單級(jí)雙吸離心泵氣蝕的原因及防治措施*

田 浩

（寧夏回族自治區(qū)紅寺堡揚(yáng)水管理處，寧夏 中衛(wèi) 755100）

離心泵具有性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、維修方便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)和生活領(lǐng)域。人們發(fā)現(xiàn)離心泵在使用過程中容易出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，造成離心泵性能下降，影響離心泵的安全運(yùn)行。目前，筆者所在泵站共有11臺(tái)機(jī)組，2018年進(jìn)行了更新改造。結(jié)合實(shí)踐調(diào)查發(fā)現(xiàn)，影響雙吸式單級(jí)離心泵平穩(wěn)運(yùn)行的主要因素之一是氣蝕，需要研究單級(jí)雙吸離心泵氣蝕發(fā)生的地方及空泡特性。因此，筆者結(jié)合實(shí)踐工作詳細(xì)闡述單級(jí)雙吸離心泵氣蝕的后果及原因，并提出了相應(yīng)的解決措施。

1 單級(jí)雙吸離心泵概述

結(jié)合調(diào)查單級(jí)雙吸離心泵具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是具有穩(wěn)定性強(qiáng)、方便安裝的特點(diǎn)，可以根據(jù)電機(jī)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(jiǎn)單?；趩渭?jí)雙吸離心泵的結(jié)構(gòu)原理，其在檢修時(shí)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(jī)械或者填料密封，提升了離心泵的工作效率，減少了運(yùn)維費(fèi)用[1]。效率和空泡裕度是離心泵技術(shù)水平特性的兩個(gè)重要參數(shù)，它們是相互關(guān)聯(lián)的。實(shí)踐證明如果在設(shè)計(jì)時(shí)，效率指標(biāo)被高估，那么就會(huì)減少多余的空泡量。泵空泡后其揚(yáng)程性能降低，噪聲和振動(dòng)明顯較高[2]。當(dāng)泵損壞嚴(yán)重時(shí)，泵內(nèi)流體流動(dòng)可能中斷，不能正常工作。

葉輪和泵體是泵的關(guān)鍵部件，其液壓設(shè)計(jì)直接影響整個(gè)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(nèi)工作，以滿足可變流量的需求。與單級(jí)單吸離心泵不同的是，單級(jí)雙吸離心泵的兩側(cè)有兩個(gè)支座，因此其通過葉輪，泵的液壓損失、體積損失和機(jī)械損失也不同于單級(jí)單吸離心泵。黃道見[3]研究了單級(jí)雙吸離心泵的流體模型參數(shù)及相關(guān)研究成果，提出了單級(jí)雙吸泵幾何參數(shù)計(jì)算方法、體積效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)，葉輪和泵體，彌補(bǔ)單級(jí)雙吸泵的不足，無需自行特殊設(shè)計(jì)方法。

2 單級(jí)雙吸離心泵發(fā)生氣蝕的原因

結(jié)合調(diào)查研究，筆者發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致單級(jí)雙吸離心泵發(fā)生氣蝕的原因，主要有以下四方面的因素：一是單級(jí)雙吸離心泵自身質(zhì)量不高，金屬材料抗腐蝕特性有待改良。結(jié)合單級(jí)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(huì)呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，其中葉片附近的壓力最低。當(dāng)單級(jí)雙吸離心泵運(yùn)行時(shí)，由于過流部分局部抽送的液體壓力低于當(dāng)時(shí)環(huán)境下的氣化壓力，液體就會(huì)在該位置發(fā)生氣化，從而產(chǎn)生許多氣泡。當(dāng)這些氣泡隨著液體向前流動(dòng)時(shí)，隨著外部液體壓力的增加，會(huì)導(dǎo)致氣泡發(fā)生破裂，而氣泡在發(fā)生破裂的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊壓強(qiáng)，形成水擊，不斷撞擊金屬表面，致使金屬表面出現(xiàn)裂縫。嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致金屬顆粒松弛，甚至造成穿孔。二是單級(jí)雙吸離心泵的運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)不合理。通過分析造成單級(jí)雙吸離心泵氣蝕的重要因素之一就是由于設(shè)計(jì)參數(shù)不合理，例如，單級(jí)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(chǎn)生氣泡，從而產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。三是維修工序不合理，尤其是在使用金屬修補(bǔ)劑方面存在工序不合理的現(xiàn)象，導(dǎo)致單級(jí)雙吸離心泵存在機(jī)械故障。四是檢修人員的安全意識(shí)不高，日常維修保養(yǎng)管理不到位。由于檢修人員缺乏質(zhì)量安全控制意識(shí)，未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)單級(jí)雙吸離心泵所存在的細(xì)微故障問題，結(jié)果導(dǎo)致離心泵出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象。例如，由于單級(jí)雙吸離心泵維修管理人員缺乏對(duì)蓄水池的清潔作業(yè)，導(dǎo)致雜物、淤泥進(jìn)入到離心泵中，導(dǎo)致離心泵出現(xiàn)運(yùn)行不暢的問題，從而容易引發(fā)氣蝕現(xiàn)象[4]。

