淺析水輪機組液壓設備中氣穴的產生及危害

尕藏才讓+劉志林+楊茹皓+羅紅英

摘 要：文章從液壓系統中的氣穴現象入手，闡述了其產生的原因及產生過程，介紹了氣穴現象所造成的危害，分析了其對水輪機組液壓設備所造成的實際影響，并提出相應防治措施。

關鍵詞：氣穴現象；水輪機組液壓設備；危害

中圖分類號：TV734.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）31-0066-02

1 概述

在液壓系統中，由氣穴現象所產生的大量氣泡會使液壓系統油介質的一體性遭到破壞，直接導致設備反應遲鈍、爬行。同時氣穴也會間接導致氣蝕現象在液壓缸內發生，使得設備出現震動、漏油、及噪音等二次危害。現階段國內外對于氣穴現象的研究大都是以相關流體動力學為理論基礎，數值仿真模擬（Matlab/Simulink仿真分析、FLUENT仿真模擬）與理論分析相結合為主要方法進行。研究者們對于氣穴現象的產生過程都有著詳細的研究，對于氣穴現象對液壓設備的危害，也提出了如增設補氣裝置，提高液壓油質量等一系列的有效防治措施。水輪機組液壓設備作為水輪機工作的重要工作系統，因為氣穴現象的存在，會對其工作穩定性造成危害，從而影響水輪機的正常工作。本文以氣穴現象為出發點，想為大家介紹氣穴現象的產生機理、危害，并且通過查詢相關資料，列舉出氣穴現象對水輪機組液壓設備造成的實際危害，為今后水輪機組的運行與維護提供參考。

2 氣穴產生的原因

氣穴簡單來說就是指有空氣混入液壓設備之中，然后與油介質形成汽液混合物，下面就是對氣穴形成的兩個原因的簡單介紹。

2.1 外部空氣進入

通常我們所接觸到的液壓設備都是在大氣壓環境下工作，尤其是在維修以及更換液壓元器件的過程中，空氣會不可避免地摻入，有的設計不合理或者密封性差的設備也會導致空氣進入。這時空氣的混入對液壓中的油液性質產生了影響，即不再是不可壓縮性液體，這違背了液壓設備對油液介質的基本要求[1]。空氣以氣泡狀態摻混于油液中的現象，稱為氣泡油，這些氣泡油也是氣穴現象產生的部分原因。

2.2 油介質內有溶解空氣

在油介質的運輸和裝填過程中，周圍的空氣難免會溶解入油介質，溶解空氣量的多與少取決于油液的性質和油液與氣體的接觸及攪動的實際情況，此外在壓力升高的情況下，部分混入液壓設備的氣體會溶于油液中，空氣在油液中的溶解度與油液的壓力成正比，即壓力越高，溶解于油液的空氣體積量越大。

3 氣穴產生過程

由于上述兩種原因，液壓系統的油介質內不可避免的存在有溶解空氣，這些溶解空氣隨油液介質在液壓系統內流動時，一旦流通所經的有效面積發生變化，就會使得靜壓力降低，當靜壓力降至低于油液空氣分離壓時，溶解的空氣便從油液中析出，形成大量氣泡，流體力學中稱為氣穴[1]。大量氣泡的混入，會使油液的體積彈性模量急劇降低，粘度增大，嚴重影響傳動系統的正常工作。當氣泡隨著油液流入高壓區時，便突然收縮，形成局部真空。此時四周的液體質點以極大的速度沖向真空區域，在高壓下氣泡破裂而產生局部液壓沖擊，將質點的動能突然轉換為壓力能，這時局部高壓區的溫度可高達1000℃。而在管壁或元件的表面上，因長期承受液壓沖擊和高溫作用而逐漸腐蝕，表面剝落形成蜂窩狀小坑，這種現象稱為氣蝕[2]。氣蝕現象會對設備造成如油污染、卡阻等二次傷害。

4 氣穴的危害

4.1 氣穴對液壓設備造成的影響

（1）導致液壓系統反應遲滯。由于油介質中混有了空氣泡形成氣泡油，流動的油液就會變成了氣-液兩相流[1]，這會導致液壓設備內的油介質體積彈性模量劇減、剛性降低，從而導致系統反應遲滯及爬行現象。（2）會使產生噪聲和劇烈振動。在氣穴產生后，氣泡隨油液運動至高壓區，在高壓區內由于氣壓差，會導致含有高能量的氣泡被瞬時擠破產生噪聲，同時管路及管接頭由于受到沖擊會產生振動。（3）漏油現象，由氣蝕導致。當氣泡隨油介質行至高壓區時，氣泡在壓力波作用下，體積急劇變小，當這些小氣泡發生破滅時會釋放巨大能量，它所產生的局部高溫和高壓，會導致油缸活塞處密封圈碎裂而造成油缸內油液泄露。（4）劣化油液介質性能。非固體顆粒污染物的產生，主要來源于油液氧化分解產生的沉淀物，這是由于水和空氣對油液的污染及油溫變化引起的[3]。被壓縮的氣泡在發生破滅時，會產生極大的熱量，致使油液介質碳化，使得碳游離出來，在液壓缸中形成微小顆粒，而使油液介質粘度變大，污染度等級變高，導致液壓系統故障增多。

