單級雙吸離心泵氣蝕的原因及防治措施*

田 浩

（寧夏回族自治區紅寺堡揚水管理處，寧夏 中衛 755100）

離心泵具有性能穩定、操作簡單、維修方便等特點，廣泛應用于工農業和生活領域。人們發現離心泵在使用過程中容易出現氣蝕現象，造成離心泵性能下降，影響離心泵的安全運行。目前，筆者所在泵站共有11臺機組，2018年進行了更新改造。結合實踐調查發現，影響雙吸式單級離心泵平穩運行的主要因素之一是氣蝕，需要研究單級雙吸離心泵氣蝕發生的地方及空泡特性。因此，筆者結合實踐工作詳細闡述單級雙吸離心泵氣蝕的后果及原因，并提出了相應的解決措施。

1 單級雙吸離心泵概述

結合調查單級雙吸離心泵具有以下優點：一是具有穩定性強、方便安裝的特點，可以根據電機的位置而安裝離心泵，提高了離心泵的使用效率。二是維修檢修操作簡單。基于單級雙吸離心泵的結構原理，其在檢修時只需要吊出泵蓋，不需要拆卸管路，提高了維修的效率。三是采取機械或者填料密封，提升了離心泵的工作效率，減少了運維費用[1]。效率和空泡裕度是離心泵技術水平特性的兩個重要參數，它們是相互關聯的。實踐證明如果在設計時，效率指標被高估，那么就會減少多余的空泡量。泵空泡后其揚程性能降低，噪聲和振動明顯較高[2]。當泵損壞嚴重時，泵內流體流動可能中斷，不能正常工作。

葉輪和泵體是泵的關鍵部件，其液壓設計直接影響整個泵的性能。雙吸泵常在吸氣條件下工作，可在無排氣閥情況大范圍內工作，以滿足可變流量的需求。與單級單吸離心泵不同的是，單級雙吸離心泵的兩側有兩個支座，因此其通過葉輪，泵的液壓損失、體積損失和機械損失也不同于單級單吸離心泵。黃道見[3]研究了單級雙吸離心泵的流體模型參數及相關研究成果，提出了單級雙吸泵幾何參數計算方法、體積效應、機械效應，葉輪和泵體，彌補單級雙吸泵的不足，無需自行特殊設計方法。

2 單級雙吸離心泵發生氣蝕的原因

結合調查研究，筆者發現導致單級雙吸離心泵發生氣蝕的原因，主要有以下四方面的因素：一是單級雙吸離心泵自身質量不高，金屬材料抗腐蝕特性有待改良。結合單級雙吸離心泵的工作原理，液體的壓力從泵入口到葉輪入口會呈現逐漸下降的趨勢，其中葉片附近的壓力最低。當單級雙吸離心泵運行時，由于過流部分局部抽送的液體壓力低于當時環境下的氣化壓力，液體就會在該位置發生氣化，從而產生許多氣泡。當這些氣泡隨著液體向前流動時，隨著外部液體壓力的增加，會導致氣泡發生破裂，而氣泡在發生破裂的同時會產生強大的沖擊壓強，形成水擊，不斷撞擊金屬表面，致使金屬表面出現裂縫。嚴重的時候會導致金屬顆粒松弛，甚至造成穿孔。二是單級雙吸離心泵的運行參數設計不合理。通過分析造成單級雙吸離心泵氣蝕的重要因素之一就是由于設計參數不合理，例如，單級雙吸離心泵的葉輪厚度過大增加了液體流速的阻力，容易產生氣泡，從而產生氣蝕現象。三是維修工序不合理，尤其是在使用金屬修補劑方面存在工序不合理的現象，導致單級雙吸離心泵存在機械故障。四是檢修人員的安全意識不高，日常維修保養管理不到位。由于檢修人員缺乏質量安全控制意識，未能及時發現單級雙吸離心泵所存在的細微故障問題，結果導致離心泵出現氣蝕現象。例如，由于單級雙吸離心泵維修管理人員缺乏對蓄水池的清潔作業，導致雜物、淤泥進入到離心泵中，導致離心泵出現運行不暢的問題，從而容易引發氣蝕現象[4]。

