矿用离心式排水泵汽蚀及其防治修复的探究

薄一龙

（同煤国电同忻煤矿有限公司， 山西 大同 037000）

引言

煤矿生产过程中需要大量的排水工作，为了满足高扬程和大流量的要求，大多采用离心式排水泵。但由于工作环境复杂，受到各类因素的影响，水泵在实际运转过程中可能会出现汽蚀现象，会对水泵内叶轮和各过流表面造成损伤，甚至造成表面变形和疲劳，并伴随着噪音和振动现象，降低了水泵的运行效率[1-2]。

1 排水泵汽蚀现象及分类

1.1 排水泵汽蚀现象

汽蚀现象主要是由于泵体内部流体压力低于饱和蒸汽压力，部分水出现汽化现象形成气泡，体积上出现膨胀，随水流流动到泵体高压区域，受到压力作用，气泡重新凝结为液体，由于负压作用导致水流向该处汇集，形成冲击或水锤现象，作用在水泵叶轮上。长期作用下会对叶轮和水泵的流道表面造成金属疲劳，使表面出现蜂窝状孔洞以及表面金属的部分剥蚀，同时气泡携带的气体本身也会对金属表面进行氧化，对叶轮和流道表面进行腐蚀。离心泵水流低压区通常位于第1级叶轮入口处，而汽蚀造成的冲击力非常高，冲击频率能够达到每秒2万次以上[3-5]。

1.2 排水泵汽蚀分类

1）叶片汽蚀。离心式水泵最为常见的损伤类别为叶片汽蚀，主要受到水泵安装高度或流量偏移因素的影响，损伤区域分布于叶片正面、背面和前盖板等部位。叶片汽蚀正面受到的损伤多数为小的浅坑或微小汽蚀孔，并呈沿进水边向外扩散，水泵流量较大时叶片正面损伤较多，而小流量时背部损伤会明显增加。

2）间隙汽蚀。该类汽蚀现象的损伤多数位于叶片外边缘，呈现出圈状，损伤面为蜂窝麻面状。该类汽蚀发生主要由于水泵的低负荷运转，流体经过离心泵的回流槽处，水流通道变窄，流体速度加快但压强相对下降，造成汽蚀损伤。

3）涡旋汽蚀。排水泵前段的水仓、进水池等处设计不当，水泵进水口处水流紊乱，涡流携带部分空气进入泵体，这类汽蚀状况会呈现周期性，水泵内形成的涡带会造成叶片的表面损伤，并集中在叶片低压区域。同时漩涡旋转方向与水泵内水流正常旋转方向不同对水泵造成影响也不相同，当两者方向相同，相对运动较弱，对于离心泵而言，功率会下降并出现欠载；方向相反时，流体相对速度高且流量大，离心泵可能会出现超载[6-8]。

2 排水泵汽蚀不发生的条件

水泵在垂直方向上和水面间高度差被称为吸水高度，能够维持水泵将水抽离的最大吸水高度为最大吸水高度，受到大气作用下吸水高度会＜10 m，即pa/γ=10 m。

水泵吸水维持平衡的公式为：

式中：Hx为吸水高度，m；p0为水面大气压力，Pa；p1为水泵吸水压力，Pa；v1为水流进入吸水口的流速，m/s；ΔHx为吸水管压力损伤，m；γ为水的重度，N/m3。

水泵与水面间的吸水高度增加会影响水泵入口水流流速，并呈反比。当最终水泵泵体内第1级叶轮入口位置的低压区域的压力状况低于水的饱和蒸发压力值后，会形成气泡，进而产生汽蚀现象。为了避免汽蚀现象的发生，水泵的安装位置应低于最大吸上真空度的高度，并且应确保0.3 m的安全余量。

水泵的真空度可表述为：

式中：Hs为允许吸上真空度，m。

为了避免汽蚀现象的发生，应考虑吸水管路中的阻力损失，并且进入到水泵入口处的水流压力应大于蒸发气化压力，我们将水泵输出的总能力称之为有效汽蚀余量：

式中：Δhc为有效汽蚀余量，m；pv为液体饱和蒸气压，Pa。

水泵发生的汽蚀存在一个临界点，我们称之为汽蚀余量的临界值，工程实际中还需要考虑预留一个安全余量，即增加0.3 m的余量。将允许汽蚀余量和水泵吸上高度公式进行合成后，可以得出水泵不发生汽蚀现象的吸上高度：

式中：[Δhc]为允许汽蚀余量，m。

3 排水泵汽蚀的防治措施

根据上述分析，排水泵发生汽蚀的性能指标，即允许汽蚀余量在设备生产和安装完毕后基本固定下来了，我们在设备安装过程中就要保证合理安装位置来保证设备运转中不发生汽蚀并保证水泵正常的工作能力。我们还可以通过优化管路和系统，调整水流沿途阻力损失和速度状况，整合提高矿用离心式水泵的抗汽蚀能力[9-10]。

1）合理设置水泵进水管长度和直径，并减少该管路上不必要的配件，最大减少进水前端的管路能量损失。

2）可以通过在水泵进水管路上设置射流泵或射流泵组合的方式提高主排水泵入口压力。

3）做好对管路中各处的密封状况，尤其在进水管阶段避免空气不必要的进入。

4）确保水仓容积率，保证汇入水仓内的井下水能够得到一定的静置，将水分中的空气析出，避免吸入水泵内。

5）降低水泵叶轮入口处过流面的表面粗糙度和提高表面加工精度，减少进口处的水流局部阻力。

6）在离心泵前端增加诱导轮，提高水泵入口的液体压力，提高水泵效率，在水泵选型时减小水泵的尺寸和重量，优化排水泵的结构形式。

7）定期使用超声法、泵体噪音、振动监控，及时发现水泵机组的非正常工况，并进行相应应急处置。

4 离心泵损伤修复及表面增强技术

汽蚀现象会导致水泵内部叶片、过流表面的各类损伤，使表面出现磨损、蜂窝、麻面、局部变形和金属疲劳，需要根据不同情况对泵体损伤过流部件表面进行处理，提高各过流部件的抗汽蚀能力。

1）涂层法。对叶轮等部件的表面附着一层胶状有机或无机表面增强材料，例如环氧树脂、复合尼龙、聚氨酯等涂层。

2）补焊和焊层。通过焊接的方式，可直接对损伤部位进行补焊修复，打磨后使部件恢复表面精度。对于母体强度较低情况，提前对易剥落损伤区域通过焊接增加抗剥离层。

3）镶嵌法。一般情况是对整个工件进行加工，对部件整体增加一层不锈钢层，但是多数情况下受限于费用、施工周期。

4）线材喷涂。针对部分材料无特殊强度要求和一部分部件受到空蚀情况下，通过高温使线状的不锈钢丝融化后，在高压空气作用下附着在工件表面。

5）合金粉末喷涂。类似精加工配件的表面喷丸法处理，但需要提前在加工工件表面高温喷焊基层，再通过特种喷枪在高温情况下喷敷超薄合金涂层。

6）激光熔敷法。增强性材料以粉状放置在加工工件表面，通过激光照射使增强粉状材料熔化，凝结后在工件表面形成保护涂层。

5 结语

排水泵是矿井排水系统最为主要的设备，汽蚀现象对设备的损伤和设备效率都会有很大影响，需要根据水泵最大吸水高度的要求，合理选择水泵安装高度。并通过增加诱导轮提高设备入口流体压力，增加射流泵提高吸入性能等综合措施降低汽蚀现象的几率，对于延长流体设备的工作寿命具有实际意义。