单级双吸离心泵气蚀的原因及防治措施*

田 浩

（宁夏回族自治区红寺堡扬水管理处，宁夏 中卫 755100）

离心泵具有性能稳定、操作简单、维修方便等特点，广泛应用于工农业和生活领域。人们发现离心泵在使用过程中容易出现气蚀现象，造成离心泵性能下降，影响离心泵的安全运行。目前，笔者所在泵站共有11台机组，2018年进行了更新改造。结合实践调查发现，影响双吸式单级离心泵平稳运行的主要因素之一是气蚀，需要研究单级双吸离心泵气蚀发生的地方及空泡特性。因此，笔者结合实践工作详细阐述单级双吸离心泵气蚀的后果及原因，并提出了相应的解决措施。

1 单级双吸离心泵概述

结合调查单级双吸离心泵具有以下优点：一是具有稳定性强、方便安装的特点，可以根据电机的位置而安装离心泵，提高了离心泵的使用效率。二是维修检修操作简单。基于单级双吸离心泵的结构原理，其在检修时只需要吊出泵盖，不需要拆卸管路，提高了维修的效率。三是采取机械或者填料密封，提升了离心泵的工作效率，减少了运维费用[1]。效率和空泡裕度是离心泵技术水平特性的两个重要参数，它们是相互关联的。实践证明如果在设计时，效率指标被高估，那么就会减少多余的空泡量。泵空泡后其扬程性能降低，噪声和振动明显较高[2]。当泵损坏严重时，泵内流体流动可能中断，不能正常工作。

叶轮和泵体是泵的关键部件，其液压设计直接影响整个泵的性能。双吸泵常在吸气条件下工作，可在无排气阀情况大范围内工作，以满足可变流量的需求。与单级单吸离心泵不同的是，单级双吸离心泵的两侧有两个支座，因此其通过叶轮，泵的液压损失、体积损失和机械损失也不同于单级单吸离心泵。黄道见[3]研究了单级双吸离心泵的流体模型参数及相关研究成果，提出了单级双吸泵几何参数计算方法、体积效应、机械效应，叶轮和泵体，弥补单级双吸泵的不足，无需自行特殊设计方法。

2 单级双吸离心泵发生气蚀的原因

结合调查研究，笔者发现导致单级双吸离心泵发生气蚀的原因，主要有以下四方面的因素：一是单级双吸离心泵自身质量不高，金属材料抗腐蚀特性有待改良。结合单级双吸离心泵的工作原理，液体的压力从泵入口到叶轮入口会呈现逐渐下降的趋势，其中叶片附近的压力最低。当单级双吸离心泵运行时，由于过流部分局部抽送的液体压力低于当时环境下的气化压力，液体就会在该位置发生气化，从而产生许多气泡。当这些气泡随着液体向前流动时，随着外部液体压力的增加，会导致气泡发生破裂，而气泡在发生破裂的同时会产生强大的冲击压强，形成水击，不断撞击金属表面，致使金属表面出现裂缝。严重的时候会导致金属颗粒松弛，甚至造成穿孔。二是单级双吸离心泵的运行参数设计不合理。通过分析造成单级双吸离心泵气蚀的重要因素之一就是由于设计参数不合理，例如，单级双吸离心泵的叶轮厚度过大增加了液体流速的阻力，容易产生气泡，从而产生气蚀现象。三是维修工序不合理，尤其是在使用金属修补剂方面存在工序不合理的现象，导致单级双吸离心泵存在机械故障。四是检修人员的安全意识不高，日常维修保养管理不到位。由于检修人员缺乏质量安全控制意识，未能及时发现单级双吸离心泵所存在的细微故障问题，结果导致离心泵出现气蚀现象。例如，由于单级双吸离心泵维修管理人员缺乏对蓄水池的清洁作业，导致杂物、淤泥进入到离心泵中，导致离心泵出现运行不畅的问题，从而容易引发气蚀现象[4]。

