论水泵的汽蚀问题与防止措施

李 松 刘李明

（山西省滹沱河坪上水利工程管理局 太原 030002）

1 水泵的汽蚀现象及汽蚀发生部位

通常认为，当液体流道中局部绝对压力降低到等于或低于饱和蒸汽压力时，液体内部大量的微小气泡在该处爆发性膨胀形成汽泡，当这些汽泡被水流带到高压区时，突然崩溃，对流道壁面产生很高的压力冲击，造成壁面材料剥蚀和破坏。汽蚀就是汽泡的形成、增长和崩溃的过程［1］。

水泵运行过程中，如果内部局部位置的压力降低到水的饱和蒸汽压力（汽化压力）时，该处的水就开始汽化生成大量的气泡，气泡随水流向前运动，流到压力较高的部位时，迅速凝结、溃灭，这种现象称为水泵的汽蚀现象。

叶片泵常见的汽蚀有叶片汽蚀、间隙汽蚀和涡带汽蚀三种形式：叶片汽蚀是发生在叶片表面的汽蚀，随着水泵的流量不同，汽蚀发生在叶片的正面、背面或前盖板内表面等部位；间隙汽蚀是由于间隙回流产生的、发生在叶片外缘与叶轮室壁面之间或密封环与叶轮进口外缘之间的汽蚀；涡带汽蚀是由于进水池、进水流道设计不合理或其他边界条件的变化产生涡带，当涡带进入水泵后，就会助长或加重水泵汽蚀的程度；另外，离心泵蜗壳隔舌处、半螺旋形吸水室内壁，轴流泵导叶的正面、背面和轮毂处也有可能产生汽蚀。

2 汽蚀的危害

水泵汽蚀是水泵损坏的重要原因之一，主要有以下危害：

2.1 产生噪声和振动

当发生汽蚀时，气泡在水泵高压区连续发生突然破裂，伴随着强烈的水击，产生严重的噪音，类似于爆豆噼里啪啦的声音，而且还伴随着剧烈的振动，影响机组的安全运行。汽泡反复凝结、冲击的汽蚀过程伴随着很大的脉动力，若这些脉动力的频率与设备的频率相等就会引起强烈的共振。

水泉湾泵站2.4 km压力管道在初次充水过程中，为了防止电机过负荷，用出口闸阀控制水泵出水流量，水泵启动后，产生了很大的噪声。经分析，闸孔流速高达18 m/s以上，闸板后产生较大负压，水大量汽化，加上设计管路排气不畅，导致水流不断汽化、溃灭，发生啪啪的响声。

2.2 过流部件的汽蚀破坏

气泡溃灭时，水流因惯性高速冲向气泡中心，产生强烈的水锤，有资料显示，水锤的作用力可达3.3×107～5.7×109Pa，冲击的频率达2万～3万次/s，这样大的力频繁作用于微小的过流部件上，引起金属表面局部塑性变形与硬化变脆，产生疲劳现象，金属表面开始出现麻点，金属晶粒松动并剥落而成蜂窝状，随之应力更加集中，麻点成麻面，甚至穿孔，叶片出现裂缝和剥落。

实际破坏情况表明，泵过流部件汽蚀破坏的部位，正是气泡消失的地方，如叶轮出口和压水室进口部位、高速轴流泵和斜流泵的叶片背面和外周。

2.3 泵性能下降

水泵发生汽蚀的初始阶段，对泵的外特性并无明显影响，但汽蚀发展到一定程度后会产生大量汽泡堵塞流道截面，破坏了水流的正常流动规律，改变了流道内的过流面积和流动方向，因而叶轮与水流之间能量交换的稳定性遭到破坏，能量损失增加，从而引起水泵的流量、扬程和效率的迅速下降，甚至达到断流状态，水泵不能工作。

