礦用離心式排水泵汽蝕及其防治修復(fù)的探究

薄一龍

（同煤國(guó)電同忻煤礦有限公司， 山西 大同 037000）

引言

煤礦生產(chǎn)過(guò)程中需要大量的排水工作，為了滿足高揚(yáng)程和大流量的要求，大多采用離心式排水泵。但由于工作環(huán)境復(fù)雜，受到各類因素的影響，水泵在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象，會(huì)對(duì)水泵內(nèi)葉輪和各過(guò)流表面造成損傷，甚至造成表面變形和疲勞，并伴隨著噪音和振動(dòng)現(xiàn)象，降低了水泵的運(yùn)行效率[1-2]。

1 排水泵汽蝕現(xiàn)象及分類

1.1 排水泵汽蝕現(xiàn)象

汽蝕現(xiàn)象主要是由于泵體內(nèi)部流體壓力低于飽和蒸汽壓力，部分水出現(xiàn)汽化現(xiàn)象形成氣泡，體積上出現(xiàn)膨脹，隨水流流動(dòng)到泵體高壓區(qū)域，受到壓力作用，氣泡重新凝結(jié)為液體，由于負(fù)壓作用導(dǎo)致水流向該處匯集，形成沖擊或水錘現(xiàn)象，作用在水泵葉輪上。長(zhǎng)期作用下會(huì)對(duì)葉輪和水泵的流道表面造成金屬疲勞，使表面出現(xiàn)蜂窩狀孔洞以及表面金屬的部分剝蝕，同時(shí)氣泡攜帶的氣體本身也會(huì)對(duì)金屬表面進(jìn)行氧化，對(duì)葉輪和流道表面進(jìn)行腐蝕。離心泵水流低壓區(qū)通常位于第1級(jí)葉輪入口處，而汽蝕造成的沖擊力非常高，沖擊頻率能夠達(dá)到每秒2萬(wàn)次以上[3-5]。

1.2 排水泵汽蝕分類

1）葉片汽蝕。離心式水泵最為常見的損傷類別為葉片汽蝕，主要受到水泵安裝高度或流量偏移因素的影響，損傷區(qū)域分布于葉片正面、背面和前蓋板等部位。葉片汽蝕正面受到的損傷多數(shù)為小的淺坑或微小汽蝕孔，并呈沿進(jìn)水邊向外擴(kuò)散，水泵流量較大時(shí)葉片正面損傷較多，而小流量時(shí)背部損傷會(huì)明顯增加。

2）間隙汽蝕。該類汽蝕現(xiàn)象的損傷多數(shù)位于葉片外邊緣，呈現(xiàn)出圈狀，損傷面為蜂窩麻面狀。該類汽蝕發(fā)生主要由于水泵的低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，流體經(jīng)過(guò)離心泵的回流槽處，水流通道變窄，流體速度加快但壓強(qiáng)相對(duì)下降，造成汽蝕損傷。

3）渦旋汽蝕。排水泵前段的水倉(cāng)、進(jìn)水池等處設(shè)計(jì)不當(dāng)，水泵進(jìn)水口處水流紊亂，渦流攜帶部分空氣進(jìn)入泵體，這類汽蝕狀況會(huì)呈現(xiàn)周期性，水泵內(nèi)形成的渦帶會(huì)造成葉片的表面損傷，并集中在葉片低壓區(qū)域。同時(shí)漩渦旋轉(zhuǎn)方向與水泵內(nèi)水流正常旋轉(zhuǎn)方向不同對(duì)水泵造成影響也不相同，當(dāng)兩者方向相同，相對(duì)運(yùn)動(dòng)較弱，對(duì)于離心泵而言，功率會(huì)下降并出現(xiàn)欠載；方向相反時(shí)，流體相對(duì)速度高且流量大，離心泵可能會(huì)出現(xiàn)超載[6-8]。

2 排水泵汽蝕不發(fā)生的條件

水泵在垂直方向上和水面間高度差被稱為吸水高度，能夠維持水泵將水抽離的最大吸水高度為最大吸水高度，受到大氣作用下吸水高度會(huì)＜10 m，即pa/γ=10 m。

水泵吸水維持平衡的公式為：

式中：Hx為吸水高度，m；p0為水面大氣壓力，Pa；p1為水泵吸水壓力，Pa；v1為水流進(jìn)入吸水口的流速，m/s；ΔHx為吸水管壓力損傷，m；γ為水的重度，N/m3。

水泵與水面間的吸水高度增加會(huì)影響水泵入口水流流速，并呈反比。當(dāng)最終水泵泵體內(nèi)第1級(jí)葉輪入口位置的低壓區(qū)域的壓力狀況低于水的飽和蒸發(fā)壓力值后，會(huì)形成氣泡，進(jìn)而產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。為了避免汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生，水泵的安裝位置應(yīng)低于最大吸上真空度的高度，并且應(yīng)確保0.3 m的安全余量。

水泵的真空度可表述為：

式中：Hs為允許吸上真空度，m。

為了避免汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)考慮吸水管路中的阻力損失，并且進(jìn)入到水泵入口處的水流壓力應(yīng)大于蒸發(fā)氣化壓力，我們將水泵輸出的總能力稱之為有效汽蝕余量：