通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證，單級(jí)雙吸離心泵氣蝕后會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果：一是提高離心泵的運(yùn)行噪聲污染水平，導(dǎo)致單級(jí)雙吸離心泵容易出現(xiàn)異常振動(dòng)。單級(jí)雙吸離心泵在運(yùn)行的過程中，如果出現(xiàn)氣體侵蝕就會(huì)導(dǎo)致蒸氣泡隨著液體進(jìn)入到高壓區(qū)，從而產(chǎn)生蒸汽凝結(jié)、氣泡破裂等現(xiàn)象，當(dāng)凝結(jié)的氣泡消失后就會(huì)出現(xiàn)局部真空的現(xiàn)象，導(dǎo)致高壓液體會(huì)迅速地沖向氣泡原來的位置，離心泵出現(xiàn)液體介質(zhì)點(diǎn)之間的碰撞噪聲，結(jié)果導(dǎo)致離心泵出現(xiàn)異常振動(dòng)的現(xiàn)象。二是損壞離心泵的部件，導(dǎo)致離心泵壽命縮短。根據(jù)調(diào)查離心泵氣體侵蝕會(huì)產(chǎn)生系列故障問題，當(dāng)單級(jí)雙吸離心泵出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象后，離心泵在運(yùn)行的時(shí)候不僅會(huì)出現(xiàn)水壓故障表征，而且還會(huì)出現(xiàn)軸承溫度升高、螺母軸降低、網(wǎng)膜泄漏等故障問題，進(jìn)而導(dǎo)致離心泵的諸多元部件損壞，縮短單級(jí)離心泵的使用壽命。三是降低運(yùn)行效率。離心泵由于連續(xù)動(dòng)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(dǎo)致水量降低。泵由于連續(xù)空化侵蝕，導(dǎo)致艙水泵逐漸減少，泵內(nèi)增壓室形成循環(huán)，泵內(nèi)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(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)疲勞條紋，然后表面出現(xiàn)裂縫的凹槽，致使發(fā)生嚴(yán)重的事故[5]。

3 單級(jí)雙吸離心泵耐氣蝕性能的措施

3.1 提高單級(jí)雙吸離心泵自身制造質(zhì)量

為了提升單級(jí)雙吸離心泵的運(yùn)行效率，降低氣蝕的影響，需要提升單級(jí)雙吸離心泵的制造質(zhì)量，主要措施如下：一是優(yōu)化單級(jí)雙吸離心泵的幾何形狀。結(jié)合調(diào)查影響液體流動(dòng)的因素比較多，例如葉片的厚度、離心泵葉輪蓋板進(jìn)口段曲率半徑等等。因此針對(duì)造成氣蝕的原因，一方面要適當(dāng)降低葉片進(jìn)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(dāng)葉輪進(jìn)口厚度越薄，其就會(huì)越接近流線型，這樣葉片進(jìn)口的壓力就會(huì)降低，從而增強(qiáng)了泵的耐氣蝕性。同時(shí)還要適當(dāng)增加葉輪葉片進(jìn)口的寬度，通過增加葉輪進(jìn)口寬度能夠增加葉片的過流面積，從而降低了氣泡的產(chǎn)生，改善水流速度分布的均勻性。另一方面要調(diào)整離心泵葉輪蓋板進(jìn)口段曲率半徑。大曲率的應(yīng)用會(huì)削弱前端氣流轉(zhuǎn)彎時(shí)的流速變化，使流速平穩(wěn)，改善離心泵的空泡性能[6]。當(dāng)然還要在單級(jí)雙吸離心泵中設(shè)置前置誘導(dǎo)輪，這樣可以保證在運(yùn)行的過程中兩側(cè)的壓力保持平衡，并且根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整入口真空水平，以此避免氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生。二是要改良單級(jí)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(jìn)口管道的彎曲和閥門，或盡可能擴(kuò)大管道的直徑，減少管道阻力損失。根據(jù)調(diào)查當(dāng)液體被吸入時(shí)，由于氣流的收縮，氣流的速度會(huì)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(zhuǎn)彎處的流域不均勻會(huì)導(dǎo)致部分壓力損失，所以為了避免出現(xiàn)壓力損失，需要減少單級(jí)雙吸離心泵進(jìn)口管道的彎曲和閥門，以此提升液體的流暢度。當(dāng)然還要合理調(diào)節(jié)渠道—進(jìn)水前池—喇叭口—管道—水泵，使水泵在設(shè)計(jì)以上的水位上不斷工作，并在必要的工作條件下運(yùn)行。

3.2 優(yōu)化單級(jí)雙吸離心泵設(shè)計(jì)參數(shù)

