循环水泵叶轮为什么会被汽蚀，会有哪些有效的防范措施？

循环水泵是循环冷却水系统的重要设备之一,该设备正常运行与否直接关系到新、老系统合成氨和尿素装置的长周期运行。在循环水泵运行时,汽蚀现象是影响泵出口流量和扬程的重要危害因素。

由于循环水泵的叶轮、上下泵壳采用的都是铸铁材质,选择什么方式修补腐蚀较轻叶轮及泵壳,提高抗汽蚀、磨蚀的能力,把好质量关,是保证循环水泵长期正常运行的关键。

汽蚀现象及其危害

汽蚀现象是水和汽变化的物理特性,离心水泵正常运转时,液体压力沿着泵入口到叶轮入口而下降,在叶轮叶片的入口附近,液体压力最低。叶轮转动时,高速旋转的叶轮对液体作功,使液体能量增加,压力上升。
当叶轮叶片入口附近的压力小于该液体输送温度下的饱和蒸汽压力时,液体开始汽化并产生汽泡,汽泡随液流进入泵体内的高压区时破裂,周围的液体迅速填充原汽泡的空穴,产生水力冲击作用,这种汽泡的产生、发展和破裂现象就称为汽蚀现象。
发生汽蚀时,过流部件受到剥蚀及腐蚀破坏,泵的性能突然下降,严重时产生600~25000Hz的噪音及机组振动,两者相互激励使泵产生强烈的汽蚀共振现象,导致设备损坏的重大事故。

离心泵容易发生汽蚀的部位有:

• 叶轮曲率最大的前盖板处,靠近叶片进口边缘的低压侧;
• 压出室中蜗壳隔舌和导叶的靠近进口边缘低压侧;
• 无前盖板的高比转数叶轮的叶梢外圆与壳体之间的密封间隙以及叶梢的低压侧。

叶轮出现汽蚀现象后,由于产生汽蚀的过程不稳定,会引起水泵发生振动和噪音,同时由于汽蚀时有汽泡堵塞叶轮槽道,所以泵的流量、扬程均降低,效率下降。因此在正常运行时不希望水泵发生汽蚀现象。

汽蚀产生的原因

尽管循环水泵在制造、安装和运行过程中采取了各种方法防止水泵汽蚀的发生,但在实际运行时,由于种种原因会使水泵的运行条件与设计工况之间出现偏离,不同程度的汽蚀仍会发生。目前循环水系统使用的循环水泵是卧式中开式双吸泵,3#、4#、5#塔循环水泵吸入口型式都有不同的差异,如图1所示。

正常运行期间,每个凉水塔的水池液位稳定在高液位变化不大,3#塔泵入口处设有滤网,进口阻力较大;4#塔的1101-J3/J4/J5三台泵入口水面上可看见形成的小漩涡,有空气进入泵吸入口;5#塔泵入口是一个直弯角,进口管道阻力也较大。尽管循环水泵在设计安装时考虑了吸上真空高度等问题,但实际运行工况下泵吸入口阻力大、吸入空气是造成叶轮汽蚀的主要原因之一。

每年在新老系统大修时打开循环水泵泵壳检查叶轮,发现都有不同程度的汽蚀情况,如图2所示。目前循环水泵轴端密封采用的是浸油石墨填料软密封,引入少量循环水起隔离、冷却及润滑用,泵正常运行中允许极少量的密封水泄漏,不超过20~25滴/分钟。循环水泵大修完运行一段时间后,就会有水从轴封处呈线状漏出,在倒泵停运后,漏水量有明显增大,这说明轴封处有漏气现象。

因为采用传统填料密封的循环水泵,填料对泵轴套的磨损明显,随着运行时间的延长,轴套与填料之间的径向间隙不断增大,如果不及时紧固填料,势必造成其密封效果变差,空气在大气压力作用下从泵轴进入叶轮进口低压区,并随水流进入泵的高压区,冲击叶轮造成过流部件剥蚀及腐蚀破坏,这是造成泵叶轮及泵壳汽蚀的另一重要原因。

提高叶轮抗汽蚀能力的措施

一般情况下,消除离心泵汽蚀的措施有,提高水池水位、降低泵进口管路阻力损失、调整泵流量、采用抗汽蚀的材料、提高离心泵本身的抗汽蚀能力等。
由于工艺运行条件的限制,循环水水池液位基本控制在85%~90%之间,泵的流量和进口管路无法做大的调整,因此(公众号:泵管家),对于目前状况下的循环水泵,防止或减缓泵叶轮汽蚀的措施主要是在大修期间使用环氧树脂+贝尔佐纳涂料涂敷已发生汽蚀的区域,对于无法修补的腐蚀较重的叶轮采用更换叶轮的方法。

