日志
多级离心泵汽蚀故障分析
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一、前言汽蚀是水力机械和水力系统普遍存在的问题，其实质是由于压力降低引起的沸腾，在多数液体内溶解着气体，当压力低到汽化压力时，气体将从液体中游离出来形成气抱(即气穴)，气泡膨胀直至破裂，产生高温高压，对系统造成危害，故汽蚀的形成可能是由于液体内溶解气体的游离，或低压沸腾，或两者兼而有之。水力机械和水力系统多数都存在低压区，所以容易发生汽蚀。http://www.shixingyan.com/
汽蚀的主要危害是剥蚀性破坏，严重的在几周甚至几天内就能引起可观察到的破坏。汽蚀还能搅乱系统和机械的性能，特别会导致效率降低，使机械产生噪声和振动。
当水泵的吸人压力降得太低，或者当液体流速太高时，水泵就会出现气穴现象。当叶轮吸人面的局部压力降到接近液体的蒸汽压力时，就会产生汽蚀。水泵发生汽蚀现象时，会造成水泵流量、扬程降低，使水泵产生振动，过流部件剥蚀、腐蚀破坏，甚至造成水泵停止出水及水泵报废。
避免汽蚀的唯一方法，是使其整个系统压力与机械内部的压力都高于液体的汽化压力或气体发生游离的压力，水泵在设计和试验时已经过了充分的考虑和验证，故水泵的选型、安装和运行，其性能应符合工况点要求。下面列举了多级离心泵发生汽蚀故障的工程实例进行分析，供借鉴。
二、水泵故障现象概述中航工业天然气研究院2台多级离心泵，型号D85一45x8，流量85m3/h扬程360m，转速2 950r/mine配套电动机型号Y312M一2，功率132kW,额定电流242A。在试验时用于向设备部件提供冷却水，该泵属于D型单吸多级分段式离心泵，具有出水压力和转速高，结构较为复杂的特点。从结构上看它将8个叶轮同时安装在一根轴上串联工作，水由吸水管吸人后，依次由前一个叶轮压出进人后一个叶轮，每经过一个叶轮，水的比能就增加一次，其定子部分主要由进水段、导叶、中间段、出水段导叶、出水段、尾盖及轴承体等零件构成;转子部分由装在轴上的8个叶轮和一个用来承受轴向推力的平衡盘所组成。
在近一年的运行过程中，水泵曾连续出现水泵起动后运行电流不稳定(在90A左右，正常值应为200A左右)、出水量急剧减小(小于42m'/h，正常值应为80m3/h左右)的故障，针对上述情况维修人员多次对这两台水泵进行试运行，发现水泵起动后的电流为l 20A，高压端平衡管出水管口伴有吸气现象，运行20min后电流开始下降，45min后电流降到90A左右，此时出水量急剧减小，故障情况见表1p三、故障原因分析为了找出水泵运行电流不稳定、出水量急剧减小等故障的原因，从人员、设备、测试仪表、材料、操作方法和环境条件等几方面人手进行了详细的排查工作，并且多次到现场起动1", 2"水泵，进行试运行，经过组织分析讨论，绘制出有可能造成水泵出现故障的因果关系图(图2)。从因果图中可以看出，造成水泵运行电流不稳定、出水量减小的末端原因有12个。
通过对电动机转速的测定结果，发现整个试运行过程中电动机转速恒定(2 950r/min)，电压无明显变化(415一420V )，故可判断电动机方面无故障。
通过对现场管道、水箱、阀门进行检查，未发现有堵塞现象，阀门开关灵活，无异常现象，故可判断管网系统无故障。
对水泵操作程序、保养情况和测试仪表等作了认真的检查，可判断系统故障与此无关。
