浅谈水泵气蚀的危害及预防措施

浅谈水泵气蚀的危害及预防措施摘要本文简述了离心式水泵发生气蚀的原因、危害，讨论了预防气蚀的理论措施，结合实际应用情况，提出了防止和减轻气蚀的几点意见，建议正确确定水泵高程，要有良好的进水条件及水泵叶轮表面进行喷涂处理等。关键词水泵气蚀危害措施宝钢集团新疆八钢1750mm热轧水处理系统根据工艺划分为以下几个系统：加热炉及间接冷却循环水系统，简称A系统；层流冷却循环水系统，简称B系统；直接冷却循环水系统，简称C系统；污泥处理系统，简称D系统。加热炉循环水系统主要供加热炉炉门和横梁的冷却水，使用后的水仅水温升高；间接循环水系统主要供主电室马达通风、液压站润滑系统、空调等设备的冷却水，使用后的水仅水温升高。层流冷却循环水系统主要处理带钢层流冷却用水，使用后的水不仅水温升高，而且含有少量的氧化铁皮和废油。直接冷却循环水系统主要处理轧线的直接冷却水和冲氧化铁皮水，使用后的水不仅水温升高，而且含有大量的氧化铁皮和废油。污水处理系统主要处理A、B、C系统的过滤反洗排水，以及轧机装置排除的泥浆水。层流的P203旁滤水泵组在调试时，发现流量逐步达不到设计要求，与上海东方泵业厂家联系，厂家加工了新的叶轮对此进行更换，在更换原叶轮时，我们发现才运行约两月的叶轮气蚀严重，就此问题对其他运行的各厂水泵也进行打开检查，发现P102、P201、P301、P302泵组在不同程度上都存在气蚀现象。为保证不影响热轧生产，对水泵的气蚀原因进行分析查找，首先将水泵顶端的放气阀每小时进行排气，对更换的新叶轮进行跟踪观察；将新到的叶轮进行表面喷涂，来增加表面强度；将原水泵叶轮的灰铁材质改为不锈钢材质；经过以上处理，汽蚀速度有所减轻，但还未能根除，在有关专家的指点下，我们将P301系统水泵的进水管全部连通，因为P301系统水泵开3备一，这样来增大吸水口，从而减小汽蚀的可能性，取得了一定的效果；另外我们在运行中，又采取提高吸水池液位，也取得了一定的效果。离心式水泵如果在设计、安装或使用不当，就有可能发生气蚀，一旦出现气蚀现象，性能就会下降，出水量减少，叶轮损坏加速，还会伴随有振动和噪声等，严重时甚至使水泵无法工作，所以应避免泵发生气蚀。针对热轧薄板厂循环水泵，由于泵内发生气蚀，造成不能正常工作，经过采取措施改善了气蚀问题。一、水泵气蚀的形成离心式水泵在许多工程中广泛应用，但在实际应用中，由于对泵的理论性能了解不够，认为泵的扬程越大，安装高度就越大。结果造成泵经常发生气蚀，影响泵的正常工作。据物理学知，当液面压强降低时，相应汽化温度也降低。例如：水在一个大气压下的汽化温度为100℃，当水面压强降至2431.2Pa，水在20℃时开始沸腾。开始气化的液面压强叫气化压力（Pv）。如果泵内某处的压强（Pk）低于该处液体温度下的气化压力即Pk＜Pv，部分液体就开始气化形成气泡，发生气蚀。气蚀又称空蚀，是水利机械中的异常现象，是由于水中的气化而引起的剥蚀作用。水和气是可以互相转化的，转化的条件是温度与压力。水在水泵流道内流动，流道内的水流压力是不断变化的，在吸水口处压力最低，达到500～600mm汞柱，等达到了水在该温度下的气化压力，部分流道的水就开始气化，气化的结果是使水流中产生许多气泡，气泡中充满了水蒸气和由于进口处产生漩涡而夹带着大量气体进入水泵叶轮室，气泡随着水流的流动，就会像无数个子弹头一样，频率很高地连续不断击打叶片和叶轮外壳的金属表面，使金属产生局部疲劳现象，在最薄弱部分晶粒首先剥落，产生凹痕，凹痕的产生使应力更加集中，然后坚固的晶粒也随着剥落，这种破坏不断恶化致使水泵的叶轮和叶片表面呈现蜂窝状。同时在气泡中还夹杂着一些活泼气体、如氧气等，借助气泡凝结所释放的热量可使局部温度升到200～300℃，对金属表面起电化学腐蚀，更加快了金属破坏速度。产生气蚀的其他原因还有：流道表面不光滑，粗糙、叶轮淹没深度不够，机组长期在低的水位输水运行，前池蓄水容积较小，进水口处的水面有漩涡产生，输水运行条件复杂及土建、机械设计不合理等许多因素，使叶片和叶轮外壳出现气蚀现象。总之，气蚀的产生比较复杂，需要进一步结合实际工程加强研究。二、气蚀的危害1.气蚀使水泵性能下降。水泵发生气蚀时，因水流中含有气泡，引起水泵工作性能的变化。此变化对不同比转速的水泵有不同的特点。对低比转速的离心泵，由于其叶槽流道狭长，宽度较小，气蚀刚开始时，气泡占据一定的槽道面积。水泵的扬程、功率和效率开始下降，但对泵的正常工作没有明显的影响。而当气蚀发展到一定程度时，气泡大量产生并迅速扩展到叶槽的整个宽度，使水流的连续性遭到破坏，水泵的扬程、功率和效率急剧下降，最后水泵停止出水，如图1-1（a）所示：离心泵发生气蚀时的性能曲线，开始缓慢下降，到某一流量时Q-H、Q-η、Q-N曲线突然急剧下降。