循環水泵葉輪汽蝕氣蝕原因分析

付軍平

摘要：新能能源有限公司供排水車間循環水站共有10臺循環水泵，作為循環水供水系統中的最重要設備，其承擔的主要任務是，將循環水加壓送往空分、氣化、合成、熱電站系統，換熱后的熱水又經冷卻塔降溫冷卻后，再通過循環水泵升壓送往各工藝裝置，如此不斷進行循環。

關鍵詞：循環水泵 葉輪汽蝕 原因分析

1 水泵的汽蝕現象與危害

1.1 汽蝕形成的過程和表現

離心泵葉輪入口處是泵內壓力最低的地方，當此處的壓力等于或低于工作溫度下被輸出液體的飽和蒸汽壓時，液體就會沸騰汽化，產生大量汽泡。同時原來溶于液體中的氣體也將析出。這些汽泡隨液體流到葉輪內壓力較高處重新凝結，在凝結過程中，由于體積急劇縮小，四周的液體以極大的速度沖向這個凝結空間，使泵內造成沖擊振動和噪音。在壓力很大（可達到10～100MPa），頻率很高的液體質點連續沖擊下，金屬表面逐漸因疲勞而破壞，這種破壞稱為剝蝕。

P4201循環水泵葉輪的汽蝕主要集中在葉片入口部位，汽蝕形狀呈現連續分布的坑狀，且有密集的蜂窩狀，有的部位已被破壞穿孔甚至缺失，葉輪報廢只能更換。

1.2 汽蝕的危害

汽蝕會改變泵內水流狀態，造成流動阻力增加，產生噪音和振動，縮短葉輪使用壽命，而且會使泵的性能下降。

1.2.1 產生噪聲和振動

泵發生汽蝕時，大量汽泡在高壓區連續發生驟然破裂，微細射流的高速沖擊形成了噪聲，汽泡破裂時的沖擊力將使泵組產生很大振動。而P4201這臺循環泵在2008年6月至11月的試車過程及往后的運行中，噪聲極大，振動一直超標，雖然經過多次檢修。一直未得到改善。

1.2.2 對流道的材料造成破壞

當汽泡隨液體流到葉輪內壓力較高處時，汽泡受壓后內部壓強升高，破碎時形成微細射流（速度可達130m/s，壓強可達100MPa）。流道金屬表面在高頻高壓的微細射流作用下，發生疲勞破壞，嚴重時呈現蜂窩狀的空洞。另外，微細射流造成的沖擊還會形成200℃以上的高溫，使流道金屬出現電解現象而產生強烈的化學腐蝕。

2 產生汽蝕的條件與評價方法

2.1 泵產生汽蝕的條件

在泵系統中通常用汽蝕余量（NPSH）表示泵汽蝕性能的好壞，汽蝕余量又分為裝置汽蝕余量（NPSHa）和泵汽蝕余量（NPSHr），它們是兩個性質不相同的參數。NPSHr由泵本身的特性決定，是表示泵本身抗汽蝕性能的參數；NPSHa由外界的吸入裝置特性決定的，是表示吸入裝置汽蝕性能的參數。

NPSHr表示在泵進口處單位重量液體所具有超過輸送溫度下該液體的飽和蒸汽壓的富余能量。如果裝置的汽蝕余量小于或者等于泵的氣蝕余量，泵就會發生汽蝕。

2.2 汽蝕的評價方法

泵汽蝕余量NPSHr是由泵自身的結構，如吸水室、葉輪進口部分等的幾何形狀決定的，它的值越小，表示泵本身的抗汽蝕性能越好。至于在某一工況是否發生汽蝕，與泵的幾何安裝高度有關，即泵應該在低于允許吸液高度下運行。

泵的幾何安裝高度=P0/ρg—Pt/ρg—△h—∑h

P4201循環泵泵參數及運行條件為：

P0：當地大氣壓 9×104N/㎡

ρ：液體密度1000kg/m3

Pt：液體飽和蒸汽壓32℃時0.047bar

△h：吸入管路壓頭總損失 按1m計

∑h：泵的允許汽蝕余量8.3m

g：9.81N/kg

代入上式計算，幾何安裝高度為-0.7m，為安全起見，泵的實際安裝高度再降低1m，可取-1.7米。而現場泵的安裝高度位于吸水池液面以下-4.3米，如果泵在標定的工況下運行，理論上不會發生汽蝕。

