有效减轻泵在运行中汽蚀破坏的方法简介

    汽蚀是液力机械中常见的故障之一，由于进口池或管路设计不合理，以及未充分考虑大气压、温度、介质气化压力的变化等常常因为汽蚀而引起泵的过早失效。

     已经安装服役的泵几乎没有办法克服泵本身汽蚀性能差造成的汽蚀破坏（《泵手册》分册）。本文将主要介绍减轻在役泵汽蚀破坏的方法，这些方法在实际应用中均取得了明显的效果。
一、汽蚀的产生原因
      汽蚀是由液体汽化引起的，液体分子逸出液体表面，成为气体分子的过程，称为“汽化”。液体的汽化程度与压力的大小、温度高低有关。溶解于液体中的气体，在压力和温度变化时也会释放出来，形成汽穴。当液体内部压力下降，低于液体在该温度下的饱和蒸汽压时，在局部区域形成汽泡或汽穴；而在压力升高的地方汽泡突然被四周的压力压破，液流因惯性以的速度向汽泡的中心挤压，对设备造成水力冲击。这种微泡的产生、溃裂以及对过流表面产生物理和化学作用的整个过程称为汽蚀。
      如果液体中不含任何杂质，即使在压力很低时也不会发生汽蚀。国外的汽蚀研究者通过试验认为，超高纯水的抗拉强度（即产生空穴的极限）远远超过通常的金属材料的抗拉强度。但通常的液体中总是含气体或固体，这些杂质成为汽蚀核子，在一定条件下诱发空穴的发生。含砂水流由于水与砂的比重不同，砂粒运动轨迹与流线脱离，可能会加速汽蚀的发生。笔者在论文“泥浆泵的汽蚀及抗磨抗汽蚀材料” （《润滑与密封》1993）中进行了详细介绍。

二、在役泵的汽蚀诊断方法
      泵的使用者通常无法利用制造厂流量一定时扬程的下降来判定汽蚀是否发生的方法。在役泵是否发生汽蚀，除在汽蚀破坏后观察法外可以采用（1）超声波法；（2）泵体外噪声法；（3）振动法等方法判断。
      观察法：破坏表面观察法是在事后观察方法，根据破坏的表面形状来进行判断。由于汽蚀、铸造气孔、冲刷磨损、腐蚀等均会造成金属表面形状与理想形状的不同。汽蚀破坏的金属表面通常显现蜂窝状，它是由局部高速水打击金属而使金属表面疲劳破坏，所以蜂窝孔一般是与外部相通的，大多数的坑槽与金属表面垂直。铸造缺陷的疏松往往深藏在金属内部，有时由于水流的冲刷将金属内部的疏松、气孔呈于表面而误认为是汽蚀，但当我们用机械的方法继续去处表面时会发现其内部仍有气孔。冲刷磨损痕迹往往出现与水流方向相同的沟槽，但要注意有时有水流旋涡。
      噪声法：泵体外噪声法比较简单，可以不与泵体接触。但由于噪声法受周围环境噪声的影响较大，当显示其强度时。一般水泵汽蚀已达到非常强烈的阶段，这时人耳已能通过强烈的汽蚀爆裂声判别汽蚀工况。因此，泵体噪声法不太适合现场监测汽蚀的发生。
      振动法：这种方法是通过加速度计探头测量泵体振动频率的一种方法，方法简单，但灵敏度较低。特别对于大泵，泵体刚度大。对泵内局部汽蚀引起的汽泡溃裂所产生的激振反应迟钝，同时，泵上振源较多。由于汽蚀引起的振动常被掩没在其它振动之中。因此，振动法只适宜作为现场监测汽蚀的辅助手段。
     超声法：超声波法测量汽蚀方法简单，调试方便，且不受其它环境噪声的干扰，对汽蚀的发生和发展敏感性强。因此，作为泵站现场监视汽蚀是一种比较理想的方法。
     另外，抚顺石油学院化工机械研究所赵会军介绍了用电测法预测离心泵汽蚀性能(《石油化工高等学校学报》1997)。 

