離心泵發生氣蝕的危害與對策

薛為亮

（射陽經濟開發區安監站，江蘇鹽城 224302）

0 引言

離心泵是一種依靠葉輪旋轉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、使用時間長等優勢，目前已廣泛應用在化工、環境保護、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、穩定性得到人們越來越多關注。研究發現離心泵在使用過程中易發生氣蝕現象，從而降低離心泵性能，制約離心泵應用作用發揮，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，保障設備長效穩定運行。

1 離心泵發生氣蝕現象的原因

離心泵主要有泵體、泵軸、葉輪、軸承、填料函、閥門等構成[1]。運行前離心泵泵內需要充滿液體，通電后在軸承轉動作用下使葉輪旋轉，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，在高壓作用下被瞬間壓碎，流體質點高速度撞擊葉輪或泵殼，使其出現麻點、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象。

導致離心泵發生氣蝕現象的因素有許多，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，其外部結構參數多為固定參數，但內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等均會誘發氣蝕現象。基于既有經驗歸納總結，發現離心泵氣蝕的發生可分為氣蝕孕育、氣蝕上升、氣蝕穩定以及氣蝕下降等階段，而各階段持續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。包括離心泵使用環境因素、離心泵安裝因素、輸送介質因素、離心泵操作因素等。多數實踐證明，外部因素類型較多且是導致離心泵發生氣蝕的主要因素：低負壓環境與高溫環境容易增加離心泵氣蝕發生概率；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，導致氣蝕現象發生；離心泵性能測試過程中多利用20 ℃清水為輸送介質，如果離心泵實際應用中輸送介質密度大于清水，則會降低離心泵的允許安裝高度，提高氣蝕現象的發生概率；在離心泵啟動前未關注其所處狀態或做好設備檢修工作，也會增加氣蝕現象發生的概率。

例如，某企業建成投產運行6 個月之后，出現生產用水嚴重不足問題。在對現場內設備進行安檢時，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現這一問題，針對供水不足現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 離心泵發生氣蝕現象的危害

離心泵氣蝕危害是明顯的，尤其是在離心泵廣泛應用的現階段。其危害主要體現在以下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后，發生蒸汽凝結、氣泡破裂現象，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，會使離心泵出現爆豆似的噪聲。同時，這還會使離心泵發生異常振動，降低其運行穩定性。

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，出現停機故障

離心泵使用過程中，泵內液體運動存在一定規律，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生氣蝕后，泵內介質能量交換勢必發生改變，從而對離心泵性能產生不利影響。例如，氣蝕能夠降低離心泵葉輪轉速，加之氣泡隨著液體在流道內運動，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，嚴重時甚至出現斷流、停機故障。

圖1 離心泵特性曲線

3 防止離心泵氣蝕現象的對策

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

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，或改變葉片進口的形態、使其近似于流線型，以增加介質進入面積、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，要盡可能保證兩側壓力平衡，使液流同時進入并根據離心泵揚程需求調整入口真空水平，降低進口流速，規避氣蝕現象。

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

（5）有效增加離心泵有效汽蝕余量，降低泵進口動壓降。通常在離心泵轉速、流量等參數確定后，離心泵的泵進口動壓降受葉輪幾何外形影響較大，因此可通過改變葉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、化學穩定性強等材料為主。也可以根據離心泵應用要求，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，離心泵發生氣蝕風險發生概率越低，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定性、安全性、可靠性和長久性。

（1）離心泵的氣蝕現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為20 ℃清水。而輸送介質濃度也是影響離心泵氣蝕現象發生的關鍵因素。對此，離心泵安裝過程中，需根據離心泵運營環境，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象發生。

（2）當輸送介質為水時，應保證水流速度平穩，能夠順利進入且不會在離心泵內產生逆流、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定性。

（3）輸送介質為其他液體時，應盡可能降低輸送介質的密度、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象的發生。

（4）加強管控離心泵運行參數的力度。在使用離心泵時，相關部門以及工作人員可根據離心泵運行具體情況科學、合理調整離心泵參數，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，應盡可能降低運轉速度，以減緩離心泵氣蝕現象的發展速度，便于設備維護人員在氣蝕孕育階段發現氣蝕并進行氣蝕現象的早期處理。

（5）針對離心泵氣蝕現象制定科學且完善的日常維修養護方案，最大限度降低離心泵氣蝕現象發生后的影響，減少企業設備消耗，提高離心泵應用綜合效果。在此過程中，可根據離心泵振動情況、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，維持離心泵穩定與安全運行。定期對離心泵進行大規模檢查，在檢查過程中加大氣蝕易發位置檢查力度，以便準確、全面、有效了解離心泵氣蝕程度，進行針對性維修養護處理。

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

4 結束語

綜上所述，離心泵易受使用環境、運行壓力、輸送介質等因素影響發生氣蝕現象，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、規范操作、有效維護等降低離心泵氣蝕現象的發生和影響。