通过相关实验可以验证，单级双吸离心泵气蚀后会产生严重的后果：一是提高离心泵的运行噪声污染水平，导致单级双吸离心泵容易出现异常振动。单级双吸离心泵在运行的过程中，如果出现气体侵蚀就会导致蒸气泡随着液体进入到高压区，从而产生蒸汽凝结、气泡破裂等现象，当凝结的气泡消失后就会出现局部真空的现象，导致高压液体会迅速地冲向气泡原来的位置，离心泵出现液体介质点之间的碰撞噪声，结果导致离心泵出现异常振动的现象。二是损坏离心泵的部件，导致离心泵寿命缩短。根据调查离心泵气体侵蚀会产生系列故障问题，当单级双吸离心泵出现气蚀现象后，离心泵在运行的时候不仅会出现水压故障表征，而且还会出现轴承温度升高、螺母轴降低、网膜泄漏等故障问题，进而导致离心泵的诸多元部件损坏，缩短单级离心泵的使用寿命。三是降低运行效率。离心泵由于连续动作，影响水流的输入，致使部分叶轮叶片穿孔，逐渐减少叶轮外径，导致水量降低。泵由于连续空化侵蚀，导致舱水泵逐渐减少，泵内增压室形成循环，泵内其他通道表面的局部空化也破坏了局部流。这些因素的累积影响降低了泵的生产效率和增加能源消耗，直接影响了泵的工作效率。四是容易出现安全事故。由于双吸离心泵的故障缺陷，例如离心泵空泡，先是在叶轮表面出现疲劳条纹，然后表面出现裂缝的凹槽，致使发生严重的事故[5]。

3 单级双吸离心泵耐气蚀性能的措施

3.1 提高单级双吸离心泵自身制造质量

为了提升单级双吸离心泵的运行效率，降低气蚀的影响，需要提升单级双吸离心泵的制造质量，主要措施如下：一是优化单级双吸离心泵的几何形状。结合调查影响液体流动的因素比较多，例如叶片的厚度、离心泵叶轮盖板进口段曲率半径等等。因此针对造成气蚀的原因，一方面要适当降低叶片进口厚度，这样一来可以增加叶片表面的光洁度，减少水力的损失。例如当叶轮进口厚度越薄，其就会越接近流线型，这样叶片进口的压力就会降低，从而增强了泵的耐气蚀性。同时还要适当增加叶轮叶片进口的宽度，通过增加叶轮进口宽度能够增加叶片的过流面积，从而降低了气泡的产生，改善水流速度分布的均匀性。另一方面要调整离心泵叶轮盖板进口段曲率半径。大曲率的应用会削弱前端气流转弯时的流速变化，使流速平稳，改善离心泵的空泡性能[6]。当然还要在单级双吸离心泵中设置前置诱导轮，这样可以保证在运行的过程中两侧的压力保持平衡，并且根据实际情况调整入口真空水平，以此避免气蚀现象产生。二是要改良单级双吸离心泵制造材料。选择具有良好腐蚀特性的金属材料作为泵部件的加工原料。三是减少泵进口管道的弯曲和阀门，或尽可能扩大管道的直径，减少管道阻力损失。根据调查当液体被吸入时，由于气流的收缩，气流的速度会增加，从而失去压力。然而，由于流体的方向从轴向向径向变化，转弯处的流域不均匀会导致部分压力损失，所以为了避免出现压力损失，需要减少单级双吸离心泵进口管道的弯曲和阀门，以此提升液体的流畅度。当然还要合理调节渠道—进水前池—喇叭口—管道—水泵，使水泵在设计以上的水位上不断工作，并在必要的工作条件下运行。

