熔煉爐沖渣水泵產生汽蝕的原因分析及應對措施

張寶寧

(中條山有色金屬集團有限公司，山西 運城 043700)

熔煉爐沖渣水泵產生汽蝕的原因分析及應對措施

張寶寧

(中條山有色金屬集團有限公司，山西 運城 043700)

闡述了熔煉爐沖渣水泵汽蝕現象產生的機理，分析了由于介質溫度的升高對汽蝕現象的影響，根據汽蝕現象的原因，詳細分析了沖渣水泵運行效率的影響因素，提出修正水泵安裝高度的計算方法，同時提供了一些行之有效的措施。

沖渣水泵；汽蝕；安裝高度；允許吸上高度

0 前言

某銅冶煉廠有4臺6sh-9離心水泵，其作用是提供熔煉爐棄渣水淬用水，系統水循環使用，定時補充。熔煉爐流出的棄渣溫度為1000 ℃左右，需要較高壓力(0.3～0.5 MPa)和較大流量(100～140 m3/h)水流使其水淬粉化，作為建筑材料使用。該廠原設計產能為3萬t/a，后經過技術改造，產能提高為6萬t/a。沖渣系統原設計無專用冷卻塔，由一系列沉淀水池通過表面散熱降低循環水溫度。隨著產能的提高，熔煉爐渣產量提高了近一倍，沖渣池夏季最高水溫由原來的40 ℃提高為75℃，而沖渣水泵安裝高度依據清水泵20 ℃條件安裝，不適用現有水溫條件，極易產生汽蝕。水泵發生汽蝕時效率很低，過流部件遭到腐蝕破壞，壽命大大縮短，維修成本增加，給生產造成很大壓力。因此，對沖渣水泵汽蝕原因進行分析并制定行之有效的對策，具有十分重要的現實和經濟意義。

1 離心水泵汽蝕現象產生原因

1.1 現狀

1.泵體 2.泵蓋 3.葉輪 4.泵軸 5.雙吸密封環 6.鍵 7.填料密封部件 8.軸承體 9.軸承 10.聯軸器圖1 沖渣水泵(6sh-9)結構圖

該冶煉廠沖渣水泵(6sh-9)結構如圖1，水泵電動機功率37 kW，流量160 m3/h，揚程50 m，水泵允許吸上高度4.0 m。水泵安裝高度葉輪中心線高出循環水池液面1 m。該冶煉廠沖渣水泵兩用兩備，熔煉工藝要求24小時連續運轉。

運行中由于介質溫度的升高，水泵產生汽蝕造成出口壓力由0.5 MPa降至0.2 MPa，沖渣水流壓力不足，不能滿足生產要求。夏季高溫季節甚至造成斷流狀態，為保證熔煉爐連續運行不得不使用生產新水沖渣，造成水資源嚴重浪費。水泵葉輪壽命只有60 d左右，大大低于同類水泵葉輪壽命，檢修成本增加，給生產和管理帶來很大困難。冶煉廠棄渣水淬后進入渣池，由橋式抓斗周期性撈出，由于撈渣帶出的水量損失和蒸發損失，沖渣水池水量會周期性減少，由于人為原因不能得到及時補充，水泵不能穩定運行。

1.2 汽蝕產生原因分析

離心水泵在運行過程中，由于某些原因使泵內局部部位的壓力降到水在相應溫度下的飽和蒸汽壓(汽化壓力)時，水就開始汽化，生成大量的氣泡，或者由于水泵密封部件發生泄漏，有空氣從填料壓蓋處吸入，在水流中形成氣泡，汽泡隨水流向前運動，運動到壓力較高部位時，迅速凝結、潰滅。泵內水流中汽泡的生成、潰滅時產生噪聲、振動并對過流部件造成侵蝕。這種現象稱為水泵的汽蝕現象。

水泵在產生汽蝕的過程中，由于水流中含有汽泡破壞了水流的正常流動規律，改變了流道內到過流面積和流動方向，因而葉輪與水流之間能量交換的穩定性遭到破壞，從而引起離心泵的流量、揚程和效率的迅速下降，出水量減少，水壓降低，甚至達到斷流狀態。汽泡潰滅時，水流因慣性高速沖向汽泡中心，產生強烈的水錘，其壓強可達幾百MPa，沖擊的頻率達2～3萬次/s，這樣大的壓強頻率作用于過流部件上，引起金屬表面局部塑性變形與硬化變脆，產生疲勞現象，金屬表面開始呈峰窩狀，隨之應力更加集中，水泵葉輪出現裂縫和剝落。水泵葉輪壽命大大降低[1]。

從汽蝕發生的機理中可以看出，水泵產生汽蝕的影響因素有以下幾個方面：

(1)水泵輸送介質的理化因素影響，水的飽和蒸汽壓隨溫度升高而升高(見表1，mH2O水柱高度值，表示壓力，下同。1 MPa≈100 mH2O)，當水的飽和蒸汽壓升高到接近葉輪轉動形成的負壓值時，就會發生汽蝕。

表1 水在不同溫度下的飽和蒸汽壓

(2)一方面水泵安裝位置相對液面來說過高，在水泵入口處，水不能自行進入水泵，需要葉輪產生較大的負壓吸入；另一方面水泵入口管路局部阻力過大，包括管路過長、彎頭、閥門造成的壓力損失。這些原因都增加了汽蝕的可能性。