更换叶轮时,在叶轮的选择上主要考虑如下抗汽蚀的因素:

• 选用具有高硬度、高强度和高韧性的材料制作的叶轮,其化学稳定性越好,抗汽蚀和剥蚀性能越强。如硬质合金、磷青铜、188、Cr Ni等材料,比普通铸铁的抗汽蚀能力大得多。
• 叶轮叶片进口的厚度应适当减少,并将叶片进口修圆,使其接近流线形,将减少绕流叶片顶部的加速和降压。
• 提高叶轮叶片其介质进口部分的表面光洁度,以减少阻力损失。
• 叶轮材料的组织均匀。对汽蚀情况较轻的叶轮修补时,主要采取在叶轮表面涂敷保护层的措施来提高叶轮的抗汽蚀能力。表面保护材料分为非金属和金属两大类,非金属涂层主要有环氧树脂、尼龙粉、聚胺脂、高分子聚合物材料等。金属表面保护层使用最多的是焊条堆焊、线材喷涂和合金粉末喷涂。

针对循环水泵易发生汽蚀的部位(公众号:泵管家),某公司检修过程中采取的措施和方法为:

• 将循环水泵解体后将上泵壳拉至防腐车间进行打砂喷丸处理,对不便拆卸的泵壳下半部分,采用彻底除锈后用电动砂轮打磨干净,以提高流道表面的光洁度,再用贝尔佐纳1341涂刷内表面两遍,由于贝尔佐纳1341具有优异的耐磨性和耐蚀性,能提高泵壳抗冲蚀和抗化学腐蚀的能力,所以能延缓水泵受汽蚀作用而导致性能突然下降的影响;
• 对于腐蚀穿孔的下泵壳,先用铸铁焊条焊成一个骨架固定在档水板处,再用贝尔佐纳1111对坑洞进行修补,待干燥后涂刷贝尔佐纳1341两遍;
• 对于腐蚀不甚严重的叶轮则进行打砂喷丸后涂刷环氧树脂的方法;
• 对于个别叶轮存在面积较大的腐蚀孔洞则采用直接更换新叶轮的方式,由于叶轮材料采用的铸铁,成本相对低廉,直接更新比修补更能达到预期的效果。值的注意的是:新叶轮的直径和重量应与旧叶轮基本上保持一致,并应进行静平衡试验,避免运行中泵振动大或驱动电机超电流。
• 循环水泵运行过程中,对漏水较大的轴封填料及时联系钳工将填料压盖进行预紧,避免空气从轴封处漏入泵吸入口。

采取上述措施后,从2008、2009年两次新、老系统的大修情况来看,循环水泵叶轮的汽蚀有了很大的改观,叶轮腐蚀的面积大为减轻,基本上未出现腐蚀穿孔的现象,效果明显。从运行情况看,机组运行稳定。图3、图4是2009年大修中一台循环水泵叶轮的进、出口端腐蚀情况照片,可以看出吸入口汽蚀情况较轻,出口端几乎未被腐蚀。

从循环水泵在大修中对叶轮或泵壳汽蚀部位修补后的情况来看,泵的出口流量总体上比检修前均有所提高,接近离心泵的设计值,其驱动电机的电流值也出现了下降(见表1),给工艺操作带来了便利,循环水系统操作和控制更加稳定。

循环水泵叶轮及泵壳发生汽蚀,是循环水系统运行过程中出现的常见问题,轻微汽蚀的发生尽管对工艺运行没有造成较大影响,但其危害还是不可忽视。造成离心泵的汽蚀现象,其影响因素是多方面的,各种因素导致汽蚀的机理也有所差异。

在每次大修时,认真了解工艺运行状况,对发生汽蚀的叶轮和泵壳进行分析和修补,特别是采用较先进的修补技术,能提高离心泵的抗汽蚀能力,确保在长时间运行时流量和压力稳定。在整体更换新叶轮时,在保证工艺运行条件不变的前提下,选用那些抗汽蚀能力强的材料制作的叶轮,或采取适当增大叶片进口宽度、削薄叶片进口厚度、改善叶片流道表面光滑度等等措施,从而达到提高叶轮抗汽蚀的能力,有效避免和减少循环水泵在运行过程中叶轮汽蚀现象的发生,从而提高机组运行的可靠性。