減輕在役泵汽蝕破壞的方法

汽蝕是液力機械中常見的故障之一，由于進口池或管路設計不合理，以及未充分考慮大氣壓、溫度、介質氣化壓力的變化等常常因為汽蝕而引起泵的過早失效。 已經安裝服役的泵幾乎沒有辦法完全克服泵本身汽蝕性能差造成的汽蝕破壞（《泵手冊》第一分冊）。
本文將主要介紹減輕在役泵汽蝕破壞的方法，這些方法在實際應用中均取得了明顯的效果。 


一、汽蝕的產生原因汽蝕是由液體汽化引起的，液體分子逸出液體表面，成為氣體分子的過程，稱為“汽化”。 


    液體的汽化程度與壓力的大小、溫度高低有關。溶解于液體中的氣體，在壓力和溫度變化時也會釋放出來，形成汽穴。當液體內部壓力下降，低于液體在該溫度下的飽和蒸汽壓時，在局部區域形成汽泡或汽穴；而在壓力升高的地方汽泡突然被四周的壓力壓破，液流因慣性以極高的速度向汽泡的中心擠壓，對設備造成水力沖擊。這種微泡的產生、潰裂以及對過流表面產生物理和化學作用的整個過程稱為汽蝕。如果液體中不含任何雜質，即使在壓力很低時也不會發生汽蝕。國外的汽蝕研究者通過試驗認為，超高純水的抗拉強度（即產生空穴的極限）遠遠超過通常的金屬材料的抗拉強度。但通常的液體中總是含氣體或固體，這些雜質成為汽蝕核子，在一定條件下誘發空穴的發生。含砂水流由于水與砂的比重不同，砂粒運動軌跡與流線脫離，可能會加速汽蝕的發生。筆者在論文“泥漿泵的汽蝕及抗磨抗汽蝕材料” （《潤滑與密封》1993）中進行了詳細介紹。 

二、在役泵的汽蝕診斷方法泵的使用者通常無法利用制造廠流量一定時揚程的下降來判定汽蝕是否發生的方法。 


    在役泵是否發生汽蝕，除在汽蝕破壞后觀察法外可以采用
（1）超聲波法；
（2）泵體外噪聲法；
（3）振動法等方法判斷。


    觀察法：破壞表面觀察法是在事后觀察方法，根據破壞的表面形狀來進行判斷。由于汽蝕、鑄造氣孔、沖刷磨損、腐蝕等均會造成金屬表面形狀與理想形狀的不同。汽蝕破壞的金屬表面通常顯現蜂窩狀，它是由局部高速水打擊金屬而使金屬表面疲勞破壞，所以蜂窩孔一般是與外部相通的，大多數的坑槽與金屬表面垂直。鑄造缺陷的疏松往往深藏在金屬內部，有時由于水流的沖刷將金屬內部的疏松、氣孔呈于表面而誤認為是汽蝕，但當我們用機械的方法繼續去處表面時會發現其內部仍有氣孔。沖刷磨損痕跡往往出現與水流方向相同的溝槽，但要注意有時有水流旋渦。噪聲法：泵體外噪聲法比較簡單，可以不與泵體接觸。但由于噪聲法受周圍環境噪聲的影響較大，當顯示其強度最高時。一般水泵汽蝕已達到非常強烈的階段，這時人耳已能通過強烈的汽蝕爆裂聲判別汽蝕工況。因此，泵體噪聲法不太適合現場監測汽蝕的發生。振動法：這種方法是通過加速度計探頭測量泵體振動頻率的一種方法，方法簡單，但靈敏度較低。特別對于大泵，泵體剛度大。對泵內局部汽蝕引起的汽泡潰裂所產生的激振反應遲鈍，同時，泵上振源較多。由于汽蝕引起的振動常被掩沒在其它振動之中。因此，振動法只適宜作為現場監測汽蝕的輔助手段。超聲法：超聲波法測量汽蝕方法簡單，調試方便，且不受其它環境噪聲的干擾，對汽蝕的發生和發展敏感性強。因此，作為泵站現場監視汽蝕是一種比較理想的方法。另外，撫順石油學院化工機械研究所趙會軍介紹了用電測法預測離心泵汽蝕性能(《石油化工高等學校學報》1997)。  

三、減輕在役泵的汽蝕破壞的方法： 


    1、進水池在使用現場，對發生汽蝕（包括其它故障）的泵查看進水池的流動狀況是十分必要且又方便易行的。如果池表面能看到強力的旋渦，應該考慮加破渦板。另外，管口與進水池的幾何尺寸也應注意。如：管口離池壁的距離是否合適，是否有氣泡進入泵吸入管。注意水池水位是必要的，抬高進水池水位可以減輕甚至徹底阻止汽蝕的發生。解臺泵站對進水口改造，汽蝕浸蝕減少45%左右。齊魯石化的劉克旺、孫敬河等人在循環泵進口添設破渦板后泵的汽蝕不再發生且流量從不穩定的8500、8000m3/h分別提高到穩定的9700、8200m3/h。 


    2、進水管路進口管路的設置除應該盡量使管路損失小（如盡量少的彎頭和不必要的閥門）外，讓進水管不得有高于泵進口的部位以防止管內積氣。 1995年赤水天然氣化肥廠在循環泵進口橡膠膨脹接為1000mm，而管子為800mm。為此增加了放氣管，解決了由于其阻造成的壓力下降，解決了汽蝕問題。 