3.2 优化单级双吸离心泵设计参数

优化设计参数可以有效减少气蚀现象的产生，因此结合多年实践经验主要从以下方面进行优化：1）增加叶轮的输入大小或使用双锥形叶轮，降低流速通过传送带的前端，大大减少泵的空泡。如果条件不允许更换叶轮，则需要通过联轴器连接电机，将增压泵感应器安装在泵的前端，以增加前端的压力，以避免排气。2）合理计算水泵壳体的高度，以确定水泵的剩余空腔。目前还没有明确和公认的叶片数量选择规则。然而，广泛的研究表明，为了设计特定的离心泵，使用CFD流程数值模拟方法可以有效地确定叶片的最佳范围。具体就是要考虑以下因素，一是介质密度。如果泵的输入低于液体密度，那么泵的输入压力越大，泵的空化就越容易，反之亦即，泵的进气量越高，恰恰相反[7]。二是环境温度。通常情况下，饱和蒸汽在环境中压力会随着温度的升高而降低，因此，当泵温度上升时，饱和蒸汽压力会低于进口压力，泵会引起空泡[6]。因此在单级双吸离心泵运行时需要尽可能降低输送介质的密度与合理控制其温度，从而减少外部环境对气体压力的影响。例如为了避免输送介质的影响，水利管理部门要做好水质储存处的清洁作业，避免杂物等进入单级双吸离心泵中。

3.3 规范维修流程，使用金属修补剂

做好日常维修保养工作至关重要，由于单级双吸离心泵的开口主要是密封的，因此其对于空泡日常维修保养的工艺要求不高。具体维修工序为，在对单级双吸离心泵进行检修时需要清除掉离心泵表面的油污，然后用铁丝刷或铁丝滑轮多次去除锈迹和污渍，直到看到泵表面金属的颜色。寒冷冬季修理需加热，通常不超过35 ℃，火焰切割不可能直接加热[8]。然后再选择合理的金属修补剂对气蚀位置进行修补。在使用金属修补剂时需要严格控制使用环境，为了保证修复质量，维修人员需要将金属修补剂充分涂抹在需要修复的位置，需要注意的是在修补时要保证涂抹覆盖高于原面，这样可以为完成后续工序提供空间。最后完成修补后需要做好观察、校正，依照规定维修硬化定型；当然如果属于减振器故障（一般属于衬垫损坏），则需要更换减振器的衬垫，衬垫高度要比原来高0.2 mm，这样可以避免减振器与泵体出现较大的缝隙，另外还通过缓冲环和铜垫圈达到预定的密封性，以提高开口和中空平面的密封性，从而满足修理泵精度和技术的要求。当然除了做好上述举措之外，还要做好日常检修工作，尤其是要及时更换腐蚀的元部件，以此降低故障发生，例如在泵水箱和叶轮保护面中使用流线型水表面保护处理（环氧树脂），这样可以提高清洁度，减少气蚀源[9-13]。

3.4 提高设备检修人员素质

为了降低单级双吸离心泵气蚀，相关部门必须要加强设备检修队伍的建设，做好相关设备的定期检修工作：一方面泵站要做好设备维修队伍的建设工作，提升泵站管理人员的综合素质。随着大数据技术在泵站管理工作中的应用，为了满足泵站管理信息化建设要求，提升泵站管理工作水平。泵站必须要定期组织管理人员学习最新的专业知识，了解单级双吸离心泵的工作原理及发生气蚀的原因[9]，以此提高对各种故障的判断能力。例如泵站要定期组织设备检修人员学习日常中经常会出现的故障问题，及时根据气蚀发生前的表面特征而做出相应的防范措施。另一方面泵站管理部门要制定严格的维修保养制度，最大程度降低离心泵气蚀现象发生后的影响。例如当离心泵出现部件损坏时需要及时进行更换，需要注意的是在更换损坏部件时需要采取具有抗腐蚀的新部件。并且相关人员要严格按照离心泵使用规范要求做好定期检修工作，在检修过程中需要重点关注气蚀易发位置检查力度，从而提升离心泵的安全运行。与此同时为了降低因检修人员不操作规范而导致离心泵出现故障问题的概率，泵站管理部门要加强宣传，提升泵站管理人员的操作技能[14]。

4 结语

综上所述，单级双吸离心泵气蚀严重影响离心泵正常运行，甚至产生故障问题。容易造成离心泵出现噪声、振动等故障，还会引发安全事故。因此，在单级双吸离心泵管理维护中要优化单级双吸离心泵制造工艺，完善离心泵设计参数，合理选择管道及安装高度，建立完善的日常维修保养制度，以此规避离心泵气蚀问题，提升单级双吸离心泵运行效率。