3 汽蚀的破坏机理分析

汽蚀破坏机理是个很复杂的问题，据国内外大量的理论探讨和试验研究，可归纳为：机械作用、化学腐蚀作用、电化学作用和热力学作用等。其中，机械作用是造成汽蚀破坏的主要原因。

机械作用：过流壁面产生汽蚀破坏是由于汽泡溃灭时产生微射流和冲击波的强大冲击作用所致。有计算和试验指出，游移型汽泡溃灭时，近壁处微射流速度可达70～180 m/s；在过流壁面产生的冲击力可高达705 MPa；微射流直径约为2～3 μm，冲坑直径为2～20 μm，表面受到微射流冲击次数约为100～1 000次/（s×cm2）；冲击脉冲作用时间每次只有几微秒，这样高的冲击作用将直接破坏流道壁面而形成蚀坑，较小冲击力的反复作用则引起壁面材料疲劳破坏。

化学腐蚀作用：大量汽泡溃灭放出的热量有温差电池作用，产生水解，生成的氧气使金属氧化，发生化学腐蚀。

电化学作用：在汽泡溃灭时的高温高压作用下，金属晶粒中形成热电偶，冷热端之间存在电位差，对金属表面产生电解作用，造成电化学腐蚀。

热力学作用：当汽泡高速受压后，汽相迅速凝结，放出大量的热，足以使金属融化造成损坏。

4 防止水泵汽蚀及其破坏的措施

虽然水泵发生汽蚀破坏的原因很复杂，但发生汽蚀破坏的前提是有水汽化现象发生，从工程实用角度出发，首先应采取主动预防措施，控制水汽化条件的生成和存在，尽量使水泵不发生汽蚀；其次，在水泵制造方面应采取适当的抗汽蚀破坏措施，延长水泵的使用寿命。

在对待水泵汽蚀的问题上，应坚持预防为主，抗蚀为辅，即主动（事前）控制为主，被动（事后）控制为辅的原则，抓住水汽化这根主线，在水泵产品制造，泵站工程规划设计和运行管理三方面采取有效的措施，完全可以解决水泵汽蚀及破坏问题。

4.1 水泵模型设计和制造工艺措施

4.1.1 减小水泵的必需汽蚀余量（NPSH）a的措施

1）优化水泵结构设计，使进口水流绝对速度和相对速度减小，从而使水泵的必需汽蚀余量减小。如采用长短叶片式或双吸式叶轮、适当加大叶轮入口直径D0、叶片进口宽度b1等。

2）采用与叶轮同轴安装的诱导轮或由前置叶轮和后置离心叶轮组成的双重翼叶轮，使进入主叶轮水流的汽蚀余量增大，间接地“减小水泵的必需汽蚀余量”。

3）改善叶片进口厚度使其接近流线型，提高叶片进口部分光洁度，减小进口压降。

4.1.2 抗汽蚀工艺措施

为了增强水泵过流部件表面抗汽蚀破坏的能力，可采用含镍铬的不锈钢、铝青铜或硬质合金材料来制造叶片等过流部件，另外还可以采用表面保护措施技术、金属粉末喷焊技术、激光熔覆表面改性技术和表面化学热处理技术等，增强水泵过流壁面的硬度、韧性，显著改善过流部件表面的抗汽蚀破坏的性能。

4.2 泵站工程规划设计等工程措施

4.2.1 尽量选用汽蚀性能较好的水泵型号

受水泵产品的限制，不是在各种流量和扬程组合下都能选到效率高、汽蚀性能较好的水泵。因此，要改变以往设备服从工程的设计理念，而要树立工程兼顾设备的思维方式，在泵站规划时，就要考虑到水泵产品的效率、汽蚀等主要性能指标，有时不得不根据水泵产品性能指标来修正泵站规划指标，如单机流量和装机台数、泵站扬程和分级数量等。

4.2.2 降低水泵转速

由于水泵的必须汽蚀余量与转速的平方成正比，可采用变频调速等技术，通过降低动力机和水泵的转速，降低水泵的必须汽蚀余量值，汽蚀性能变好。

4.2.3 工程实例一：水泉湾水源地泵站水泵选型

该泵站设计扬程24.3～26.0 m，泵站设计流量1.11 m3/s，装机四台，三台工作，一台备用，单机设计流量0.37～0.44 m3/s.

