礦用離心式排水泵汽蝕及其防治修復的探究

薄一龍

（同煤國電同忻煤礦有限公司， 山西 大同 037000）

引言

煤礦生產過程中需要大量的排水工作，為了滿足高揚程和大流量的要求，大多采用離心式排水泵。但由于工作環境復雜，受到各類因素的影響，水泵在實際運轉過程中可能會出現汽蝕現象，會對水泵內葉輪和各過流表面造成損傷，甚至造成表面變形和疲勞，并伴隨著噪音和振動現象，降低了水泵的運行效率[1-2]。

1 排水泵汽蝕現象及分類

1.1 排水泵汽蝕現象

汽蝕現象主要是由于泵體內部流體壓力低于飽和蒸汽壓力，部分水出現汽化現象形成氣泡，體積上出現膨脹，隨水流流動到泵體高壓區域，受到壓力作用，氣泡重新凝結為液體，由于負壓作用導致水流向該處匯集，形成沖擊或水錘現象，作用在水泵葉輪上。長期作用下會對葉輪和水泵的流道表面造成金屬疲勞，使表面出現蜂窩狀孔洞以及表面金屬的部分剝蝕，同時氣泡攜帶的氣體本身也會對金屬表面進行氧化，對葉輪和流道表面進行腐蝕。離心泵水流低壓區通常位于第1級葉輪入口處，而汽蝕造成的沖擊力非常高，沖擊頻率能夠達到每秒2萬次以上[3-5]。

1.2 排水泵汽蝕分類

1）葉片汽蝕。離心式水泵最為常見的損傷類別為葉片汽蝕，主要受到水泵安裝高度或流量偏移因素的影響，損傷區域分布于葉片正面、背面和前蓋板等部位。葉片汽蝕正面受到的損傷多數為小的淺坑或微小汽蝕孔，并呈沿進水邊向外擴散，水泵流量較大時葉片正面損傷較多，而小流量時背部損傷會明顯增加。

2）間隙汽蝕。該類汽蝕現象的損傷多數位于葉片外邊緣，呈現出圈狀，損傷面為蜂窩麻面狀。該類汽蝕發生主要由于水泵的低負荷運轉，流體經過離心泵的回流槽處，水流通道變窄，流體速度加快但壓強相對下降，造成汽蝕損傷。

3）渦旋汽蝕。排水泵前段的水倉、進水池等處設計不當，水泵進水口處水流紊亂，渦流攜帶部分空氣進入泵體，這類汽蝕狀況會呈現周期性，水泵內形成的渦帶會造成葉片的表面損傷，并集中在葉片低壓區域。同時漩渦旋轉方向與水泵內水流正常旋轉方向不同對水泵造成影響也不相同，當兩者方向相同，相對運動較弱，對于離心泵而言，功率會下降并出現欠載；方向相反時，流體相對速度高且流量大，離心泵可能會出現超載[6-8]。

2 排水泵汽蝕不發生的條件

水泵在垂直方向上和水面間高度差被稱為吸水高度，能夠維持水泵將水抽離的最大吸水高度為最大吸水高度，受到大氣作用下吸水高度會＜10 m，即pa/γ=10 m。

水泵吸水維持平衡的公式為：

式中：Hx為吸水高度，m；p0為水面大氣壓力，Pa；p1為水泵吸水壓力，Pa；v1為水流進入吸水口的流速，m/s；ΔHx為吸水管壓力損傷，m；γ為水的重度，N/m3。

水泵與水面間的吸水高度增加會影響水泵入口水流流速，并呈反比。當最終水泵泵體內第1級葉輪入口位置的低壓區域的壓力狀況低于水的飽和蒸發壓力值后，會形成氣泡，進而產生汽蝕現象。為了避免汽蝕現象的發生，水泵的安裝位置應低于最大吸上真空度的高度，并且應確保0.3 m的安全余量。