3 影響葉輪汽蝕的因素分析

按照泵的流體力學分析，是否發生汽蝕取決于泵汽蝕余量和裝置汽蝕余量的差值，即泵的幾何安裝高度高于泵的允許吸上高度是循環水泵葉輪發生汽蝕的主要原因。從設備的檢修角度看，循環水泵葉輪產生汽蝕的主要原因有以下幾方面：倒灌高度不夠造成有效汽蝕余量下降；空氣進入泵內；密封間隙大造成間隙汽蝕；長期偏離設計工況運行造成葉片內流速過快；泵超負荷運行；壓力和流量分布不均，產生汽泡；材質及制造質量；設計等。做如下分析。

3.1流量是否過大

實際運行中，泵循環水量是否超過設計值，由于大流量引起葉輪進口速度增加，從而引起泵進口至葉輪以及進口管路中的壓力降增加，超過汽蝕界限，產生嚴重汽蝕。這一點由于泵出口沒有安裝流量表，只能在額定揚程及電機不過載的狀態下操作運行。根據運行記錄不會出現這種情形。

3.2倒灌高度是否不夠

倒灌高度為吸水池最高液面標高與泵中心線標高的差值，隨著液面降低，倒灌高度會減小。如果倒灌高度的減小超過界限，從而引起泵葉輪的汽蝕。根據上述計算及日常運行液面高度（7.2m），不會發生這種情形。

3.3水泵的運行時間是否過長

查運行記錄，自2008年6月27日試車至今，共運行3167.5小時。

3.4是否空氣進入泵內造成葉輪汽蝕

如果輸送的介質中富含空氣，在較低壓力下較易揮發，會大大降低吸入口狀態的真空度，汽蝕現象同樣發生，這是泵發生汽蝕的主要原因。循環水中氣體的來源主要有以下幾個方面：循環水在冷卻塔冷卻的過程中，夾帶了大量的過飽和空氣；吸水池中旋渦帶入的空氣；軸封漏氣，循環水泵兩側的軸封各設有水沖洗裝置，用以冷卻填料和防止空氣進入泵內。采用傳統填料密封的循環水泵，填料對泵的磨損較大，隨之間隙增大，密封效果變差，空氣在大氣壓力作用下進入葉輪進口低壓區，并隨水進入高壓區沖擊葉輪造成機械剝蝕而產生汽蝕。

3.5材質問題

在不能完全避免汽蝕現象發生時，應采用抗汽蝕材料制造葉輪，一般來說，零件表面越光，材料強度和韌性越高，硬度和化學穩定性越高，則材料的抗汽蝕性能越好，該泵的材質為HT250，屬一般材質，而且加工精度并不高。

3.6設計問題

是否在葉輪進口直徑、葉片進口寬度、葉片進口邊的位置和形狀等設計上存在問題。

3.7化學腐蝕

此外，含有氯離子且偏堿性弱腐蝕的水質，也會加速對葉輪汽蝕的腐蝕。

4 分析結論

按上述方法，根據試車、運行及檢修的角度分析，我們認為造成P4201循環水泵葉輪嚴重汽蝕破壞的原因為：

4.1表現在兩個方面：一是試車時，在額定揚程下，電機電流過大，超載，連續跳車3次，當時在檢修時將葉輪直徑從850切割至820；另一方面，試車、運行過程中，該泵的噪聲和振動一直都很大，沒有達到合同技術附件中要求的標準及國家有關規范，說明泵在實際運行中偏離了泵的性能曲線，從一開始，汽蝕現象就很嚴重。

4.2材質抗汽蝕性能差，該泵葉輪材質為HT250，材料強度、韌性、硬度和化學穩定性差。且加工精度不高，葉輪表面粗糙。

4.3水質不好。該泵在2009年化洗預膜時運行時間較長，由于水中腐蝕性藥物及運行中氯離子、偏堿性弱腐蝕性水質聯合作用造成腐蝕破壞。

4.4軸封填料泄漏大，有可能漏入空氣。

5提高水泵抗汽蝕性能的措施

5.1葉輪流道內刷涂環氧樹脂；

5.2葉輪采用抗汽蝕性能較好的鑄鋼、1Cr18Ni9Ti等不銹鋼；

5.3提高葉輪表面光潔度；

5.4改善填料密封效果；

5.5把各項防汽蝕措施落實到現場運行規程和運行管理、檢修管理、設備管理工作中。消除產生汽蝕的環境，在操作中確保吸水池水位高于限值。

參考文獻：

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