡單，例如，改性聚氨酯復(fù)合樹脂，其組成成分主要是環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、石英砂、鐵紅等，再加上增韌劑和稀釋劑等輔助材料的融合，形成了有著強效的防腐蝕性的物質(zhì)，通過涂敷技術(shù)附于水泵外層，可以說復(fù)合樹脂對于磨損的減弱作用效果十分的顯著；而除了噴涂、涂敷技術(shù)，鑲嵌技術(shù)也在預(yù)防磨損中不斷地推廣運用，具體來說，就是將不銹鋼板鑲嵌于水泵部件上，但鑲嵌技術(shù)存在著一個顯著的問題：難度大、成本高。所以，合金粉末也被運用于這一領(lǐng)域，并且逐漸成為處理磨損問題最常用的手段，這主要是因為噴焊合金粉末能夠有效地將水泵表面的金屬的強度強化，從性質(zhì)上改變水泵，而噴焊合金粉末這一技術(shù)的原理很好理解，就是將燃燒乙炔、氧氣后所產(chǎn)生的熱能加以利用，使得合金粉末融合至半熔融狀態(tài)，最后迅速將熔融狀態(tài)的合金粉末噴涂于水泵部件上，經(jīng)過冷卻就形成了一層有效的冶金防護層，噴焊過合金粉末的水泵葉片更加堅硬，但也更有彈性。最后就是HVOF 技術(shù)的使用，這也是一種噴涂技術(shù)，但其實通過氧氣和相關(guān)燃氣的燃燒使得砌體迅速膨脹，產(chǎn)生了高壓，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(guān)部件的表層，與基材共同形成抗腐蝕層。

5.6 合理選用施工材料

施工材料的質(zhì)量也十分重要，對于其管理和質(zhì)檢工作的力度要不斷加強嚴格，以保證安全。一旦施工的材料出現(xiàn)質(zhì)量問題，不能使用事小，嚴重的可能會導(dǎo)致事故的發(fā)生。

5.7 做好運維管理工作

過程是水泵建設(shè)的重點，但不能夠忽略建設(shè)完成后的維護修復(fù)工作，對于泵站內(nèi)的垃圾雜物要及時清理，暢通無阻地輸送管道對于水流阻力的減少十分重要。同時，要每日檢查水流的流向，以確保其運作區(qū)域始終是在高效區(qū)，這對于水流紊亂等問題的規(guī)避十分重要。除此之外，也要注意水流的狀態(tài)，避免過多的泥沙流入水泵。

6 結(jié)語

高揚程泵站水泵空蝕磨損形成所受到的原因是極其復(fù)雜的，并且各個方面都有可能造成極大的危害，不僅無法保證節(jié)能，甚至?xí)黾幽芎?，減少工程效益。因此，應(yīng)注重泵站建設(shè)各個步驟的規(guī)范要求，并且落實每項防范措施，以保證高揚程泵站的可持續(xù)發(fā)展。