循环水泵叶轮汽蚀气蚀原因分析

循环水泵叶轮汽蚀气蚀原因分析

作者：付军平

来源：《科学与财富》2017年第29期

摘要：新能能源有限公司供排水车间循环水站共有10台循环水泵，作为循环水供水系统中的最重要设备，其承担的主要任务是，将循环水加压送往空分、气化、合成、热电站系统，换热后的热水又经冷却塔降温冷却后，再通过循环水泵升压送往各工艺装置，如此不断进行循环。

关键词：循环水泵 叶轮汽蚀 原因分析 1 水泵的汽蚀现象与危害 1.1 汽蚀形成的过程和表现

离心泵叶轮入口处是泵内压力最低的地方，当此处的压力等于或低于工作温度下被输出液体的饱和蒸汽压时，液体就会沸腾汽化，产生大量汽泡。同时原来溶于液体中的气体也将析出。这些汽泡随液体流到叶轮内压力较高处重新凝结，在凝结过程中，由于体积急剧缩小，四周的液体以极大的速度冲向这个凝结空间，使泵内造成冲击振动和噪音。在压力很大（可达到10～100MPa），频率很高的液体质点连续冲击下，金属表面逐渐因疲劳而破坏，这种破坏称为剥蚀。

P4201循环水泵叶轮的汽蚀主要集中在叶片入口部位，汽蚀形状呈现连续分布的坑状，且有密集的蜂窝状，有的部位已被破坏穿孔甚至缺失，叶轮报废只能更换。 1.2 汽蚀的危害

汽蚀会改变泵内水流状态，造成流动阻力增加，产生噪音和振动，缩短叶轮使用寿命，而且会使泵的性能下降。 1.2.1 产生噪声和振动

泵发生汽蚀时，大量汽泡在高压区连续发生骤然破裂，微细射流的高速冲击形成了噪声，汽泡破裂时的冲击力将使泵组产生很大振动。而P4201这台循环泵在2008年6月至11月的试车过程及往后的运行中，噪声极大，振动一直超标，虽然经过多次检修。一直未得到改善。 1.2.2 对流道的材料造成破坏

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当汽泡随液体流到叶轮内压力较高处时，汽泡受压后内部压强升高，破碎时形成微细射流（速度可达130m/s，压强可达100MPa）。流道金属表面在高频高压的微细射流作用下，发生疲劳破坏，严重时呈现蜂窝状的空洞。另外，微细射流造成的冲击还会形成200℃以上的高温，使流道金属出现电解现象而产生强烈的化学腐蚀。 2 产生汽蚀的条件与评价方法 2.1 泵产生汽蚀的条件

在泵系统中通常用汽蚀余量（NPSH）表示泵汽蚀性能的好坏，汽蚀余量又分为装置汽蚀余量（NPSHa）和泵汽蚀余量（NPSHr），它们是两个性质不相同的参数。NPSHr由泵本身的特性决定，是表示泵本身抗汽蚀性能的参数；NPSHa由外界的吸入装置特性决定的，是表示吸入装置汽蚀性能的参数。

NPSHr表示在泵进口处单位重量液体所具有超过输送温度下该液体的饱和蒸汽压的富余能量。如果装置的汽蚀余量小于或者等于泵的气蚀余量，泵就会发生汽蚀。 2.2 汽蚀的评价方法

泵汽蚀余量NPSHr是由泵自身的结构，如吸水室、叶轮进口部分等的几何形状决定的，它的值越小，表示泵本身的抗汽蚀性能越好。至于在某一工况是否发生汽蚀，与泵的几何安装高度有关，即泵应该在低于允许吸液高度下运行。 泵的几何安装高度=P0/ρg—Pt/ρg—△h—∑h P4201循环泵泵参数及运行条件为： P0：当地大气压 9×104N/㎡ ρ：液体密度1000kg/m3

Pt：液体饱和蒸汽压32℃时0.047bar △h：吸入管路压头总损失 按1m计 ∑h：泵的允许汽蚀余量8.3m g：9.81N/kg

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代入上式计算，几何安装高度为-0.7m，为安全起见，泵的实际安装高度再降低1m，可取-1.7米。而现场泵的安装高度位于吸水池液面以下-4.3米，如果泵在标定的工况下运行，理论上不会发生汽蚀。