優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)可以有效減少氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生，因此結(jié)合多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)主要從以下方面進(jìn)行優(yōu)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(lián)軸器連接電機(jī)，將增壓泵感應(yīng)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(jì)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(rèn)的葉片數(shù)量選擇規(guī)則。然而，廣泛的研究表明，為了設(shè)計(jì)特定的離心泵，使用CFD流程數(shù)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(zhì)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(jìn)氣量越高，恰恰相反[7]。二是環(huán)境溫度。通常情況下，飽和蒸汽在環(huán)境中壓力會(huì)隨著溫度的升高而降低，因此，當(dāng)泵溫度上升時(shí)，飽和蒸汽壓力會(huì)低于進(jìn)口壓力，泵會(huì)引起空泡[6]。因此在單級(jí)雙吸離心泵運(yùn)行時(shí)需要盡可能降低輸送介質(zhì)的密度與合理控制其溫度，從而減少外部環(huán)境對(duì)氣體壓力的影響。例如為了避免輸送介質(zhì)的影響，水利管理部門要做好水質(zhì)儲(chǔ)存處的清潔作業(yè)，避免雜物等進(jìn)入單級(jí)雙吸離心泵中。

3.3 規(guī)范維修流程，使用金屬修補(bǔ)劑

做好日常維修保養(yǎng)工作至關(guān)重要，由于單級(jí)雙吸離心泵的開口主要是密封的，因此其對(duì)于空泡日常維修保養(yǎng)的工藝要求不高。具體維修工序?yàn)?，在?duì)單級(jí)雙吸離心泵進(jìn)行檢修時(shí)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(bǔ)劑對(duì)氣蝕位置進(jìn)行修補(bǔ)。在使用金屬修補(bǔ)劑時(shí)需要嚴(yán)格控制使用環(huán)境，為了保證修復(fù)質(zhì)量，維修人員需要將金屬修補(bǔ)劑充分涂抹在需要修復(fù)的位置，需要注意的是在修補(bǔ)時(shí)要保證涂抹覆蓋高于原面，這樣可以為完成后續(xù)工序提供空間。最后完成修補(bǔ)后需要做好觀察、校正，依照規(guī)定維修硬化定型；當(dāng)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(xiàn)較大的縫隙，另外還通過緩沖環(huán)和銅墊圈達(dá)到預(yù)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(shù)的要求。當(dāng)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(shí)更換腐蝕的元部件，以此降低故障發(fā)生，例如在泵水箱和葉輪保護(hù)面中使用流線型水表面保護(hù)處理（環(huán)氧樹脂），這樣可以提高清潔度，減少氣蝕源[9-13]。

3.4 提高設(shè)備檢修人員素質(zhì)

為了降低單級(jí)雙吸離心泵氣蝕，相關(guān)部門必須要加強(qiáng)設(shè)備檢修隊(duì)伍的建設(shè)，做好相關(guān)設(shè)備的定期檢修工作：一方面泵站要做好設(shè)備維修隊(duì)伍的建設(shè)工作，提升泵站管理人員的綜合素質(zhì)。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)在泵站管理工作中的應(yīng)用，為了滿足泵站管理信息化建設(shè)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(xué)習(xí)最新的專業(yè)知識(shí)，了解單級(jí)雙吸離心泵的工作原理及發(fā)生氣蝕的原因[9]，以此提高對(duì)各種故障的判斷能力。例如泵站要定期組織設(shè)備檢修人員學(xué)習(xí)日常中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的故障問題，及時(shí)根據(jù)氣蝕發(fā)生前的表面特征而做出相應(yīng)的防范措施。另一方面泵站管理部門要制定嚴(yán)格的維修保養(yǎng)制度，最大程度降低離心泵氣蝕現(xiàn)象發(fā)生后的影響。例如當(dāng)離心泵出現(xiàn)部件損壞時(shí)需要及時(shí)進(jìn)行更換，需要注意的是在更換損壞部件時(shí)需要采取具有抗腐蝕的新部件。并且相關(guān)人員要嚴(yán)格按照離心泵使用規(guī)范要求做好定期檢修工作，在檢修過程中需要重點(diǎn)關(guān)注氣蝕易發(fā)位置檢查力度，從而提升離心泵的安全運(yùn)行。與此同時(shí)為了降低因檢修人員不操作規(guī)范而導(dǎo)致離心泵出現(xiàn)故障問題的概率，泵站管理部門要加強(qiáng)宣傳，提升泵站管理人員的操作技能[14]。

4 結(jié)語

綜上所述，單級(jí)雙吸離心泵氣蝕嚴(yán)重影響離心泵正常運(yùn)行，甚至產(chǎn)生故障問題。容易造成離心泵出現(xiàn)噪聲、振動(dòng)等故障，還會(huì)引發(fā)安全事故。因此，在單級(jí)雙吸離心泵管理維護(hù)中要優(yōu)化單級(jí)雙吸離心泵制造工藝，完善離心泵設(shè)計(jì)參數(shù)，合理選擇管道及安裝高度，建立完善的日常維修保養(yǎng)制度，以此規(guī)避離心泵氣蝕問題，提升單級(jí)雙吸離心泵運(yùn)行效率。