    3、調整泵流量新疆電力設計院王衛東建議由于我國采用的原阻力計算公式來源于原蘇聯，其阻力計算值比實際的大，阻力計算宜采用新公式進行。否則，泵在大流量運行容易發生汽蝕(《西北電力技術》2000)。在水泵設計選型與實際有一定的偏差時，水泵產生汽蝕和經濟運行可以通過切削葉輪來加以解決，以期達到消除汽蝕，運行經濟的目的，實踐證明，這種方法確實行之有效。 


    4、利用引射結構噴射裝置在原理上相當于液-液噴射泵。在泵的出口處引出一高壓水引到如圖所示的高壓水室內，高壓水通過環形噴嘴進入泵的吸入管內。高壓水與吸入管內的水混合、交換能量，混合后的混合水能量相對于原吸入管的水能量增加，從而滿足泵進口所必須的汽蝕余量。浙江大學的吳昱等人對此進行了介紹(浙江大學碩士學位論文2003年)，論文中介紹了引射裝置的引回流量宜控制在2%-5%之間。張德煌老先生在長沙曾采用過類似方法對100口徑的多級泵進行試驗，取得了明顯效果。其方法是用1/2的管將平衡盤后的水引至泵進口，泵系統的裝置汽蝕余量降低了0.5~0.8m。武漢大學的郭迪龍等人介紹了一種射流－離心泵裝置。這種裝置相當于射流泵與離心泵串聯工作，對大吸程的泵十分有效，但一般不適合于在役泵的改造。 

5、進口補氣補氣的方法并不能防止汽蝕空穴的產生，但適當補氣會減輕空穴破裂時產生對流道邊壁的破壞，補入的氣體象一層保護流道邊壁的海綿。這種方法在水輪機等中普遍采用，但向泵內補氣由于補氣量難于掌握使用非常少。武漢水利電力學院孫壽、顏錦文對補氣防水泵汽蝕進行了研究并取得了一定效果，但同時指出：補氣防治水泵汽蝕，技術性很強，只有補氣流量、補氣位置和補氣方式恰當，才能取得好的效果。否則，會使泵的流量、揚程和效率下降很多，引起不良后果。

6、采用抗汽蝕材料不同的材料抗汽蝕能力有十分明顯的區別。影響材料抗剝蝕能力的因素很多，通常具有高硬度和高彈性的材料抗剝蝕能力較強。國外推薦低碳鉻鎳合金鋼，如13Cr4N作為在汽蝕狀態下工作的水力機械材料，具有較好的抗剝蝕性能。鄭州機械研究所陳巖進行了不同材料抗汽蝕性能的比較(《熱加工工藝》2000)，結果如下表材料 HT200 QT400-15 QT600-3 ZG230-450 ZG310-570 失重mg 961.4 737.1 481.1 241 155 試驗時間h 15 材料 ZG40Cr ZG20SiMn ZG1Cr18Ni9Ti ZG0Cr13Ni4Mo ZG0Cr13Ni6Mo 失重mg 139.9 122.2 71.5 40.2 25.2 試驗時間h 15 30 長沙水泵廠的朱旭仁提供的資料，其材料與汽蝕失重見下表材料 HT200 QT600-3 ZG310-570 18-8 失重 148.3 76.5 33 16.3 對無法避免汽蝕時采用耐汽蝕材料是有效的。如：凌城泵站對7#和10#機組，葉輪室將原鑄鋼換為不銹鋼，運行幾年未發現其實破壞斑痕。武定門站將鑄鐵改為QT42-10，使用壽命提高2倍以上。解臺泵站用鑄鐵與銅對比,銅葉輪抗汽蝕效果明顯。 


    7、葉輪保護層對葉輪涂層的方法比較常用，非金屬涂料涂敷采用環氧樹脂、尼龍粉、聚胺脂等。在流道表面堆焊合金或噴涂合金的方法在對汽蝕破壞也取得了一定效果，如不銹鋼焊條堆焊法、不銹鋼板鑲焊修補法、合金粉末噴焊。就非金屬和合金（包括不銹鋼）的幾種方法比較。非金屬涂層方式經濟，但應當對其操作工藝嚴格控制，以防止涂層脫落的現象。采用合金粉末噴焊效果好但成本高，且有些地方可能無法進行。如：某泵站采用金屬合金粉末噴焊處理的葉片，取得了較好的抗汽蝕效果，使用壽命可延長。中國長城鋁業公司郝百順用H-l對泵葉輪進行了耐汽蝕磨損涂層的應用研究。引灤工程大張莊泵站原泵汽蝕嚴重，采用柔軟陶瓷復合材料修復經過4年4000h的輸水檢查未發現汽蝕破壞。水利部松遼委察爾森水庫管理局王明臣介紹了TS216耐磨修補劑在水輪機轉輪抗氣蝕中的應用效果良好。連云港幣自來水公司馬援東采用激光熔覆方法對鑄鐵和鑄鋼處理后，抗汽蝕性能分別是噴焊工藝處理的1.3和1.5倍。 


    8、修整葉片頭部修整葉輪頭部對降低葉片進口的水流速度，減小葉輪進口排擠，提高泵的抗汽蝕能力是有效的。實踐證明盡管進口葉片減薄，在汽蝕環境中常常葉輪壽命更長。一般修整葉輪頭部是葉片頭部背面修薄，在靠近葉輪前蓋板多修一些。 2001年長沙水泵廠對流量5040m3/h，揚程17.5m的泵進行修整（同時對喉部修整），經試驗發現汽蝕余量下降0.5左右。