循環水泵葉輪為什么會被汽蝕，會有哪些有效的防范措施？

循環水泵是循環冷卻水系統的重要設備之一,該設備正常運行與否直接關系到新、老系統合成氨和尿素裝置的長周期運行。在循環水泵運行時,汽蝕現象是影響泵出口流量和揚程的重要危害因素。

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

汽蝕現象及其危害

汽蝕現象是水和汽變化的物理特性,離心水泵正常運轉時,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。葉輪轉動時,高速旋轉的葉輪對液體作功,使液體能量增加,壓力上升。
當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,液體開始汽化并產生汽泡,汽泡隨液流進入泵體內的高壓區時破裂,周圍的液體迅速填充原汽泡的空穴,產生水力沖擊作用,這種汽泡的產生、發展和破裂現象就稱為汽蝕現象。
發生汽蝕時,過流部件受到剝蝕及腐蝕破壞,泵的性能突然下降,嚴重時產生600~25000Hz的噪音及機組振動,兩者相互激勵使泵產生強烈的汽蝕共振現象,導致設備損壞的重大事故。

離心泵容易發生汽蝕的部位有:

• 葉輪曲率最大的前蓋板處,靠近葉片進口邊緣的低壓側;
• 壓出室中蝸殼隔舌和導葉的靠近進口邊緣低壓側;
• 無前蓋板的高比轉數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。

葉輪出現汽蝕現象后,由于產生汽蝕的過程不穩定,會引起水泵發生振動和噪音,同時由于汽蝕時有汽泡堵塞葉輪槽道,所以泵的流量、揚程均降低,效率下降。因此在正常運行時不希望水泵發生汽蝕現象。

汽蝕產生的原因

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

正常運行期間,每個涼水塔的水池液位穩定在高液位變化不大,3#塔泵入口處設有濾網,進口阻力較大;4#塔的1101-J3/J4/J5三臺泵入口水面上可看見形成的小漩渦,有空氣進入泵吸入口;5#塔泵入口是一個直彎角,進口管道阻力也較大。盡管循環水泵在設計安裝時考慮了吸上真空高度等問題,但實際運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。

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

因為采用傳統填料密封的循環水泵,填料對泵軸套的磨損明顯,隨著運行時間的延長,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入葉輪進口低壓區,并隨水流進入泵的高壓區,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、降低泵進口管路阻力損失、調整泵流量、采用抗汽蝕的材料、提高離心泵本身的抗汽蝕能力等。
由于工藝運行條件的限制,循環水水池液位基本控制在85%~90%之間,泵的流量和進口管路無法做大的調整,因此(公眾號:泵管家),對于目前狀況下的循環水泵,防止或減緩泵葉輪汽蝕的措施主要是在大修期間使用環氧樹脂+貝爾佐納涂料涂敷已發生汽蝕的區域,對于無法修補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、高強度和高韌性的材料制作的葉輪,其化學穩定性越好,抗汽蝕和剝蝕性能越強。如硬質合金、磷青銅、188、Cr Ni等材料,比普通鑄鐵的抗汽蝕能力大得多。
• 葉輪葉片進口的厚度應適當減少,并將葉片進口修圓,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進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時,主要采取在葉輪表面涂敷保護層的措施來提高葉輪的抗汽蝕能力。表面保護材料分為非金屬和金屬兩大類,非金屬涂層主要有環氧樹脂、尼龍粉、聚胺脂、高分子聚合物材料等。金屬表面保護層使用最多的是焊條堆焊、線材噴涂和合金粉末噴涂。

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

• 將循環水泵解體后將上泵殼拉至防腐車間進行打砂噴丸處理,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涂刷內表面兩遍,由于貝爾佐納1341具有優異的耐磨性和耐蝕性,能提高泵殼抗沖蝕和抗化學腐蝕的能力,所以能延緩水泵受汽蝕作用而導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對坑洞進行修補,待干燥后涂刷貝爾佐納1341兩遍;
• 對于腐蝕不甚嚴重的葉輪則進行打砂噴丸后涂刷環氧樹脂的方法;
• 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,直接更新比修補更能達到預期的效果。值的注意的是:新葉輪的直徑和重量應與舊葉輪基本上保持一致,并應進行靜平衡試驗,避免運行中泵振動大或驅動電機超電流。
• 循環水泵運行過程中,對漏水較大的軸封填料及時聯系鉗工將填料壓蓋進行預緊,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、老系統的大修情況來看,循環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,基本上未出現腐蝕穿孔的現象,效果明顯。從運行情況看,機組運行穩定。圖3、圖4是2009年大修中一臺循環水泵葉輪的進、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。

從循環水泵在大修中對葉輪或泵殼汽蝕部位修補后的情況來看,泵的出口流量總體上比檢修前均有所提高,接近離心泵的設計值,其驅動電機的電流值也出現了下降(見表1),給工藝操作帶來了便利,循環水系統操作和控制更加穩定。

循環水泵葉輪及泵殼發生汽蝕,是循環水系統運行過程中出現的常見問題,輕微汽蝕的發生盡管對工藝運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象,其影響因素是多方面的,各種因素導致汽蝕的機理也有所差異。

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