进水池长×宽=22 m×3 m，池底高程692 m；进水口宽2.1 m，高程692.4 m，高出池底0.4 m；水泵吸水管道进水喇叭口直径0.65 m，悬空高度0.6 m，后墙距0.4 m，最小淹没深度2.8 m，管路总长9.34 m，管径500 mm，水泵进口中心高程698.13 m.

水泵选型：根据水泵设计流量和设计扬程，初步选用350S—26型单级双吸卧式离心泵，该泵效率较高，高效区必须汽蚀余量5.3 m.

经计算，在设计流量下水泵进口汽蚀余量约为5.24m，已经不能满足水泵的汽蚀性能要求，还有以下因素必须考虑：

1）设计进水池水位694.0 m，出水池水位714.8 m，地形扬程20.8 m，实际进水池水位在697～698 m，地形扬程只有16.8～17.8 m.另外，管路损失也没有那么大，单台水泵运行时总扬程不到20 m，而流量可达0.5 m3/s以上，一方面水泵的工况点严重偏离高效区，水泵效率降低达10%以上，水泵的汽蚀性能变坏，必须汽蚀余量高于5.3 m；另一方面，水泵进口汽蚀余量降为5.10 m.

2）本工程没有设前池，进水池内水流流态很差，尤其是两侧机组，低水位运行时可能产生涡旋水流，一是增加吸水管路损失水头，二是涡旋水流有可能进入水泵，进一步加重水泵的汽蚀破坏。

据以上分析，所选水泵350S—26的必须汽蚀余量不能满足本工程要求，而且，在现有水泵产品样本中找不到既满足设计流量和扬程值，又满足本工程汽蚀余量条件、水泵效率较高、高效区范围较宽的泵型。

为了解决本泵站的水泵选型问题，提出如下设想：由于水泵的扬程和必须汽蚀余量与转速的两次方成正比，流量与转速的一次方成正比，故可选用额定流量和扬程较大的水泵型号，降速使用，使其在降速使用条件下的额定流量和扬程值正好满足设计值，同时，降速使用后水泵的必须汽蚀余量值大大降低。

本工程实施中选用了500S40型水泵，其参数如表1所示：

表1 500S40水泵特性曲线

考虑降速后水泵的特性曲线如表2所示：

表2 降速后500S40水泵特性曲线

从以上表中可以看出，所选较好的泵型满足了设计扬程、流量的要求，最大流量时必须汽蚀余量降到2.5 m以下，小于水泵进口汽蚀余量2.6 m，并且泵效率高，高效区很宽。

该泵实际运行数据与表中参数基本相符，设计数据得到了验证，所选泵型运行稳定、可靠、高效。

4.2.4 尽量增加水泵进口水流汽蚀余量

水泵进口汽蚀余量不仅要满足设计运行工况，而且要满足各种非设计运行工况条件下的水泵必须汽蚀余量的要求，并且在有条件的情况下，应尽量加大汽蚀余量的富裕量，以改善水泵的运行可靠性，提高运行效率。为此可采取以下措施：

1）适当加大吸入管直径，增加吸水喇叭口，增大弯管曲率半径，尽量减小管路附件，以减小吸入式管路的水头损失。

水泉湾泵站设计采用水平进水管，管径500 mm，伸入进水池200 mm，且管口有外倒角，运行中实测水泵出水量0.47 m3/s，进口水头损失约440 mm，后将伸入池中管段切割掉，并把进口磨圆，进口水头损失降至6 mm，增大汽蚀余量（减小水头损失）380 mm.

