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循環(huán)水泵葉輪為什么會被汽蝕，會有哪些有效的防范措施？

循環(huán)水泵是循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的重要設(shè)備之一,該設(shè)備正常運(yùn)行與否直接關(guān)系到新、老系統(tǒng)合成氨和尿素裝置的長周期運(yùn)行。在循環(huán)水泵運(yùn)行時,汽蝕現(xiàn)象是影響泵出口流量和揚(yáng)程的重要危害因素。

由于循環(huán)水泵的葉輪、上下泵殼采用的都是鑄鐵材質(zhì),選擇什么方式修補(bǔ)腐蝕較輕葉輪及泵殼,提高抗汽蝕、磨蝕的能力,把好質(zhì)量關(guān),是保證循環(huán)水泵長期正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

汽蝕現(xiàn)象及其危害

汽蝕現(xiàn)象是水和汽變化的物理特性,離心水泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)時,液體壓力沿著泵入口到葉輪入口而下降,在葉輪葉片的入口附近,液體壓力最低。葉輪轉(zhuǎn)動時,高速旋轉(zhuǎn)的葉輪對液體作功,使液體能量增加,壓力上升。
當(dāng)葉輪葉片入口附近的壓力小于該液體輸送溫度下的飽和蒸汽壓力時,液體開始汽化并產(chǎn)生汽泡,汽泡隨液流進(jìn)入泵體內(nèi)的高壓區(qū)時破裂,周圍的液體迅速填充原汽泡的空穴,產(chǎn)生水力沖擊作用,這種汽泡的產(chǎn)生、發(fā)展和破裂現(xiàn)象就稱為汽蝕現(xiàn)象。
發(fā)生汽蝕時,過流部件受到剝蝕及腐蝕破壞,泵的性能突然下降,嚴(yán)重時產(chǎn)生600~25000Hz的噪音及機(jī)組振動,兩者相互激勵使泵產(chǎn)生強(qiáng)烈的汽蝕共振現(xiàn)象,導(dǎo)致設(shè)備損壞的重大事故。

離心泵容易發(fā)生汽蝕的部位有:

• 葉輪曲率最大的前蓋板處,靠近葉片進(jìn)口邊緣的低壓側(cè);
• 壓出室中蝸殼隔舌和導(dǎo)葉的靠近進(jìn)口邊緣低壓側(cè);
• 無前蓋板的高比轉(zhuǎn)數(shù)葉輪的葉梢外圓與殼體之間的密封間隙以及葉梢的低壓側(cè)。

葉輪出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象后,由于產(chǎn)生汽蝕的過程不穩(wěn)定,會引起水泵發(fā)生振動和噪音,同時由于汽蝕時有汽泡堵塞葉輪槽道,所以泵的流量、揚(yáng)程均降低,效率下降。因此在正常運(yùn)行時不希望水泵發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。

汽蝕產(chǎn)生的原因

盡管循環(huán)水泵在制造、安裝和運(yùn)行過程中采取了各種方法防止水泵汽蝕的發(fā)生,但在實(shí)際運(yùn)行時,由于種種原因會使水泵的運(yùn)行條件與設(shè)計(jì)工況之間出現(xiàn)偏離,不同程度的汽蝕仍會發(fā)生。目前循環(huán)水系統(tǒng)使用的循環(huán)水泵是臥式中開式雙吸泵,3#、4#、5#塔循環(huán)水泵吸入口型式都有不同的差異,如圖1所示。

正常運(yùn)行期間,每個涼水塔的水池液位穩(wěn)定在高液位變化不大,3#塔泵入口處設(shè)有濾網(wǎng),進(jìn)口阻力較大;4#塔的1101-J3/J4/J5三臺泵入口水面上可看見形成的小漩渦,有空氣進(jìn)入泵吸入口;5#塔泵入口是一個直彎角,進(jìn)口管道阻力也較大。盡管循環(huán)水泵在設(shè)計(jì)安裝時考慮了吸上真空高度等問題,但實(shí)際運(yùn)行工況下泵吸入口阻力大、吸入空氣是造成葉輪汽蝕的主要原因之一。

每年在新老系統(tǒng)大修時打開循環(huán)水泵泵殼檢查葉輪,發(fā)現(xiàn)都有不同程度的汽蝕情況,如圖2所示。目前循環(huán)水泵軸端密封采用的是浸油石墨填料軟密封,引入少量循環(huán)水起隔離、冷卻及潤滑用,泵正常運(yùn)行中允許極少量的密封水泄漏,不超過20~25滴/分鐘。循環(huán)水泵大修完運(yùn)行一段時間后,就會有水從軸封處呈線狀漏出,在倒泵停運(yùn)后,漏水量有明顯增大,這說明軸封處有漏氣現(xiàn)象。

因?yàn)椴捎脗鹘y(tǒng)填料密封的循環(huán)水泵,填料對泵軸套的磨損明顯,隨著運(yùn)行時間的延長,軸套與填料之間的徑向間隙不斷增大,如果不及時緊固填料,勢必造成其密封效果變差,空氣在大氣壓力作用下從泵軸進(jìn)入葉輪進(jìn)口低壓區(qū),并隨水流進(jìn)入泵的高壓區(qū),沖擊葉輪造成過流部件剝蝕及腐蝕破壞,這是造成泵葉輪及泵殼汽蝕的另一重要原因。