通過相關實驗可以驗證，單級雙吸離心泵氣蝕后會產生嚴重的后果：一是提高離心泵的運行噪聲污染水平，導致單級雙吸離心泵容易出現異常振動。單級雙吸離心泵在運行的過程中，如果出現氣體侵蝕就會導致蒸氣泡隨著液體進入到高壓區，從而產生蒸汽凝結、氣泡破裂等現象，當凝結的氣泡消失后就會出現局部真空的現象，導致高壓液體會迅速地沖向氣泡原來的位置，離心泵出現液體介質點之間的碰撞噪聲，結果導致離心泵出現異常振動的現象。二是損壞離心泵的部件，導致離心泵壽命縮短。根據調查離心泵氣體侵蝕會產生系列故障問題，當單級雙吸離心泵出現氣蝕現象后，離心泵在運行的時候不僅會出現水壓故障表征，而且還會出現軸承溫度升高、螺母軸降低、網膜泄漏等故障問題，進而導致離心泵的諸多元部件損壞，縮短單級離心泵的使用壽命。三是降低運行效率。離心泵由于連續動作，影響水流的輸入，致使部分葉輪葉片穿孔，逐漸減少葉輪外徑，導致水量降低。泵由于連續空化侵蝕，導致艙水泵逐漸減少，泵內增壓室形成循環，泵內其他通道表面的局部空化也破壞了局部流。這些因素的累積影響降低了泵的生產效率和增加能源消耗，直接影響了泵的工作效率。四是容易出現安全事故。由于雙吸離心泵的故障缺陷，例如離心泵空泡，先是在葉輪表面出現疲勞條紋，然后表面出現裂縫的凹槽，致使發生嚴重的事故[5]。

3 單級雙吸離心泵耐氣蝕性能的措施

3.1 提高單級雙吸離心泵自身制造質量

為了提升單級雙吸離心泵的運行效率，降低氣蝕的影響，需要提升單級雙吸離心泵的制造質量，主要措施如下：一是優化單級雙吸離心泵的幾何形狀。結合調查影響液體流動的因素比較多，例如葉片的厚度、離心泵葉輪蓋板進口段曲率半徑等等。因此針對造成氣蝕的原因，一方面要適當降低葉片進口厚度，這樣一來可以增加葉片表面的光潔度，減少水力的損失。例如當葉輪進口厚度越薄，其就會越接近流線型，這樣葉片進口的壓力就會降低，從而增強了泵的耐氣蝕性。同時還要適當增加葉輪葉片進口的寬度，通過增加葉輪進口寬度能夠增加葉片的過流面積，從而降低了氣泡的產生，改善水流速度分布的均勻性。另一方面要調整離心泵葉輪蓋板進口段曲率半徑。大曲率的應用會削弱前端氣流轉彎時的流速變化，使流速平穩，改善離心泵的空泡性能[6]。當然還要在單級雙吸離心泵中設置前置誘導輪，這樣可以保證在運行的過程中兩側的壓力保持平衡，并且根據實際情況調整入口真空水平，以此避免氣蝕現象產生。二是要改良單級雙吸離心泵制造材料。選擇具有良好腐蝕特性的金屬材料作為泵部件的加工原料。三是減少泵進口管道的彎曲和閥門，或盡可能擴大管道的直徑，減少管道阻力損失。根據調查當液體被吸入時，由于氣流的收縮，氣流的速度會增加，從而失去壓力。然而，由于流體的方向從軸向向徑向變化，轉彎處的流域不均勻會導致部分壓力損失，所以為了避免出現壓力損失，需要減少單級雙吸離心泵進口管道的彎曲和閥門，以此提升液體的流暢度。當然還要合理調節渠道—進水前池—喇叭口—管道—水泵，使水泵在設計以上的水位上不斷工作，并在必要的工作條件下運行。