2）充分考虑水泵安装地点的地面高程与大气压力、工作水质的温度与汽化压力、吸水管路（包括吸水管道、附属设备、管件和进水口）的水头损失，合理确定几何安装高度，保证水泵进口有足够的汽蚀余量。

3）详细设计进水建筑物，包括前池和进水池，使进水流态稳定、顺畅，防止产生漩涡流。尽量减小前池的扩散角和底坡，必要时可建曲线形和分相式前池；尽量加大进水池淹没深度，增大秒换水系数，减小后墙距，设置最佳的悬空高度，可考虑在池中设置隔墩等导流设施。

4）设置前置泵或串联使用泵，使液体经前置泵升压后再进入高压泵，从而提高主水泵的有效汽蚀余量，改善高压泵的汽蚀性能。

4.2.5 工程实例二：长距离输水管道汽化问题处理

为了少建一座提水泵站，水泉湾引水工程水源地下游集水廊道汇集的泉水（约0.5 m3/s）经长约650 m、直径800 mm的管道逆流输送到泵站前，与1号机组吸水管道直连。

下游泉水水位为696.7 m，经计算，水泵进口汽蚀余量远大于其必须汽蚀余量，即水泵吸程没有问题。但在实际运行时，水泵一启动就掉闸，抽不上水。经分析，其原因是吸水管道水体质量很大，使其流速从零加速到工作流速时（约1.0 m/s）大约需要十几秒时间，正是由于水泵的吸水性能很好，在其启动的瞬间，水泵进口处立刻产生高达7 m以上的负压，而吸水管路水体的惯性较大，还来不及加速补给，水泵就已经将吸水管中靠近水泵进口处的水柱拉断，产生汽化。大量的水汽进入泵体，导致水泵失压，无法抽水。

弄清楚原因后，在泵站前将水泵吸水管道与输水管道断开，在其间增建一处进水池，下游输水管道成虹吸形式给池中补水，水泵则从池中抽水，工程改建后，运行正常。

4.3 运行管理措施

（1）严格控制进水池最低运行水位，保证最小淹没深度，避免带涡旋水流进入水泵。

（2）对负吸程安装的泵站，严禁用进水管路上的检修闸阀控制流量，以免人为造成局部低压，产生汽化或漩涡流。

（3）避免水泵在小流量和大流量下运行，使水泵始终运行在水泵效率较高、汽蚀性能较好的工况下。

（4）真空要抽到位，泵内空气必须完全、及时排出，水质尽量干净，以免水泵输送介质的气相较多，引起汽蚀破坏。

5 结语

虽然水泵的汽蚀和破坏机理比较复杂，但只要抓住工作水流局部压力降低、产生水“汽化”这根主线，在水泵结构设计、过流部件材质选用和过流壁面加工流程中，使进口流速（包括绝对速度和相对速度）适当减小和过流壁面的加工精度适度提高以减小水泵的必须汽蚀余量，选用耐蚀材料和采用特殊的表面处理技术以增加水泵的抗汽蚀能力；在泵站工程规划设计中尽量提高水泵进口汽蚀余量值以消除水汽化的可能；在运行管理中杜绝极端运行工况和涡旋水流的发生，以保证进泵水流的流态稳定，就能使水泵汽蚀及其破坏问题变得简单和容易解决。

预防水泵发生汽蚀的措施很多，在工程实践中，结合工程的具体情况，只采取一项或几项主要措施，就足以解决问题。

随着科学技术的发展和社会的进步，通过不断的经验积累和实际运行技术的完善，人们会不断发明新工艺，制造出新设备，找出新方法来满足生产发展的需要，对水泵的汽蚀的研究会更加深入细致，从而找到更加切实可行、高效环保和经济的方法来防止汽蚀现象的发生。

［1］王勇，刘厚林，谈明高.泵汽蚀研究现状及展望［J］.水泵技术，2008（1）.