水泵叶片损伤原因分析及预防措施探讨.pdf

针对多台水泵均出现叶片严重损伤问题及其对系统造成的影响，笔者对叶片损伤原因及损伤特征进行了深入分析，提出相应的防范措施；结合寿命评估方法，对水泵运行提出针对性的建议。结果表明：水泵叶片损伤主要集中在吸力面和压力面；叶片吸力面的损伤具有典型的汽蚀特征，而叶片压力面的损伤具有典型的固体颗粒冲刷侵蚀特征。该研究成果可用于指导水泵的日常运维。关键词：水泵；叶片；损伤；汽蚀；原因分析；预防措施中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：引言水泵叶轮磨损、汽蚀、断裂是水泵常见的故障。供水泵站在实际运行中因输送的介质特性不同，存在与设计介质发生偏离，比如水中含有贝壳、海藻、泥沙等固体颗粒，对水泵叶轮造成磨损。受工作环境影响，有些供水泵站的水泵工作条件与设计工况不一样，水泵在工作过程中泵内压力降低，当泵内压力低于介质液态下的饱和蒸汽压力时，就会因汽化而产生气泡，发生汽蚀。水泵长期在这种工况下运行会引起泵体产生噪声和强烈振动，造成水泵叶轮局部损坏，寿命降低，最终导致叶轮断裂，严重影响供水泵站长期、可靠、稳定运行。某公司运维人员在日常工作中发现、台水泵运行不正常，随后安排人员进行检修，对 台水泵进行解体。通过对水泵解体后，检修人员发现 台水泵叶片都存在严重损伤的情况，随即公司要求进行现场勘查并进行原因分析。本文详细介绍现场勘查以及水泵损伤的情况，分析叶片损伤的原因，并提出相应的防范措施。收稿日期：；修回日期：基金项目：教育部首批国家级职业教育教师教学创新团队课题研究项目 实践课题（）；自治区农业农村厅 年自筹经费项目（）第一作者简介：黄儒斌（），男（壮族），广西南宁人，高级工程师，主要从事电站设备运维优化管理。：。红水河第 卷 水泵现场勘查描述 台水泵均为广州某泵业制造有限公司制造，电机由西门子电机（中国）有限公司提供，水泵及电机技术参数如表 所示。水泵及电机均为常用的设备，电机是一线大厂设计制造的，从产品质量、产品售后、运行稳定性等方面均不存在问题。为找出叶片损伤的真正原因，需深入现场进行勘查。选择对 台水泵的叶轮叶片、安装位置、水池、入口滤网和入口水池进行现场勘查。现场勘查到的情况如图 所示。因 台水泵叶轮叶片的侵蚀情况相似，而且每只叶轮叶片的侵蚀特征相同，仅是侵蚀严重程度略有差异，考虑到文章篇幅有限，仅列出典型的现场侵蚀情况，不再赘述每台水泵每处勘查的情况。表 水泵及电机主要技术参数型号 型卧式离心泵配套功率 水泵流量 扬程 转速 型号功率 电机电压 电流 转速 功率因素图 水泵叶轮叶片不同位置勘查情况 损伤特征及影响分析经现场勘查分析，水泵叶轮叶片损伤主要有 种情况：一种是叶轮叶片吸力面出现的汽蚀损伤，另一种是叶轮叶片压力面出现的磨损损伤。吸力面汽蚀损伤 损伤特征针对图（）、（）的吸力面典型汽蚀特征，本文给出详细的示意图，如图 所示。叶片吸力面的汽蚀特征如下：）汽蚀出现在吸力面，并由吸力面逐步发展和加深，部分区域汽蚀穿透至压力面形成穿孔；）在汽蚀穿孔的背面（压力面）边缘区域较为光滑，无明显损伤痕迹；）在吸力面汽蚀区域的表面非常粗糙，有明显汽蚀孔洞；）汽蚀区域呈不规则椭圆形状。