 三、减轻在役泵的汽蚀破坏的方法
1、进水池
      在使用现场，对发生汽蚀（包括其它故障）的泵查看进水池的流动状况是十分必要且又方便易行的。如果池表面能看到强力的旋涡，应该考虑加破涡板。
      另外，管口与进水池的几何尺寸也应注意。如：管口离池壁的距离是否合适，是否有气泡进入泵吸入管。
      注意水池水位是必要的，抬高进水池水位可以减轻甚至阻止汽蚀的发生。
      解台泵站对进水口改造，汽蚀浸蚀减少45%左右。齐鲁石化的刘克旺、孙敬河等人在循环泵进口添设破涡板后泵的汽蚀不再发生且流量从不稳定的8500、8000m3/h分别提高到稳定的9700、8200m3/h。
2、进水管路
      进口管路的设置除应该尽量使管路损失小（如尽量少的弯头和不必要的阀门）外，让进水管不得有高于泵进口的部位以防止管内积气。
      1995年赤水天然气化肥厂在循环泵进口橡胶膨胀接为1000mm，而管子为800mm。为此增加了放气管，解决了由于其阻造成的压力下降，解决了汽蚀问题。
3、调整泵流量
      新疆电力设计院王卫东建议由于我国采用的原阻力计算公式来源于原苏联，其阻力计算值比实际的大，阻力计算宜采用新公式进行。否则，泵在大流量运行容易发生汽蚀(《西北电力技术》2000)。
      在水泵设计选型与实际有一定的偏差时，水泵产生汽蚀和经济运行可以通过切削叶轮来加以解决，以期达到消除汽蚀，运行经济的目的，实践证明，这种方法确实行之有效。
4、利用引射结构
      喷射装置在原理上相当于液-液喷射泵。在泵的出口处引出一高压水引到如图所示的高压水室内，高压水通过环形喷嘴进入泵的吸入管内。高压水与吸入管内的水混合、交换能量，混合后的混合水能量相对于原吸入管的水能量增加，从而满足泵进口所必须的汽蚀余量。
      浙江大学的吴昱等人对此进行了介绍(浙江大学硕士学位论文2003年)，论文中介绍了引射装置的引回流量宜控制在2%-5%之间。张德煌老先生在长沙曾采用过类似方法对100口径的多级泵进行试验，取得了明显效果。其方法是用1/2的管将平衡盘后的水引至泵进口，泵系统的装置汽蚀余量降低了0.5~0.8m。
      武汉大学的郭迪龙等人介绍了一种射流－离心泵装置。这种装置相当于射流泵与离心泵串联工作，对大吸程的泵十分有效，但一般不适合于在役泵的改造。
5、进口补气
      补气的方法并不能防止汽蚀空穴的产生，但适当补气会减轻空穴破裂时产生对流道边壁的破坏，补入的气体象一层保护流道边壁的海绵。这种方法在水轮机等中普遍采用，但向泵内补气由于补气量难于掌握使用非常少。
      武汉水利电力学院孙寿、颜锦文对补气防水泵汽蚀进行了研究并取得了一定效果，但同时指出：补气防治水泵汽蚀，技术性很强，只有补气流量、补气位置和补气方式洽当，才能取得好的效果。否则，会使泵的流量、扬程和效率下降很多，引起不良后果 
6、采用抗汽蚀材料
     不同的材料抗汽蚀能力有十分明显的区别。影响材料抗剥蚀能力的因素很多，通常具有高硬度和高弹性的材料抗剥蚀能力较强。国外推荐低碳铬镍合金钢，如13Cr4N作为在汽蚀状态下工作的水力机械材料，具有较好的抗剥蚀性能。
     郑州机械研究所陈岩进行了不同材料抗汽蚀性能的比较(《热加工工艺》2000)，结果如下表
材料 HT200 QT400-15 QT600-3 ZG230-450 ZG310-570
失重mg 961.4 737.1 481.1 241 155
试验时间h 15
材料 ZG40Cr ZG20SiMn ZG1Cr18Ni9Ti ZG0Cr13Ni4Mo ZG0Cr13Ni6Mo
失重mg 139.9 122.2 71.5 40.2 25.2
试验时间h 15 30
长沙水泵厂的朱旭仁提供的资料，其材料与汽蚀失重见下表
材料 HT200 QT600-3 ZG310-570 18-8
失重 148.3 76.5 33 16.3
      对无法避免汽蚀时采用耐汽蚀材料是有效的。如：凌城泵站对7#和10#机组，叶轮室将原铸钢换为不锈钢，运行几年未发现其实破坏斑痕。武定门站将铸铁改为QT42-10，使用寿命提高2倍以上。解台泵站用铸铁与铜对比,铜叶轮抗汽蚀效果明显。
7、叶轮保护层
      对叶轮涂层的方法比较常用，非金属涂料涂敷采用环氧树脂、尼龙粉、聚胺脂等。在流道表面堆焊合金或喷涂合金的方法在对汽蚀破坏也取得了一定效果，如不锈钢焊条堆焊法、不锈钢板镶焊修补法、合金粉末喷焊。
      就非金属和合金（包括不锈钢）的几种方法比较。非金属涂层方式经济，但应当对其操作工艺严格控制，以防止涂层脱落的现象。采用合金粉末喷焊效果好但成本高，且有些地方可能无法进行。
      如：某泵站采用金属合金粉末喷焊处理的叶片，取得了较好的抗汽蚀效果，使用寿命可延长。中国长城铝业公司郝百顺用H-l对泵叶轮进行了耐汽蚀磨损涂层的应用研究。引滦工程大张庄泵站原泵汽蚀严重，采用柔软陶瓷复合材料修复经过4年4000h的输水检查未发现汽蚀破坏。松辽委察尔森水库管理局臣介绍了TS216耐磨修补剂在水轮机转轮抗气蚀中的应用效果良好。
      连云港币自来水公司马援东采用激光熔覆方法对铸铁和铸钢处理后，抗汽蚀性能分别是喷焊工艺处理的1.3和1.5倍。
8、修整叶片头部
      修整叶轮头部对降低叶片进口的水流速度，减小叶轮进口排挤，提高泵的抗汽蚀能力是有效的。实践证明尽管进口叶片减薄，在汽蚀环境中常常叶轮寿命更长。一般修整叶轮头部是叶片头部背面修薄，在靠近叶轮前盖板多修一些。
     2001年长沙水泵厂对流量5040m3/h，扬程17.5m的泵进行修整（同时对喉部修整），经试验发现汽蚀余量下降0.5左右。