排除了上述原因，初步锁定故障出在水泵机组，可能的故障原因包括漏气、汽蚀、过滤器堵塞。为了查清故障原因，多次对水泵机组进行运行操作，对故障的原因进行了认真的收集整理与分析，发现除运行电流不稳定、出水量小外，其振动和噪声较正常水泵机组大，通过停机检查还发现吸水过滤器有堵塞现象，水泵故障现象统计见表20根据表2统计，在进行的9次试验运行中，因漏气引发的故障占22.2%，因过滤器堵塞引发的故障占22.2%。因汽蚀引发的故障占55.6%，见图3。因此，确四、产生汽蚀的原因分析通常水泵的汽蚀因素来自三方面，外部吸水条件、安装高度与运行参数。通过上述三方面对这两台水泵进行排查分析，首先，发现该泵长期在偏低扬程、大流量工况运行，水泵产生汽蚀现象的主要原因可能是这种偏于设计工况的运行方式。其次，过滤器堵塞造成吸水管路阻力增加，从而导致装置汽蚀余量降低，也是产生汽蚀的可能原因。
水泵盘根处有气吸入，未见水滴的现象，表明水泵内局部出现了负压区，局部负压的产生可能是内部水流速度太高，超出了设计工况，或者吸水管路阻力增加，导致水泵叶轮进口出现局部负压，也从另一侧面证明汽蚀的存在。
对水泵特性曲线进行了深人地研究，逐步认识到随着流量的增加，会使水泵的特性发生变化，即水泵必须汽蚀余量NPSHr随着流量Q的增加而增加，水泵装置汽蚀余量NPSHa随着流量Q的增加反而减少(见图4)。当流量Q增加到一定程度QI时，必须汽蚀余量NPSHr>装置汽蚀余量NPSHa，这时会发生汽蚀现象，溶解在水里的空气会自动逸出，出现“冷沸”现象产生气泡，当气抱随水流进高压区时，气泡破裂，四周的水迅速填充气抱空穴，产生水力冲击造成泵的吸水性能下降，导致出水量急剧减少。扬程降低，水泵消耗的功率减少，运行电流随之减少。
五、措施基于以上故障原因分析，采取了以下三方面的改进措施。
(1)解决过滤器堵塞问题按工艺要求拆卸过滤器，检查滤网是否有污物。对原有滤网的规格进行计算，发现过滤器无法满足要求，重新设计、制作安装过滤器。
(2)解决水泵漏气按水泵拆卸工艺分解水泵机组，检查减漏环。选用优质油石棉，按水泵密封盘根制作工艺从新制作水泵盘根，并更换原有失效盘根。
(3)改变水泵运行工况将水泵出口压力控制在3.1一4MPa，使水泵运行在高效率区。
实施效果:通过采取以上措施后，将水泵出口压力控制在3.1---4MPa范围内，对水泵进行调试，水泵运行电流和流量均恢复正常。对修复水泵进行3个月运行考核，水泵运行情况良好，表明水泵汽蚀问题圆满解决。
六、结语本次水泵排故，对故障原因作了一个准确、系统的分析，也为同类泵的选型、安装、检修和维护提供一定的参考。
1)水泵必须运行在一个安全区间，实际工作流量偏差应控制在流量的一40%一20%范围，超过该范围不仅泵的效率急剧下降，同时存在水泵发生汽蚀的危险。
2)水泵发生汽蚀时会出现运行电流不稳定，出水量急剧减小，同时伴有较大的振动和噪声。为有效防止该类水泵发生汽蚀，不仅要求在设计安装高度上防止汽蚀，而且在运行中也要创造良好的吸水条件和适合的运行参数。
汽蚀的主要危害是剥蚀性破坏，严重的在几周甚至几天内就能引起可观察到的破坏。汽蚀还能搅乱系统和机械的性能，特别会导致效率降低，使机械产生噪声和振动。
当水泵的吸人压力降得太低，或者当液体流速太高时，水泵就会出现气穴现象。当叶轮吸人面的局部压力降到接近液体的蒸汽压力时，就会产生汽蚀。水泵发生汽蚀现象时，会造成水泵流量、扬程降低，使水泵产生振动，过流部件剥蚀、腐蚀破坏，甚至造成水泵停止出水及水泵报废。