3 影响叶轮汽蚀的因素分析

按照泵的流体力学分析，是否发生汽蚀取决于泵汽蚀余量和装置汽蚀余量的差值，即泵的几何安装高度高于泵的允许吸上高度是循环水泵叶轮发生汽蚀的主要原因。从设备的检修角度看，循环水泵叶轮产生汽蚀的主要原因有以下几方面：倒灌高度不够造成有效汽蚀余量下降；空气进入泵内；密封间隙大造成间隙汽蚀；长期偏离设计工况运行造成叶片内流速过快；泵超负荷运行；压力和流量分布不均，产生汽泡；材质及制造质量；设计等。做如下分析。 3.1流量是否过大

实际运行中，泵循环水量是否超过设计值，由于大流量引起叶轮进口速度增加，从而引起泵进口至叶轮以及进口管路中的压力降增加，超过汽蚀界限，产生严重汽蚀。这一点由于泵出口没有安装流量表，只能在额定扬程及电机不过载的状态下操作运行。根据运行记录不会出现这种情形。

3.2倒灌高度是否不够

倒灌高度为吸水池最高液面标高与泵中心线标高的差值，随着液面降低，倒灌高度会减小。如果倒灌高度的减小超过界限，从而引起泵叶轮的汽蚀。根据上述计算及日常运行液面高度（7.2m），不会发生这种情形。 3.3水泵的运行时间是否过长

查运行记录，自2008年6月27日试车至今，共运行3167.5小时。 3.4是否空气进入泵内造成叶轮汽蚀

如果输送的介质中富含空气，在较低压力下较易挥发，会大大降低吸入口状态的真空度，汽蚀现象同样发生，这是泵发生汽蚀的主要原因。循环水中气体的来源主要有以下几个方面：循环水在冷却塔冷却的过程中，夹带了大量的过饱和空气；吸水池中旋涡带入的空气；轴封漏气，循环水泵两侧的轴封各设有水冲洗装置，用以冷却填料和防止空气进入泵内。采用传统填料密封的循环水泵，填料对泵的磨损较大，随之间隙增大，密封效果变差，空气在大气压力作用下进入叶轮进口低压区，并随水进入高压区冲击叶轮造成机械剥蚀而产生汽蚀。 3.5材质问题

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在不能完全避免汽蚀现象发生时，应采用抗汽蚀材料制造叶轮，一般来说，零件表面越光，材料强度和韧性越高，硬度和化学稳定性越高，则材料的抗汽蚀性能越好，该泵的材质为HT250，属一般材质，而且加工精度并不高。 3.6设计问题

是否在叶轮进口直径、叶片进口宽度、叶片进口边的位置和形状等设计上存在问题。 3.7化学腐蚀

此外，含有氯离子且偏碱性弱腐蚀的水质，也会加速对叶轮汽蚀的腐蚀。 4 分析结论

按上述方法，根据试车、运行及检修的角度分析，我们认为造成P4201循环水泵叶轮严重汽蚀破坏的原因为：

4.1表现在两个方面：一是试车时，在额定扬程下，电机电流过大，超载，连续跳车3次，当时在检修时将叶轮直径从850切割至820；另一方面，试车、运行过程中，该泵的噪声和振动一直都很大，没有达到合同技术附件中要求的标准及国家有关规范，说明泵在实际运行中偏离了泵的性能曲线，从一开始，汽蚀现象就很严重。

4.2材质抗汽蚀性能差，该泵叶轮材质为HT250，材料强度、韧性、硬度和化学稳定性差。且加工精度不高，叶轮表面粗糙。

4.3水质不好。该泵在2009年化洗预膜时运行时间较长，由于水中腐蚀性药物及运行中氯离子、偏碱性弱腐蚀性水质联合作用造成腐蚀破坏。 4.4轴封填料泄漏大，有可能漏入空气。 5提高水泵抗汽蚀性能的措施 5.1叶轮流道内刷涂环氧树脂；

5.2叶轮采用抗汽蚀性能较好的铸钢、1Cr18Ni9Ti等不锈钢； 5.3提高叶轮表面光洁度； 5.4改善填料密封效果；

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5.5把各项防汽蚀措施落实到现场运行规程和运行管理、检修管理、设备管理工作中。消除产生汽蚀的环境，在操作中确保吸水池水位高于限值。 参考文献：

[1]吴昉赟，周澄，张晓.海水循环水泵叶轮失效原因分析及处理建议[J].全面腐蚀控制，2015，29（12）：39-41.

[2]张晓亚，王国帅，李小朋.800S-23型循环水泵叶轮修补应用[J].河南城建学院学报，2010，19（04）：79-80.