离心式循环水泵产生气蚀现象的原因及改进措施研究

离心式循环水泵产生气蚀现象的原因及改进措施研究

孙诗伟

唐山三友氯碱有限责任公司设备部   河北   唐山    063300

摘要：气蚀通常发生在泵的吸入口附近，当液体在泵内流动时，如果局部压力降低到液体的蒸汽压力以下，就会形成气泡。这些气泡随着液体流动到高压区时会迅速破裂，产生冲击波，对泵的内部结构造成破坏。因此，深入研究气蚀现象的产生原因，并采取有效的改进和预防措施，对于提高离心泵的运行效率和可靠性具有重要意义。本文将探讨离心泵产生气蚀的原因，以及提出相应的改进和预防措施，以期为相关工程技术人员提供参考。

关键词：离心式循环水泵；气蚀现象；改进措施

引言

基于离心式循环水泵在运行过程中会发生气蚀现象，故会对水泵中的部分过流部件造成严重损害、降低水泵运行效率，并导致水泵性能大幅下降，严重时会出现断流、无法工作等问题。

一、气蚀的危害

气蚀现象是离心泵在运行过程中可能遇到的一种严重问题，它对泵的性能和寿命有着显著的负面影响。当泵的吸入压力降低到液体的蒸汽压力以下时，液体中的气体就会析出形成气泡。这些气泡随着液体流动到高压区域，会迅速坍塌，产生强烈的冲击波。这种冲击波不仅会破坏泵的内部结构，如叶轮、密封环等，还会导致泵的效率下降，噪音和振动增加，严重时甚至会导致泵的完全失效。气蚀的发生还可能引起泵的流量和扬程波动，影响泵的稳定性和输出的连续性。长期受到气蚀影响的泵，其内部部件会遭受腐蚀和磨损，需要频繁的维修和更换，增加了运行成本。

二、离心泵容易出现气蚀的相关部位

泵的吸入口是气蚀最常发生的地点之一，因为在这里液体的压力最低，最有可能低于其蒸汽压力，导致气泡的形成。其次，泵的叶轮也是气蚀的易发部位，尤其是叶轮的入口和叶片的前缘，因为这里的流速较高，压力较低，容易形成局部的低压区。泵的密封环和导流叶片也是气蚀的常见部位，密封环由于其狭窄的间隙，液体流经时压力下降，容易形成气蚀。导流叶片由于其形状和流体的分离现象，也可能产生低压区，诱发气蚀。泵的出口管道和弯头部分，由于流体的急剧变化和局部流速的增加，也可能导致压力下降，从而产生气蚀。

三、气蚀产生的原因

3.1 入口压力过低

入口压力过低的原因可能有多种，泵的吸入管道设计不当，如管道过长或弯头过多，会增加流体的流动阻力，导致入口压力下降。其次，泵的吸入高度过高，也会导致吸入压力降低，因为液体的重力作用会增加吸入管道中的压力损失。此外，泵的吸入管道中存在空气泄漏或堵塞，也会影响吸入压力。

3.2 泵的安装高度不当

泵的安装高度指的是泵的吸入口相对于储液面的垂直高度。如果泵的安装高度过高，会导致吸入管道中的静压力降低，从而使得泵的吸入压力低于液体的蒸汽压力，进而产生气蚀现象。当泵安装在较高的位置时，液体必须克服重力作用上升到泵的吸入口，这一过程中液体的压力会因为高度差而降低。如果液体的压力降低到其蒸汽压力以下，溶解在液体中的气体会逸出形成气泡，这些气泡在泵内部高压区域会迅速坍塌，产生破坏性的冲击波，导致气蚀。

3.3 泵的运行工况偏离设计点

离心泵在设计时，通常会有一个理想的运行工况点，即泵的效率最高、性能最稳定的状态。当泵的实际运行工况偏离这个设计点时，泵的内部流动特性会发生变化，可能导致局部压力降低，从而产生气蚀现象。运行工况偏离设计点可能由多种因素引起。例如，如果泵的流量需求减少，而泵的转速保持不变，泵的运行点可能会移动到低效率区域，导致吸入压力降低。同样，如果泵的扬程需求增加，泵可能无法提供足够的能量来维持液体的流动，造成局部压力下降。此外，泵的转速变化、进口阀门的不当调节、或者系统阻力的增加等，都可能导致泵的运行工况偏离设计点。气蚀的发生不仅会降低泵的效率，还可能引起泵的振动和噪音，甚至损坏泵的内部部件。为了预防气蚀，需要对泵的运行工况进行监控和调整，确保其尽可能地接近设计点。这可能涉及到对泵的转速、阀门开度、或者系统阻力的调整。