式中：Δhc為有效汽蝕余量，m；pv為液體飽和蒸氣壓，Pa。

水泵發(fā)生的汽蝕存在一個(gè)臨界點(diǎn)，我們稱之為汽蝕余量的臨界值，工程實(shí)際中還需要考慮預(yù)留一個(gè)安全余量，即增加0.3 m的余量。將允許汽蝕余量和水泵吸上高度公式進(jìn)行合成后，可以得出水泵不發(fā)生汽蝕現(xiàn)象的吸上高度：

式中：[Δhc]為允許汽蝕余量，m。

3 排水泵汽蝕的防治措施

根據(jù)上述分析，排水泵發(fā)生汽蝕的性能指標(biāo)，即允許汽蝕余量在設(shè)備生產(chǎn)和安裝完畢后基本固定下來(lái)了，我們?cè)谠O(shè)備安裝過(guò)程中就要保證合理安裝位置來(lái)保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中不發(fā)生汽蝕并保證水泵正常的工作能力。我們還可以通過(guò)優(yōu)化管路和系統(tǒng)，調(diào)整水流沿途阻力損失和速度狀況，整合提高礦用離心式水泵的抗汽蝕能力[9-10]。

1）合理設(shè)置水泵進(jìn)水管長(zhǎng)度和直徑，并減少該管路上不必要的配件，最大減少進(jìn)水前端的管路能量損失。

2）可以通過(guò)在水泵進(jìn)水管路上設(shè)置射流泵或射流泵組合的方式提高主排水泵入口壓力。

3）做好對(duì)管路中各處的密封狀況，尤其在進(jìn)水管階段避免空氣不必要的進(jìn)入。

4）確保水倉(cāng)容積率，保證匯入水倉(cāng)內(nèi)的井下水能夠得到一定的靜置，將水分中的空氣析出，避免吸入水泵內(nèi)。

5）降低水泵葉輪入口處過(guò)流面的表面粗糙度和提高表面加工精度，減少進(jìn)口處的水流局部阻力。

6）在離心泵前端增加誘導(dǎo)輪，提高水泵入口的液體壓力，提高水泵效率，在水泵選型時(shí)減小水泵的尺寸和重量，優(yōu)化排水泵的結(jié)構(gòu)形式。

7）定期使用超聲法、泵體噪音、振動(dòng)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)水泵機(jī)組的非正常工況，并進(jìn)行相應(yīng)應(yīng)急處置。

4 離心泵損傷修復(fù)及表面增強(qiáng)技術(shù)

汽蝕現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致水泵內(nèi)部葉片、過(guò)流表面的各類損傷，使表面出現(xiàn)磨損、蜂窩、麻面、局部變形和金屬疲勞，需要根據(jù)不同情況對(duì)泵體損傷過(guò)流部件表面進(jìn)行處理，提高各過(guò)流部件的抗汽蝕能力。

1）涂層法。對(duì)葉輪等部件的表面附著一層膠狀有機(jī)或無(wú)機(jī)表面增強(qiáng)材料，例如環(huán)氧樹脂、復(fù)合尼龍、聚氨酯等涂層。

2）補(bǔ)焊和焊層。通過(guò)焊接的方式，可直接對(duì)損傷部位進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)，打磨后使部件恢復(fù)表面精度。對(duì)于母體強(qiáng)度較低情況，提前對(duì)易剝落損傷區(qū)域通過(guò)焊接增加抗剝離層。

3）鑲嵌法。一般情況是對(duì)整個(gè)工件進(jìn)行加工，對(duì)部件整體增加一層不銹鋼層，但是多數(shù)情況下受限于費(fèi)用、施工周期。

4）線材噴涂。針對(duì)部分材料無(wú)特殊強(qiáng)度要求和一部分部件受到空蝕情況下，通過(guò)高溫使線狀的不銹鋼絲融化后，在高壓空氣作用下附著在工件表面。

5）合金粉末噴涂。類似精加工配件的表面噴丸法處理，但需要提前在加工工件表面高溫噴焊基層，再通過(guò)特種噴槍在高溫情況下噴敷超薄合金涂層。

6）激光熔敷法。增強(qiáng)性材料以粉狀放置在加工工件表面，通過(guò)激光照射使增強(qiáng)粉狀材料熔化，凝結(jié)后在工件表面形成保護(hù)涂層。

5 結(jié)語(yǔ)

排水泵是礦井排水系統(tǒng)最為主要的設(shè)備，汽蝕現(xiàn)象對(duì)設(shè)備的損傷和設(shè)備效率都會(huì)有很大影響，需要根據(jù)水泵最大吸水高度的要求，合理選擇水泵安裝高度。并通過(guò)增加誘導(dǎo)輪提高設(shè)備入口流體壓力，增加射流泵提高吸入性能等綜合措施降低汽蝕現(xiàn)象的幾率，對(duì)于延長(zhǎng)流體設(shè)備的工作壽命具有實(shí)際意義。