水泵葉輪汽蝕的原因分析

1水泵的汽蝕現(xiàn)象與危害1.1汽蝕形成的過程和表現(xiàn)離心泵葉輪入口處是泵內(nèi)壓力最低的地方，當(dāng)此處的壓力等于或低于工作溫度下被輸出液體的飽和蒸汽壓時(shí)，液體就會沸騰汽化，產(chǎn)生大量汽泡。同時(shí)原來溶于液體中的氣體也將析出。這些汽泡隨液體流到葉輪內(nèi)壓力較高處重新凝結(jié)，在凝結(jié)過程中，由于體積急劇縮小，四周的液體以極大的速度沖向這個(gè)凝結(jié)空間，使泵內(nèi)造成沖擊振動(dòng)和噪音。在壓力很大（可達(dá)到10～100MPa），頻率很高的液體質(zhì)點(diǎn)連續(xù)沖擊下，金屬表面逐漸因疲勞而破壞，這種破壞稱為剝蝕。P4201循環(huán)水泵葉輪的汽蝕主要集中在葉片入口部位，汽蝕形狀呈現(xiàn)連續(xù)分布的坑狀，且有密集的蜂窩狀，有的部位已被破壞穿孔甚至缺失，葉輪報(bào)廢只能更換。1.2汽蝕的危害汽蝕會改變泵內(nèi)水流狀態(tài)，造成流動(dòng)阻力增加，產(chǎn)生噪音和振動(dòng)，縮短葉輪使用壽命，而且會使泵的性能下降。1.2.1產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)泵發(fā)生汽蝕時(shí)，大量汽泡在高壓區(qū)連續(xù)發(fā)生驟然破裂，微細(xì)射流的高速沖擊形成了噪聲，汽泡破裂時(shí)的沖擊力將使泵組產(chǎn)生很大振動(dòng)。而P4201這臺循環(huán)泵在2008年6月至11月的試車過程及往后的運(yùn)行中，噪聲極大，振動(dòng)一直超標(biāo)，雖然經(jīng)過多次檢修。一直未得到改善。1.2.2對流道的材料造成破壞當(dāng)汽泡隨液體流到葉輪內(nèi)壓力較高處時(shí)，汽泡受壓后內(nèi)部壓強(qiáng)升高，破碎時(shí)形成微細(xì)射流（速度可達(dá)130m/s，壓強(qiáng)可達(dá)100MPa）。流道金屬表面在高頻高壓的微細(xì)射流作用下，發(fā)生疲勞破壞，嚴(yán)重時(shí)呈現(xiàn)蜂窩狀的空洞。另外，微細(xì)射流造成的沖擊還會形成200℃以上的高溫，使流道金屬出現(xiàn)電解現(xiàn)象而產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)腐蝕。2產(chǎn)生汽蝕的條件與評價(jià)方法2.1泵產(chǎn)生汽蝕的條件在泵系統(tǒng)中通常用汽蝕余量（NPSH）表示泵汽蝕性能的好壞，汽蝕余量又分為裝置汽蝕余量（NPSHa）和泵汽蝕余量（NPSHr），它們是兩個(gè)性質(zhì)不相同的參數(shù)。NPSHr由泵本身的特性決定，是表示泵本身抗汽蝕性能的參數(shù)；NPSHa由外界的吸入裝置特性決定的，是表示吸入裝置汽蝕性能的參數(shù)。NPSHr表示在泵進(jìn)口處單位重量液體所具有超過輸送溫度下該液體的飽和蒸汽壓的富余能量。如果裝置的汽蝕余量小于或者等于泵的氣蝕余量，泵就會發(fā)生汽蝕。2.2汽蝕的評價(jià)方法泵汽蝕余量NPSHr是由泵自身的結(jié)構(gòu)，如吸水室、葉輪進(jìn)口部分等的幾何形狀決定的，它的值越小，表示泵本身的抗汽蝕性能越好。至于在某一工況是否發(fā)生汽蝕，與泵的幾何安裝高度有關(guān)，即泵應(yīng)該在低于允許吸液高度下運(yùn)行。泵的幾何安裝高度=P0/ρg—Pt/ρg—△h—∑hP4201循環(huán)泵泵參數(shù)及運(yùn)行條件為：P0：當(dāng)?shù)卮髿鈮?×104N/㎡ρ：液體密度1000kg/m3Pt：液體飽和蒸汽壓32℃時(shí)0.047bar△h：吸入管路壓頭總損失按1m計(jì)∑h：泵的允許汽蝕余量8.3mg：9.81N/kg代入上式計(jì)算，幾何安裝高度為-0.7m，為安全起見，泵的實(shí)際安裝高度再降低1m，可取-1.7米。而現(xiàn)場泵的安裝高度位于吸水池液面以下-4.3米，如果泵在標(biāo)定的工況下運(yùn)行，理論上不會發(fā)生汽蝕。3影響葉輪汽蝕的因素分析按照泵的流體力學(xué)分析，是否發(fā)生汽蝕取決于泵汽蝕余量和裝置汽蝕余量的差值，即泵的幾何安裝高度高于泵的允許吸上高度是循環(huán)水泵葉輪發(fā)生汽蝕的主要原因。