提高葉輪抗汽蝕能力的措施

一般情況下,消除離心泵汽蝕的措施有,提高水池水位、降低泵進(jìn)口管路阻力損失、調(diào)整泵流量、采用抗汽蝕的材料、提高離心泵本身的抗汽蝕能力等。
由于工藝運(yùn)行條件的限制,循環(huán)水水池液位基本控制在85%~90%之間,泵的流量和進(jìn)口管路無法做大的調(diào)整,因此(公眾號:泵管家),對于目前狀況下的循環(huán)水泵,防止或減緩泵葉輪汽蝕的措施主要是在大修期間使用環(huán)氧樹脂+貝爾佐納涂料涂敷已發(fā)生汽蝕的區(qū)域,對于無法修補(bǔ)的腐蝕較重的葉輪采用更換葉輪的方法。

更換葉輪時,在葉輪的選擇上主要考慮如下抗汽蝕的因素:

• 選用具有高硬度、高強(qiáng)度和高韌性的材料制作的葉輪,其化學(xué)穩(wěn)定性越好,抗汽蝕和剝蝕性能越強(qiáng)。如硬質(zhì)合金、磷青銅、188、Cr Ni等材料,比普通鑄鐵的抗汽蝕能力大得多。
• 葉輪葉片進(jìn)口的厚度應(yīng)適當(dāng)減少,并將葉片進(jìn)口修圓,使其接近流線形,將減少繞流葉片頂部的加速和降壓。
• 提高葉輪葉片其介質(zhì)進(jìn)口部分的表面光潔度,以減少阻力損失。
• 葉輪材料的組織均勻。對汽蝕情況較輕的葉輪修補(bǔ)時,主要采取在葉輪表面涂敷保護(hù)層的措施來提高葉輪的抗汽蝕能力。表面保護(hù)材料分為非金屬和金屬兩大類,非金屬涂層主要有環(huán)氧樹脂、尼龍粉、聚胺脂、高分子聚合物材料等。金屬表面保護(hù)層使用最多的是焊條堆焊、線材噴涂和合金粉末噴涂。

針對循環(huán)水泵易發(fā)生汽蝕的部位(公眾號:泵管家),某公司檢修過程中采取的措施和方法為:

• 將循環(huán)水泵解體后將上泵殼拉至防腐車間進(jìn)行打砂噴丸處理,對不便拆卸的泵殼下半部分,采用徹底除銹后用電動砂輪打磨干凈,以提高流道表面的光潔度,再用貝爾佐納1341涂刷內(nèi)表面兩遍,由于貝爾佐納1341具有優(yōu)異的耐磨性和耐蝕性,能提高泵殼抗沖蝕和抗化學(xué)腐蝕的能力,所以能延緩水泵受汽蝕作用而導(dǎo)致性能突然下降的影響;
• 對于腐蝕穿孔的下泵殼,先用鑄鐵焊條焊成一個骨架固定在檔水板處,再用貝爾佐納1111對坑洞進(jìn)行修補(bǔ),待干燥后涂刷貝爾佐納1341兩遍;
• 對于腐蝕不甚嚴(yán)重的葉輪則進(jìn)行打砂噴丸后涂刷環(huán)氧樹脂的方法;
• 對于個別葉輪存在面積較大的腐蝕孔洞則采用直接更換新葉輪的方式,由于葉輪材料采用的鑄鐵,成本相對低廉,直接更新比修補(bǔ)更能達(dá)到預(yù)期的效果。值的注意的是:新葉輪的直徑和重量應(yīng)與舊葉輪基本上保持一致,并應(yīng)進(jìn)行靜平衡試驗(yàn),避免運(yùn)行中泵振動大或驅(qū)動電機(jī)超電流。
• 循環(huán)水泵運(yùn)行過程中,對漏水較大的軸封填料及時聯(lián)系鉗工將填料壓蓋進(jìn)行預(yù)緊,避免空氣從軸封處漏入泵吸入口。

采取上述措施后,從2008、2009年兩次新、老系統(tǒng)的大修情況來看,循環(huán)水泵葉輪的汽蝕有了很大的改觀,葉輪腐蝕的面積大為減輕,基本上未出現(xiàn)腐蝕穿孔的現(xiàn)象,效果明顯。從運(yùn)行情況看,機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。圖3、圖4是2009年大修中一臺循環(huán)水泵葉輪的進(jìn)、出口端腐蝕情況照片,可以看出吸入口汽蝕情況較輕,出口端幾乎未被腐蝕。

從循環(huán)水泵在大修中對葉輪或泵殼汽蝕部位修補(bǔ)后的情況來看,泵的出口流量總體上比檢修前均有所提高,接近離心泵的設(shè)計(jì)值,其驅(qū)動電機(jī)的電流值也出現(xiàn)了下降(見表1),給工藝操作帶來了便利,循環(huán)水系統(tǒng)操作和控制更加穩(wěn)定。

循環(huán)水泵葉輪及泵殼發(fā)生汽蝕,是循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的常見問題,輕微汽蝕的發(fā)生盡管對工藝運(yùn)行沒有造成較大影響,但其危害還是不可忽視。造成離心泵的汽蝕現(xiàn)象,其影響因素是多方面的,各種因素導(dǎo)致汽蝕的機(jī)理也有所差異。

在每次大修時,認(rèn)真了解工藝運(yùn)行狀況,對發(fā)生汽蝕的葉輪和泵殼進(jìn)行分析和修補(bǔ),特別是采用較先進(jìn)的修補(bǔ)技術(shù),能提高離心泵的抗汽蝕能力,確保在長時間運(yùn)行時流量和壓力穩(wěn)定。在整體更換新葉輪時,在保證工藝運(yùn)行條件不變的前提下,選用那些抗汽蝕能力強(qiáng)的材料制作的葉輪,或采取適當(dāng)增大葉片進(jìn)口寬度、削薄葉片進(jìn)口厚度、改善葉片流道表面光滑度等等措施,從而達(dá)到提高葉輪抗汽蝕的能力,有效避免和減少循環(huán)水泵在運(yùn)行過程中葉輪汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生,從而提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性。