从上述特征来分析，在叶片吸力面的损伤特征具有典型的汽蚀特征，因此判断吸力面损伤为汽蚀造成的损伤。图 吸力面典型汽蚀特征示意图 第 期黄儒斌，张建生：水泵叶片损伤原因分析及预防措施探讨 汽蚀产生的原因水泵在工作过程中受工作环境影响其工作条件与设计工况不一样，在一定条件下泵内压力降低，当泵内压力低于介质液态下的饱和蒸汽压力时，液体就会因汽化产生气泡。这些气泡大部分是汽化的蒸汽，还包含少部分溶解在液体介质中的气体因压力下降而析解溢出。大量的气泡随液体介质流至泵内高压区域，在高压区这部分气泡受到较高压力液体挤压后逐渐变形缩小或破裂凝结成水。在气泡变形缩小破裂交替过程中，液体迅速填充气泡空间，发生气、液相互相变换冲击形成较强的水击，腐蚀和破坏泵内的材料。这种从产生气泡、气液流动、到气泡破裂以及对泵体泵壳、叶轮材料产生的冲击侵蚀破坏的过程称为汽蚀。汽蚀形成按汽蚀的形成过程，水泵发生汽蚀初期主要集中在叶轮叶片吸力面部位，如图（）、（）和图 所示，汽蚀现象各异，初期出现深浅不一的麻点状，有的呈密集蜂窝状；水泵在汽蚀状态下长期运行时，逐渐呈现断续分布的坑带状，表面非常粗糙，有明显汽蚀现象。汽蚀严重时，吸力面汽蚀逐渐发展和加深，演变成片状区域，部分区域的汽蚀穿透至压力面形成穿孔，最终导致叶轮报废，被迫停运，设备检修更换。压力面磨损损伤 损伤特征针对图（）、（）的压力面典型侵蚀特征，本文给出详细的示意图，如图 所示。压力面典型侵蚀特征如下：）侵蚀出现在压力面，并由压力面逐步发展和加深，部分区域侵蚀穿透至吸力面形成穿孔；）在侵蚀穿孔的背面（吸力面）边缘区域较为光滑，无明显损伤痕迹；）压力面侵蚀区域呈现较为狭长的沟带状，侵蚀区域的表面出现鳞片状规则的凹坑，有固体颗粒物冲刷和碰撞的痕迹，有蜂窝状麻点。从上述特征来分析，主叶片压力面的损伤特征具有典型的固体颗粒冲刷侵蚀特征，因此判断压力面损伤为固体颗粒冲刷造成的损伤。磨损的原因水泵运行抽送的江水、海水等介质中含有大量的贝壳、海藻、泥沙等固体颗粒，输送过程中具有一定动能的固体颗粒经过泵体泵壳叶轮时，从不同的角度冲刷泵体泵壳叶轮表面，导致叶轮表面形成图 压力面典型侵蚀特征示意图冲刷和碰撞的凹坑。在凹坑变形中，叶轮表面堆积挤出的金属屑片或固体颗粒杂质堆积物，随着固体颗粒物不断地冲刷，这些金属屑片堆积物会从叶轮金属表面剥落，过流区域的金属表面出现鳞片状规则的凹坑，产生蜂窝状麻点。研究表明：随着水泵流量的增大，单位时间通过叶轮的固体颗粒物越多；颗粒的轴向速度增加，撞击叶轮的概率增大，撞击的速度也增大；最终泵的流量越大，叶轮的磨损率越大。因此，固体颗粒物长期冲刷对水泵的叶轮金属表面造成严重磨损，其磨损比较严重的部位是叶轮叶片的压力面，如图（）、（）和图 所示。在惯性力和离心力作用下，固体颗粒粒径越大与叶片撞击的概率就越高，加剧叶片磨损，其磨损面积逐渐增大并呈现出较为狭长的沟带状。叶轮损坏造成的影响不管是汽蚀造成的叶轮损坏，还是固体颗粒物冲刷磨损造成的叶轮损坏，都会造成水泵内流动阻力增加，水流状态改变，导致水泵的流量发生改变，出力下降、扬程和效率降低；同时水泵的泵体、泵壳、叶轮叶片等发生侵蚀并破坏穿透形成穿孔，造成水泵叶轮局部损坏，引起泵体运行时噪声、振动增大；最终导致叶轮断裂，严重影响水泵站长期、可靠、稳定运行。具体体现在以下几个方面：）造成泵的性能下降。