对中、高比转速的离水泵和混流泵，由于叶槽较宽，气泡占据叶槽断面的某一部分，因此出现Q-H曲线较平坦的下降，Q-η曲线的下降也较为缓慢，如图1-1（b）所示。对高比转速的轴流泵，由于叶槽粗短、叶片流道宽阔，气蚀发生后，叶槽中总有部分槽道的压力大于气化压力，气蚀区不易侵入整个叶槽，因此Q-H曲线是逐渐降低的，没有急剧变化的阶段，只是Q-η曲线有较为明显的下降趋势。如图1-1（c）所示。（1）过流部件的剥蚀。众所周知，气蚀对水泵过流部件的破坏是比较严重的。当水泵在气蚀条件下运行相当长时间后，工作轮叶片上会出现点蚀，这时金属损失的数量与工作轮材质及气蚀的严重程度有关。当气泡从液体中离析并被水流带到高压区后，由于气泡四周的水流质点高速成向气泡中心运动，这些气泡如果在金属表面附近破裂或凝结，则会于瞬间产生强烈而连续反复的水击。金属表面在这种高压力、高频率的水击作用下，逐渐产生疲劳而遭到破坏。气蚀发展到一定程度时，气泡大量增加，过流表面的材料遭到剥蚀后产生麻面，凹凸不平，使原表面形状遭到破坏，甚至造成叶片的断裂。（2）气蚀噪音和振动。在气泡破裂和凝结时，随着产生的压力瞬时周期性的升高和水流质点彼此间的撞击以及对泵壳、叶轮的打击，使水泵产生强烈的噪音和振动。其振动可引起机组基础或机座的振动。当气蚀振动的频率与水泵固有频率接近时，还会引起共振。水泵越大，噪音和振动越大，强烈的振动会使机组零件和机房结构遭受破坏。三、对防止和减轻气蚀的几点意见为了防止和减轻气蚀现象的发生，除了从水泵构造及制泵材料等方面加以改善外，水泵在运行时应采取以下措施：1.正确确定水泵的安装高程。在设计泵站时，应使离心泵叶轮进口处的吸上真空度小于其允许值，使轴流泵的有效气蚀余量大于该泵的允许气蚀余量。在设计、安装已成事实时，可在泵组运行时，以提高运行的水位，来防止和减轻水泵的气蚀问题。2.尽量减少进水管路水头损失。应尽量缩短进水管路的长度，减少管路的附件，适当加大进水管的直径。在设计、安装已成事实时，将泵组（开三备一）的进水管，用钢管连通，来适当加大进水量。3.要有良好的进水条件。进水池的水流要平稳均匀，不产生漩涡。大中型水泵的进水流道要设计的合理，进水叶轮的水流速度和压力要分布均匀，避免漩涡发生。4.吸水侧补气。在水泵吸水侧补入少量空气，可以消除和减轻初生气穴所产生的噪音和振动，并减少气穴区的真空度。补入空气量为流量的0.1%时对泵效率无影响，对减少气穴现象的效果很显著，补入空气量较大时，对泵效率影响很大。5.调节工况。在水泵运行过程中，用调节水泵工作点的方法可以减轻气蚀，对于离心泵适当的减少流量，使工作点向左移动，增大水泵吸上真空值，对于轴流泵可调节叶片安装角，使工作点移到水泵气蚀余量值较小的区域。6.调整转速。在满足各种工艺参数的前提条件下，适当降低泵的转速可有效降低叶轮进口的平均流速和叶轮进口出处液体的相对速度，从而减少必需气蚀余量，进而减少泵气蚀的可能性；不仅如此，适当降低泵的转速还能收到显著的节能效益。最好加装变频器，在满足生产需要的前提下，降低转速，减轻气蚀。7.提高加工工艺，采用抗蚀材料。在水泵叶片表面打磨粗糙、光洁度不够、波纹不标准、叶片出水边厚薄不均，都会加速气蚀破坏。另外，叶片毛坯质量和材质差（例如夹砂、气孔、裂缝等）也都加剧了气蚀。因为粗糙的过流表面大大增加汽穴发生与溃灭的概率，而且气泡在金属颗粒缝隙中溃灭比在金属表面产生更大的破坏性。因此为了提高抗蚀性，必须提高水泵的加工工艺，在发生气蚀的部位涂一层环氧树脂或喷涂一层不锈钢料，也可采用不锈钢材质、整体浇注叶轮和叶轮室的制作法，可提高叶轮表面的抗气蚀性能，减轻叶轮表面被气蚀破坏的程度。金属材料耐气蚀的顺序为：锡铬钴合金、奥氏体不锈钢、镍铬合金钢、镍铝青铜铸造物、铸钢、锻钢、青铜、铸铁、铝。我厂的离心泵叶轮陆续更换成了耐冲刷、耐腐蚀的2Cr13不锈钢，后又更换成316L材质的叶轮，经使用有一年半时间，抗气蚀现象效果很好。8.其他方法。采用降低汽化压力即降低温度等方法也是有效的，因为液体本身的性质和状态对于气蚀的发生与否也有很大关系，液体的温度越高、挥发性越大，其饱和蒸气压就越高，这种液体也就会更早发生气蚀。因此，输送的介质温度尽可能低些，以降低饱和蒸汽压。从而减少气蚀机会，对保障设备正常运行和生产稳定也能起到很大的作用。参考文献[1]周谨仁.流体力学、泵与风机（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社,1987.[2]《离心泵设计基础》编写组.离心泵设计基础[M].北京：机械工业出版社,1974.[3]武汉水利电力学院.水泵及水泵站[M].北京：水利出版社,1981.