4.2 對水輪機組液壓設備造成的實際危害

（1）爬行、反應遲阻。由于氣穴現象而導致的油介質彈性模量劇減，會嚴重影響水輪機的調速系統，使得傳動系統剛度減小，導致飛擺或電液轉換器、引導閥、主配壓閥等位移遲緩或卡阻，接力器不動時間過長，增減負荷遲緩，開機不成功，調節時間長等現象的發生。致使轉速調節任務無法完成，嚴重的還會造成甩負荷，機組過速和飛逸等事故，嚴重危及機組安全運行。（2）噪音、震動。攜帶有溶解空氣的油介質在液壓系統內流動時，一旦流通所經的有效面積發生變化，就會使得靜壓力降低，當靜壓力降至低于油液空氣分離壓時，溶解的空氣便從油液中析出，形成大量氣泡，這些氣泡在經過高壓區時會導致劇烈的震動及噪音。其結果會造成機組無法開機并網，儀表管路破裂，工作部件松動磨損，導致漏油，樓基共振，直接危及安全。[4]（3）卡阻、漏油。由于氣穴現象會同時導致氣蝕的發生，含有高能量的氣泡破裂所產生的巨大熱量會同時導致油介質和液壓缸的表面金屬發生化學變質，使得油系統內有異物產生堵塞輸油管或活塞，最終導致傳動系統出現卡阻，堵塞現象。另外，由于液壓傳動系統的密封元件受到高溫高壓的影響，會導致原件的老化、破壞、傳動系統出現漏油的現象，使得傳動效果大打折扣，嚴重時會導致油泵起動頻繁，耗費電能，并引起空氣滲人，造成漂移、爬行、擺動和震動，影響調節穩定性及安全運行。

5 防治措施endprint

空穴現象作為液壓系統內不可避免的現象，它對水輪機組液壓系統有著一定程度的危害，嚴重的甚至會導致水電站安全事故發生。為了避免或者減小氣穴的發生，本文列出了以下幾點預防措施，以供維護人員供參考。

5.1 提前檢查

在設備運行前，我們需對其引導閥、主配壓閥所對應的的控制部件進行檢查，看控制部件的密封原元件是否受損，是否存在漏油現象，是否有卡阻或爬行現象發生。其次，需觀測油管或元件內是否有油氣泡產生，若有空氣進入其內部，則需進行處理并排除空氣。對于嚴重老化或者已經破壞變形的元件，應該及時更換或者維修。

工作人員還應該對主要部位的靈活性進行測試，加強對老化元件的篩查，如果元件生銹應該及時進行拆卸清理，若條件允許，則可加裝百分表來對設備進行分段檢查、重新拆卸、調整、裝配。

5.2 保證油液質量

保證液壓油的質量，是防止產生氣穴及氣蝕的一個重要因素，若油液的抗泡沫性差，就會容易氣化而形成泡沫，從而導致氣穴氣蝕的發生。油介質在設計、制造、裝配、安裝、使用、維護的過程中都有可能受到污染，從而影響其質量，以下則是幾點防止污染的措施。在設計階段，我們應避免選用易于產生顆粒雜質而污染系統油液的裝置結構。盡量選擇油路塊和集成油路塊，這樣可以減少在裝置裝配和維護時管接頭產生磨屑的情況發生，此外油箱的呼吸設計位置應該盡量高一些，并且盡量隱蔽，從而防止雨沙灰塵侵入油介質中。其次，增設濾油器也是控制油污染的主要方法之一，一是在進油處增設吸油濾油器，防止污染源從吸油口進入。二是在某些容易產生碎屑的液壓元件回油處增設濾油器。三是在關鍵性的液壓件的進油口處設置輔助濾油器，進而加強過濾效果。四是在污染物侵入量大的液壓系統中，增設旁路過濾器，以改善系統的清潔度，延長濾油器的使用壽命。最后，對于現場配制的液壓管道，必須進行酸性除銹，管道和油箱要按照脫脂、酸洗、中和、鈍化、干燥、涂油、封閉等工藝流程進行處理。酸洗前應將經過脫脂處理后的管子用凈化壓力水沖去管內外壁的堿性溶液，洗去油污。所有密封面、絲扣等必須涂油覆蓋后才能進行清洗，來防止液壓管對油介質的污染。

5.3 定期檢查

隨著機組運行時間的增長，一些本來不存在的問題也會發生，一個問題的發生有可能會導致另一個問題，因此定期的檢查是必不可少。首先應該對油液進行定期的化學檢驗，對有問題的油液應該進行進行及時更換，防止污染油液影響傳動系統的正常運行。其次，應該對液壓設備的溫度進行檢查，溫度過高會加劇氣穴、變質等現象的出現，對于溫度過高的部位進行及時的降溫，以防影響的擴大。最后，應定期對設備進行，過濾、排水、除臟，以便維護設備正常運行。

6 結束語

水輪機組的液壓系統的正常運行對于水輪機的運行具有十分重要的作用。通過分析可知，氣穴現象會對水輪機組正常運行造成諸多危害。未來隨著我國水力資源開發的不斷深化，水輪機組的使用將面臨更多更復雜的情況，對于水輪機液壓系統的性能和要求也將會更加嚴格。本文希望可以通過對空穴現象的產生機理和危害的介紹分析來引起大家對液壓設備氣穴現象的重視。

參考文獻：

[1]王艷東，徐有芳.氣泡油對液壓系統的危害[J].山東冶金，2001（1）：29-30.

[2]吳星星，王旭東.液壓系統的氣蝕問題及預防措施[J].裝備制造技術，2014（7）：139.

[3]王駿逸.液壓系統油液污染的危害與控制[J].山西建筑，2002（09）：146.

[4]孫邦彥.水輪機調速器液壓系統常見故障及處理[J].小水電，2003（4）：32.endprint