汽蚀初期，对水泵的运行状况参数没有明显影响。当泵内汽蚀发展到一定程度或者水泵长时间在汽蚀状态下运行时，大量的气泡堵塞流道，水泵的流量发生改变，扬程、轴功率、效率等参数显著下降，泵的整体性能下降。）对流道的材料造成破坏。汽蚀初期侵蚀叶轮叶片吸力面部位，金属材料表面晶体发生侵蚀破坏，出现深浅不一的麻点状，呈密集的蜂窝状空洞，严重时汽蚀穿透至压力面形红水河第 卷成穿孔。固体颗粒磨损冲刷叶轮叶片的压力面，泵的流量越大，固体颗粒越多、粒径越大与叶片撞击的概率越高，加剧叶片磨损，其磨损面积逐渐增大并呈现出较为狭长的沟带状。汽蚀、冲刷磨损都会对水泵的泵体、泵壳、叶轮叶片等的材料造成破坏，严重时会引起叶轮叶片穿孔损坏。）产生噪声和振动。当水泵内出现汽蚀时，大量的气泡随液体介质流至泵内高压区域，在高压区的气泡受到较高压力液体挤压后气泡突然破裂，高速冲击将形成不正常的噪声，气泡破裂时的气液冲击作用将使水泵产生振动。预防措施针对水泵叶片损伤原因、损伤特征及其影响分析，笔者提出如下预防措施：）在运行中控制好并尽量提高水泵进水池的液位，保证水泵入口有足够的压力，尽量降低水泵入口水的温度，防止水泵入口水温过高。这些措施都可以有效地提高系统的有效汽蚀余量，减少发生汽蚀的可能性；）更换泵汽蚀余量（必需的汽蚀余量）小的水泵，提高水泵抗汽蚀性能；）提高水泵叶轮叶片的材质性能，对叶片表面进行涂层防护；优化泵进口几何参数，增加叶片表面积；减小叶轮叶片两面的压差，提高泵的抗汽蚀性能；）改善水泵运行环境和运行条件，确保水泵尽量在设计额定工况附近运行，使得水泵处于泵效率比较高的区域运行，减少供给水的温升；）检查水泵入口蝶阀的实际开度是否与就地显示的保持一致，在启泵前必须保证入口蝶阀全开，以提高介质流动的稳定性，减少水泵汽蚀；）定期清理水泵入口水池的滤网，确保入口水池的液位基本一致，同时降低水流含沙量，减少固体颗粒物进入水泵；）控制好供给水的水质，定期取样检测入口水中的固体颗粒物的含量；定期清理水泵入口水池，减少固体颗粒物被吸入水泵中，减少固体颗粒物冲刷侵蚀出现的可能；）提高水泵叶轮叶片的材质性能，提高泵的抗冲刷和抗磨损性能。因为现场条件限制，该泵站未更换全新的、汽蚀余量更小的泵，而是采取了以下措施：）更换原厂家生产的新的水泵叶轮，在安装恢复过程中对叶轮叶片进行防腐蚀、耐磨损涂层防护；）将该水泵的入口滤网更改为细小网孔的滤网；）加强水池中沉淀泥沙和水质的管理，定期清污；）将水池的日常运行液位提高了 。水泵改造至今已运行 ，除了少许的表面存在因颗粒物侵蚀凹坑磨损，未出现严重的侵蚀穿孔破坏情况。寿命评估由流动粒子（固体或液体）反复冲击材料外表造成的破坏，称为冲蚀磨损。磨损通常经历不同的磨损阶段，直至水泵损坏失效。典型磨损曲线如图 所示，图中的纵坐标表示单位时间的磨损量，称磨损率。图 典型磨损曲线 水泵叶片损伤与水泵进口的汽蚀余量、水体含沙量、水泵叶片表面粗糙度和叶片材料抗汽蚀强度有关，但叶轮损伤磨损过程还是遵从一般磨损衰退规律。从图 可以看出：）第阶段，磨合阶段的磨损时间与整个磨损寿命相比，所占时间较短，而磨损速度较快；当磨损曲线到达 点以后，磨损速度趋缓。）第阶段，这一阶段磨损趋于稳定、缓慢，工作时间可以延续很长。稳定磨损阶段是机器正常运转的过程，应该延长稳定磨损的时间。）