四、发生气蚀的改进及预防措施

4.1 优化吸入条件

吸入条件的优化涉及多个方面，包括泵的吸入管道设计、泵的安装高度、以及吸入管道中流体的流动特性。吸入管道的设计需要确保流体能够顺畅地流入泵内，避免因管道过长、弯头过多或直径过小而导致的压力损失。管道的内壁应光滑，以减少摩擦阻力，同时管道的布局应尽可能直，以减少流体的局部阻力。此外，吸入管道的直径应与泵的吸入口相匹配，以避免因突然的直径变化而导致的流速增加和压力下降。泵的安装高度应根据泵的吸入能力、液体的物理特性以及系统的需求来合理确定。过高的安装高度会增加液体的静压力损失，导致吸入压力降低，从而增加气蚀的风险。因此应尽量降低泵的安装高度，或者通过提高储液容器的液位来减少吸入管道中的静压力损失。

4.2 合理选择泵型和参数

泵型的选择应根据系统的具体需求和工作条件来决定，包括流量、扬程、液体的性质以及操作环境等因素。选择正确的泵型可以确保泵在其最佳效率点（BEP）附近运行，从而减少因偏离设计工况而导致的气蚀风险。在参数选择上，应考虑泵的吸入能力，确保泵在各种工作条件下都能维持足够的吸入压力。这通常涉及到泵的NPSH（净正吸入头）要求，即泵在不产生气蚀的情况下所需的最小吸入压力。泵的NPSH应高于系统的NPSHr（NPSH的余量），以保证泵在各种工况下都能安全运行。泵的转速也是一个重要的参数，过高的转速可能会导致泵的吸入压力降低，增加气蚀的可能性。因此应根据泵的性能曲线和系统需求，选择合适的转速，以确保泵在高效且安全的条件下运行。

4.3 使用抗气蚀材料

抗气蚀材料应具备高强度、高韧性和良好的耐磨性，以抵御气泡坍塌时产生的冲击和振动。常用的抗气蚀材料包括不锈钢、双相不锈钢、镍基合金、钛合金等。这些材料不仅能够提高泵的耐腐蚀性，还能在一定程度上吸收和分散气蚀产生的冲击能量，减少对泵体的损害。在设计泵时，可以考虑在易受气蚀影响的关键部位使用这些抗气蚀材料。例如，叶轮可以采用特殊合金材料制造，或者在叶轮表面涂覆耐磨材料，以增强其抗气蚀能力。密封环和导流叶片也可以采用类似的材料或涂层技术，以提高其耐久性。一些先进的制造技术，如激光熔覆、热喷涂等，可以用来在泵的关键部件表面形成抗气蚀的保护层。

4.4 监控和控制泵的运行

安装压力传感器和流量计是监控泵运行状态的基本手段，通过监测泵的吸入压力和排出压力，可以判断泵是否处于可能产生气蚀的条件。如果吸入压力过低，可能需要调整泵的运行参数或优化吸入管道的设计。使用变频调速器来控制泵的转速，可以根据实际的流量需求来调整泵的运行状态。这样可以避免泵在低效区域运行，减少气蚀的风险。同时，变频调速器还可以实现泵的软启动和平滑调速，减少启动和运行过程中的冲击和振动。采用先进的控制系统，如PLC（可编程逻辑控制器）或SCADA（监控与数据采集系统），可以实现对泵运行状态的实时监控和自动控制。这些系统可以集成各种传感器和执行器，根据监测到的数据自动调整泵的运行参数，确保泵始终在最佳状态下运行。

五、结语

本文探讨了离心泵气蚀现象的成因及其预防和改进措施。气蚀不仅损害泵体，还影响其性能。通过优化吸入条件、合理选择泵型、使用抗气蚀材料和实施运行监控，可以有效预防气蚀，保障泵的稳定运行。希望这些措施能为相关工程技术人员提供实用的指导。

参考文献

[1]王刚,毛坚持,王劲淞,等.离心式循环水泵产生气蚀现象的原因及改进措施研究[J].建筑技术开发,2023,50(12):100-102.

[2]韩峰,刘泉,李宇寒,等.柴油机气缸套空化现象与空蚀机理分析[J].排灌机械工程学报,2024,42(01):49-56+78.

[3]邓立军.屋面冷却泵气蚀现象的分析与处理[J].建筑施工,2024,46(01):129-131.