(3)水泵本身結構原因，過流部件如葉輪、雙吸密封環等(見圖1)表面粗糙，流道變化不平緩，介質流動過程阻力過大。

(4)水泵在運行過程中，密封狀況發生破壞，有空氣從填料密封部件處(見圖1)吸入，產生汽蝕。

(5)水泵運行過程中流量、轉速不穩定，流量越大發生汽蝕的可能性越大。

2 解決汽蝕的方法

為防止沖渣水泵發生汽蝕現象，關鍵是減少水泵內水發生汽化的可能性，最直接的方法就是降低循環水溫度和正確確定水泵安裝高度。但是在現有條件下，冶煉廠對水冷卻系統和沖渣系統進行徹底改造，投資較大并且受到場地限制，只能通過改變水泵安裝高度來解決。

2.1 沖渣水泵安裝高度計算

每臺水泵都有其允許吸上高度(即允許液面低于水泵葉輪中心線高度m)，通常由水泵生產廠家實驗測定。實驗在大氣壓為10 mH2O下，以20 ℃清水為介質進行，通常實驗數據列在水泵性能表或水泵銘牌上。當水泵安裝條件和介質條件發生變化時，水泵安裝高度就需要修正，依據伯努利方程對水泵允許吸上高度的推導，水泵安裝高度修正公式為：

Hg=Hs+(Ha-10)-(Ht-0.24)

(1)

式中Hg—現場條件下水泵允許吸上高度，m；Hs—實驗條件下水泵允許吸上高度，m；Ha—現場條件下大氣壓強，mH2O； 10—實驗條件下大氣壓強，mH2O；Ht—現場水泵介質溫度條件下水的飽和蒸汽壓，mH2O；

0.24—實驗條件下水的飽和蒸汽壓，mH2O。

Hs查水泵說明書為4.0 m，Ha取值可查表2，該地區海拔為700 m，Ha=9.5 mH2O，Ht取值可查表1，介質溫度按實際測得最高溫度75 ℃條件下，Ht=3.93 mH2O。

表2 不同海拔下的大氣壓強

將以上數據代入公式(1)得：

Hg=Hs+(Ha-10)-(Ht-0.24)=
4+(9.5-10)-(3.93-0.24)=-0.19m

根據以上計算，沖渣水泵在現場條件下允許吸上高度為-0.19 m，即泵的安裝高度必須低于水面以下0.19 m才能克服汽化壓力，防止發生汽蝕。而現場水泵安裝高度為水面以上1 m，也就是說，在水泵葉輪進口處，水壓小于沖渣水溫75 ℃時產生的汽化壓力，這就是水泵發生汽蝕的主要原因[2]。

2.2 解決沖渣水泵汽蝕的應對措施

2.2.1 改變水泵安裝高度

如果對該冶煉廠沖渣水泵安裝基礎進行改造，施工時間較長，影響整體系統運行。決定增高沖渣水池池壁高度，提高水池液面1.2 m，施工在不停產的情況下就可進行。沖渣水池池壁高度增加1.2 m，相對來說，就降低了沖渣水泵安裝高度1.2 m。

2.2.2 減小水泵入口阻力

改變水泵入口管道結構，由原來的跨過泵房墻壁取水，改為穿過墻壁直接取水，取消了彎管，底閥，加大了入口管道直徑，由原來的Φ150 mm變為Φ200 mm，在水泵入口法蘭處再變徑為Φ150 mm后與水泵連接。

2.2.3 提高過流部件光滑度

安裝前對沖渣水泵葉輪流道、雙吸密封環入口等過流部件進行打磨，清理，減少葉輪、雙吸密封環鑄造時留下的毛刺，沙粒粘接，提高流道的光滑度。

2.2.4 保證水泵穩定運行

(1)生產過程中周期性撈渣和水汽蒸發引起的沖渣水池水面高度變化，使得水泵供水流量發生改變。為保證水位穩定，增加一套由液位控制和電動閥門組成的自動供水裝置，有效的保證了水位。

(2)在保證生產的前提下，適當地減小水泵出口閥門開度，降低汽蝕發生的可能性。

(3)正確安裝水泵，確保水泵密封部件裝配精確，完好密封；完善水泵運行管理制度，加強點檢巡檢，及時檢查更換填料，保證有效密封。

3 結束語

采取以上措施后，該冶煉廠沖渣水泵汽蝕現象得到緩解，水泵葉輪壽命延長至150 d以上，出口壓力能夠穩定在0.45 MPa，有效的保證了生產。水溫的升高對于冶金行業水淬渣供水泵運行的影響，本文進行詳細的分析，并提出一些針對性的預防措施，具有一定的推廣意義。

在實際生產中應該根據現場情況選擇合適的措施去預防汽蝕現象的發生，提高水泵運行效率，達到節約能源降低消耗的目的。

[1] 劉竹溪.水泵及水泵站(第二版)[M].北京:水利電力出版社，1986.

[2] 中國市政工程東北設計研究院.給水排水設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2000.

Reason Analysis and Countermeasures of Cavitation on Slag-flushing Pump for Smelting Furnace

ZHANG Bao-ning

(Zhongtiaoshan Nonferrous Metals Group Co., Ltd. Yun Cheng 043700, China)

The paper expounds mechanism of vapor loses on slag-flushing pump in smelting furnace, analyses the effect of cavitation phenomena caused by the medium temperature rising, and influencing factors of operation efficiency of slag-flushing pump according to reason of cavitation phenomena, proposes calculation methods in modifying installation height of water pump, and provides some effective measures.

slag-flushing pump；cavitation；installation height；allowable suction height

2014-02-26

張寶寧(1973-)，山西洪洞人，機械工程師，大學本科，主要從事有色設備技術管理工作。

TH38

B

1003-8884(2014)03-0048-03