第阶段，点以后的阶段为剧烈磨损阶段，是摩擦表面发生严重破坏的过程，剧烈磨损的发生是磨损长期积累的结果。剧烈磨损所造成的后果是严重的，不仅导致机械效率下降，还可能产生异常的振动和噪声，最终造成水泵的破坏和失效，导致水泵的损坏。）初期磨损阶段（第阶段）：水泵叶轮表面的宏观几何形状和微观几何尺寸都发生明显变化，磨损速度很快，初期磨损时间也就是水泵磨合期时间。初期磨损阶段的磨损方程为 （）（）式中：为第阶段的磨损时间；为最小配合间隙；为第 阶段磨合结束后的配合间隙。第 期黄儒斌，张建生：水泵叶片损伤原因分析及预防措施探讨）正常磨损阶段（第阶段）：磨损情况比较稳定，磨损量随时间均匀增加，即二者呈线性关系。（）（）（）（）式中：为第 阶段磨损时间；为最大磨损极限；为第 阶段直线的斜率，叫作磨损强度，（），它等于单位时间磨损的厚度，因此磨损强度越大，表明材料耐磨性越差。）急剧磨损阶段（第阶段）：磨损速度加快，磨损量急剧上升，短时间水泵叶轮叶片冲蚀破坏，这个阶段没有磨损方程。因此水泵正常寿命 ，剩余寿命为（）（）式中：为最大允许磨损量，；为实际磨损量，。对于该水泵，考虑到水体含沙量对水泵叶片磨损的影响是个非常复杂的问题，通过采取更换新叶轮、涂防磨材料、提高入口水位、更换细小网孔滤网、定时清污等有效防磨损措施增加第 阶段磨损时间，可以延长水泵的寿命。根据原磨损叶轮正常寿命数据计算得出该类型泵叶轮磨损强度 ，作为参考值；在水泵采取更换原厂家生产的新的水泵叶轮时，在其安装恢复过程中测量泵叶轮厚度，叶片头部厚度为 、末端厚度为；泵磨损部位在距离末端 左右，取最大允许磨损量 为 ；运行 后，在水泵停备检修期间测量实际磨损量 约为 。通过寿命评估方法测算的该泵运行剩余寿命为 ，可用于指导水泵及叶片的日常运维。结语本文针对多台水泵均出现了叶轮严重损伤的问题，进行原因分析，并提出相应的防范措施，得出以下结论：）水泵叶片的损伤主要集中在吸力面和压力面。其中，在叶片吸力面的损伤具有典型的汽蚀特征，为汽蚀所造成；在叶片压力面的损伤具有典型的固体颗粒冲刷侵蚀特征，为固体颗粒冲刷所造成。）水泵叶片的损伤将对系统产生噪声振动、破坏流道材料和泵性能下降等方面的影响，需系统运维单位重视此类问题。）结合运行寿命评估方法，提出针对性建议，对水泵的运行状况做到心中有数，确保水泵安全稳定运行，为企业安全生产奠定基础。参考文献：钟亮，戚得新，周豪离心泵的汽蚀及预防措施内燃机与配件，（）：王勇，刘厚林，谈明高泵汽蚀研究现状及展望水泵技术，（）：徐明远大型高扬程泵站叶轮的汽蚀磨损及修复现代工业经济和信息化，（）：邱宁泵叶轮材料空蚀试验研究杭州：浙江大学，赵伟国，赵国寿，咸丽霞，等离心泵叶片表面布置障碍物抑制空化的数值模拟与实验农业机械学报，（）：王秀礼，袁寿其，朱荣生，等离心泵汽蚀断裂工况原因的数值模拟分析核动力工程，（）：刘小兵，张礼达，程良骏含沙水流对水轮机导叶部件磨损的数值模拟水力发电学报，（）：袁帅，石梓良，李小明，等浅谈离心泵的汽蚀余量流程工业，（）：黄玉刚离心水泵的故障分析及维护探讨南方农机，（）：曾万里关于磨损与润滑的机理问题贵州农机化，（）：丁强基于模型的机械设备磨损剩余寿命预测方法的研究保定：河北农业大学，（责任编辑 秦凤荣）