從設(shè)備的檢修角度看，循環(huán)水泵葉輪產(chǎn)生汽蝕的主要原因有以下幾方面：倒灌高度不夠造成有效汽蝕余量下降；空氣進(jìn)入泵內(nèi)；密封間隙大造成間隙汽蝕；長期偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行造成葉片內(nèi)流速過快；泵超負(fù)荷運(yùn)行；壓力和流量分布不均，產(chǎn)生汽泡；材質(zhì)及制造質(zhì)量；設(shè)計(jì)等。做如下分析。3.1流量是否過大實(shí)際運(yùn)行中，泵循環(huán)水量是否超過設(shè)計(jì)值，由于大流量引起葉輪進(jìn)口速度增加，從而引起泵進(jìn)口至葉輪以及進(jìn)口管路中的壓力降增加，超過汽蝕界限，產(chǎn)生嚴(yán)重汽蝕。這一點(diǎn)由于泵出口沒有安裝流量表，只能在額定揚(yáng)程及電機(jī)不過載的狀態(tài)下操作運(yùn)行。根據(jù)運(yùn)行記錄不會出現(xiàn)這種情形。3.2倒灌高度是否不夠倒灌高度為吸水池最高液面標(biāo)高與泵中心線標(biāo)高的差值，隨著液面降低，倒灌高度會減小。如果倒灌高度的減小超過界限，從而引起泵葉輪的汽蝕。根據(jù)上述計(jì)算及日常運(yùn)行液面高度（7.2m），不會發(fā)生這種情形。3.3水泵的運(yùn)行時(shí)間是否過長查運(yùn)行記錄，自2008年6月27日試車至今，共運(yùn)行3167.5小時(shí)。3.4是否空氣進(jìn)入泵內(nèi)造成葉輪汽蝕如果輸送的介質(zhì)中富含空氣，在較低壓力下較易揮發(fā)，會大大降低吸入口狀態(tài)的真空度，汽蝕現(xiàn)象同樣發(fā)生，這是泵發(fā)生汽蝕的主要原因。循環(huán)水中氣體的來源主要有以下幾個(gè)方面：循環(huán)水在冷卻塔冷卻的過程中，夾帶了大量的過飽和空氣；吸水池中旋渦帶入的空氣；軸封漏氣，循環(huán)水泵兩側(cè)的軸封各設(shè)有水沖洗裝置，用以冷卻填料和防止空氣進(jìn)入泵內(nèi)。采用傳統(tǒng)填料密封的循環(huán)水泵，填料對泵的磨損較大，隨之間隙增大，密封效果變差，空氣在大氣壓力作用下進(jìn)入葉輪進(jìn)口低壓區(qū)，并隨水進(jìn)入高壓區(qū)沖擊葉輪造成機(jī)械剝蝕而產(chǎn)生汽蝕。3.5材質(zhì)問題在不能完全避免汽蝕現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，應(yīng)采用抗汽蝕材料制造葉輪，一般來說，零件表面越光，材料強(qiáng)度和韌性越高，硬度和化學(xué)穩(wěn)定性越高，則材料的抗汽蝕性能越好，該泵的材質(zhì)為HT250，屬一般材質(zhì)，而且加工精度并不高。3.6設(shè)計(jì)問題是否在葉輪進(jìn)口直徑、葉片進(jìn)口寬度、葉片進(jìn)口邊的位置和形狀等設(shè)計(jì)上存在問題。3.7化學(xué)腐蝕此外，含有氯離子且偏堿性弱腐蝕的水質(zhì)，也會加速對葉輪汽蝕的腐蝕。4分析結(jié)論按上述方法，根據(jù)試車、運(yùn)行及檢修的角度分析，我們認(rèn)為造成P4201循環(huán)水泵葉輪嚴(yán)重汽蝕破壞的原因?yàn)椋?.1表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是試車時(shí)，在額定揚(yáng)程下，電機(jī)電流過大，超載，連續(xù)跳車3次，當(dāng)時(shí)在檢修時(shí)將葉輪直徑從850切割至820；另一方面，試車、運(yùn)行過程中，該泵的噪聲和振動(dòng)一直都很大，沒有達(dá)到合同技術(shù)附件中要求的標(biāo)準(zhǔn)及國家有關(guān)規(guī)范，說明泵在實(shí)際運(yùn)行中偏離了泵的性能曲線，從一開始，汽蝕現(xiàn)象就很嚴(yán)重。4.2材質(zhì)抗汽蝕性能差，該泵葉輪材質(zhì)為HT250，材料強(qiáng)度、韌性、硬度和化學(xué)穩(wěn)定性差。且加工精度不高，葉輪表面粗糙。4.3水質(zhì)不好。該泵在2009年化洗預(yù)膜時(shí)運(yùn)行時(shí)間較長，由于水中腐蝕性藥物及運(yùn)行中氯離子、偏堿性弱腐蝕性水質(zhì)聯(lián)合作用造成腐蝕破壞。4.4軸封填料泄漏大，有可能漏入空氣。5提高水泵抗汽蝕性能的措施5.1葉輪