水泵的真空度可表述為：

式中：Hs為允許吸上真空度，m。

為了避免汽蝕現象的發生，應考慮吸水管路中的阻力損失，并且進入到水泵入口處的水流壓力應大于蒸發氣化壓力，我們將水泵輸出的總能力稱之為有效汽蝕余量：

式中：Δhc為有效汽蝕余量，m；pv為液體飽和蒸氣壓，Pa。

水泵發生的汽蝕存在一個臨界點，我們稱之為汽蝕余量的臨界值，工程實際中還需要考慮預留一個安全余量，即增加0.3 m的余量。將允許汽蝕余量和水泵吸上高度公式進行合成后，可以得出水泵不發生汽蝕現象的吸上高度：

式中：[Δhc]為允許汽蝕余量，m。

3 排水泵汽蝕的防治措施

根據上述分析，排水泵發生汽蝕的性能指標，即允許汽蝕余量在設備生產和安裝完畢后基本固定下來了，我們在設備安裝過程中就要保證合理安裝位置來保證設備運轉中不發生汽蝕并保證水泵正常的工作能力。我們還可以通過優化管路和系統，調整水流沿途阻力損失和速度狀況，整合提高礦用離心式水泵的抗汽蝕能力[9-10]。

1）合理設置水泵進水管長度和直徑，并減少該管路上不必要的配件，最大減少進水前端的管路能量損失。

2）可以通過在水泵進水管路上設置射流泵或射流泵組合的方式提高主排水泵入口壓力。

3）做好對管路中各處的密封狀況，尤其在進水管階段避免空氣不必要的進入。

4）確保水倉容積率，保證匯入水倉內的井下水能夠得到一定的靜置，將水分中的空氣析出，避免吸入水泵內。

5）降低水泵葉輪入口處過流面的表面粗糙度和提高表面加工精度，減少進口處的水流局部阻力。

6）在離心泵前端增加誘導輪，提高水泵入口的液體壓力，提高水泵效率，在水泵選型時減小水泵的尺寸和重量，優化排水泵的結構形式。

7）定期使用超聲法、泵體噪音、振動監控，及時發現水泵機組的非正常工況，并進行相應應急處置。

4 離心泵損傷修復及表面增強技術

汽蝕現象會導致水泵內部葉片、過流表面的各類損傷，使表面出現磨損、蜂窩、麻面、局部變形和金屬疲勞，需要根據不同情況對泵體損傷過流部件表面進行處理，提高各過流部件的抗汽蝕能力。

1）涂層法。對葉輪等部件的表面附著一層膠狀有機或無機表面增強材料，例如環氧樹脂、復合尼龍、聚氨酯等涂層。

2）補焊和焊層。通過焊接的方式，可直接對損傷部位進行補焊修復，打磨后使部件恢復表面精度。對于母體強度較低情況，提前對易剝落損傷區域通過焊接增加抗剝離層。

3）鑲嵌法。一般情況是對整個工件進行加工，對部件整體增加一層不銹鋼層，但是多數情況下受限于費用、施工周期。

4）線材噴涂。針對部分材料無特殊強度要求和一部分部件受到空蝕情況下，通過高溫使線狀的不銹鋼絲融化后，在高壓空氣作用下附著在工件表面。

5）合金粉末噴涂。類似精加工配件的表面噴丸法處理，但需要提前在加工工件表面高溫噴焊基層，再通過特種噴槍在高溫情況下噴敷超薄合金涂層。

6）激光熔敷法。增強性材料以粉狀放置在加工工件表面，通過激光照射使增強粉狀材料熔化，凝結后在工件表面形成保護涂層。

5 結語

排水泵是礦井排水系統最為主要的設備，汽蝕現象對設備的損傷和設備效率都會有很大影響，需要根據水泵最大吸水高度的要求，合理選擇水泵安裝高度。并通過增加誘導輪提高設備入口流體壓力，增加射流泵提高吸入性能等綜合措施降低汽蝕現象的幾率，對于延長流體設備的工作壽命具有實際意義。