3.2 優化單級雙吸離心泵設計參數

優化設計參數可以有效減少氣蝕現象的產生，因此結合多年實踐經驗主要從以下方面進行優化：1）增加葉輪的輸入大小或使用雙錐形葉輪，降低流速通過傳送帶的前端，大大減少泵的空泡。如果條件不允許更換葉輪，則需要通過聯軸器連接電機，將增壓泵感應器安裝在泵的前端，以增加前端的壓力，以避免排氣。2）合理計算水泵殼體的高度，以確定水泵的剩余空腔。目前還沒有明確和公認的葉片數量選擇規則。然而，廣泛的研究表明，為了設計特定的離心泵，使用CFD流程數值模擬方法可以有效地確定葉片的最佳范圍。具體就是要考慮以下因素，一是介質密度。如果泵的輸入低于液體密度，那么泵的輸入壓力越大，泵的空化就越容易，反之亦即，泵的進氣量越高，恰恰相反[7]。二是環境溫度。通常情況下，飽和蒸汽在環境中壓力會隨著溫度的升高而降低，因此，當泵溫度上升時，飽和蒸汽壓力會低于進口壓力，泵會引起空泡[6]。因此在單級雙吸離心泵運行時需要盡可能降低輸送介質的密度與合理控制其溫度，從而減少外部環境對氣體壓力的影響。例如為了避免輸送介質的影響，水利管理部門要做好水質儲存處的清潔作業，避免雜物等進入單級雙吸離心泵中。

3.3 規范維修流程，使用金屬修補劑

做好日常維修保養工作至關重要，由于單級雙吸離心泵的開口主要是密封的，因此其對于空泡日常維修保養的工藝要求不高。具體維修工序為，在對單級雙吸離心泵進行檢修時需要清除掉離心泵表面的油污，然后用鐵絲刷或鐵絲滑輪多次去除銹跡和污漬，直到看到泵表面金屬的顏色。寒冷冬季修理需加熱，通常不超過35 ℃，火焰切割不可能直接加熱[8]。然后再選擇合理的金屬修補劑對氣蝕位置進行修補。在使用金屬修補劑時需要嚴格控制使用環境，為了保證修復質量，維修人員需要將金屬修補劑充分涂抹在需要修復的位置，需要注意的是在修補時要保證涂抹覆蓋高于原面，這樣可以為完成后續工序提供空間。最后完成修補后需要做好觀察、校正，依照規定維修硬化定型；當然如果屬于減振器故障（一般屬于襯墊損壞），則需要更換減振器的襯墊，襯墊高度要比原來高0.2 mm，這樣可以避免減振器與泵體出現較大的縫隙，另外還通過緩沖環和銅墊圈達到預定的密封性，以提高開口和中空平面的密封性，從而滿足修理泵精度和技術的要求。當然除了做好上述舉措之外，還要做好日常檢修工作，尤其是要及時更換腐蝕的元部件，以此降低故障發生，例如在泵水箱和葉輪保護面中使用流線型水表面保護處理（環氧樹脂），這樣可以提高清潔度，減少氣蝕源[9-13]。

3.4 提高設備檢修人員素質

為了降低單級雙吸離心泵氣蝕，相關部門必須要加強設備檢修隊伍的建設，做好相關設備的定期檢修工作：一方面泵站要做好設備維修隊伍的建設工作，提升泵站管理人員的綜合素質。隨著大數據技術在泵站管理工作中的應用，為了滿足泵站管理信息化建設要求，提升泵站管理工作水平。泵站必須要定期組織管理人員學習最新的專業知識，了解單級雙吸離心泵的工作原理及發生氣蝕的原因[9]，以此提高對各種故障的判斷能力。例如泵站要定期組織設備檢修人員學習日常中經常會出現的故障問題，及時根據氣蝕發生前的表面特征而做出相應的防范措施。另一方面泵站管理部門要制定嚴格的維修保養制度，最大程度降低離心泵氣蝕現象發生后的影響。例如當離心泵出現部件損壞時需要及時進行更換，需要注意的是在更換損壞部件時需要采取具有抗腐蝕的新部件。并且相關人員要嚴格按照離心泵使用規范要求做好定期檢修工作，在檢修過程中需要重點關注氣蝕易發位置檢查力度，從而提升離心泵的安全運行。與此同時為了降低因檢修人員不操作規范而導致離心泵出現故障問題的概率，泵站管理部門要加強宣傳，提升泵站管理人員的操作技能[14]。

4 結語

綜上所述，單級雙吸離心泵氣蝕嚴重影響離心泵正常運行，甚至產生故障問題。容易造成離心泵出現噪聲、振動等故障，還會引發安全事故。因此，在單級雙吸離心泵管理維護中要優化單級雙吸離心泵制造工藝，完善離心泵設計參數，合理選擇管道及安裝高度，建立完善的日常維修保養制度，以此規避離心泵氣蝕問題，提升單級雙吸離心泵運行效率。