避免汽蚀的唯一方法，是使其整个系统压力与机械内部的压力都高于液体的汽化压力或气体发生游离的压力，水泵在设计和试验时已经过了充分的考虑和验证，故水泵的选型、安装和运行，其性能应符合工况点要求。下面列举了多级离心泵发生汽蚀故障的工程实例进行分析，供借鉴。
二、水泵故障现象概述中航工业天然气研究院2台多级离心泵，型号D85一45x8，流量85m3/h扬程360m，转速2 950r/mine配套电动机型号Y312M一2，功率132kW,额定电流242A。在试验时用于向设备部件提供冷却水，该泵属于D型单吸多级分段式离心泵，具有出水压力和转速高，结构较为复杂的特点。从结构上看它将8个叶轮同时安装在一根轴上串联工作，水由吸水管吸人后，依次由前一个叶轮压出进人后一个叶轮，每经过一个叶轮，水的比能就增加一次，其定子部分主要由进水段、导叶、中间段、出水段导叶、出水段、尾盖及轴承体等零件构成;转子部分由装在轴上的8个叶轮和一个用来承受轴向推力的平衡盘所组成。
在近一年的运行过程中，水泵曾连续出现水泵起动后运行电流不稳定(在90A左右，正常值应为200A左右)、出水量急剧减小(小于42m'/h，正常值应为80m3/h左右)的故障，针对上述情况维修人员多次对这两台水泵进行试运行，发现水泵起动后的电流为l 20A，高压端平衡管出水管口伴有吸气现象，运行20min后电流开始下降，45min后电流降到90A左右，此时出水量急剧减小，故障情况见表1p三、故障原因分析为了找出水泵运行电流不稳定、出水量急剧减小等故障的原因，从人员、设备、测试仪表、材料、操作方法和环境条件等几方面人手进行了详细的排查工作，并且多次到现场起动1", 2"水泵，进行试运行，经过组织分析讨论，绘制出有可能造成水泵出现故障的因果关系图(图2)。从因果图中可以看出，造成水泵运行电流不稳定、出水量减小的末端原因有12个。
通过对电动机转速的测定结果，发现整个试运行过程中电动机转速恒定(2 950r/min)，电压无明显变化(415一420V )，故可判断电动机方面无故障。
通过对现场管道、水箱、阀门进行检查，未发现有堵塞现象，阀门开关灵活，无异常现象，故可判断管网系统无故障。
对水泵操作程序、保养情况和测试仪表等作了认真的检查，可判断系统故障与此无关。
排除了上述原因，初步锁定故障出在水泵机组，可能的故障原因包括漏气、汽蚀、过滤器堵塞。为了查清故障原因，多次对水泵机组进行运行操作，对故障的原因进行了认真的收集整理与分析，发现除运行电流不稳定、出水量小外，其振动和噪声较正常水泵机组大，通过停机检查还发现吸水过滤器有堵塞现象，水泵故障现象统计见表20根据表2统计，在进行的9次试验运行中，因漏气引发的故障占22.2%，因过滤器堵塞引发的故障占22.2%。因汽蚀引发的故障占55.6%，见图3。因此，确四、产生汽蚀的原因分析通常水泵的汽蚀因素来自三方面，外部吸水条件、安装高度与运行参数。通过上述三方面对这两台水泵进行排查分析，首先，发现该泵长期在偏低扬程、大流量工况运行，水泵产生汽蚀现象的主要原因可能是这种偏于设计工况的运行方式。其次，过滤器堵塞造成吸水管路阻力增加，从而导致装置汽蚀余量降低，也是产生汽蚀的可能原因。
水泵盘根处有气吸入，未见水滴的现象，表明水泵内局部出现了负压区，局部负压的产生可能是内部水流速度太高，超出了设计工况，或者吸水管路阻力增加，导致水泵叶轮进口出现局部负压，也从另一侧面证明汽蚀的存在。
对水泵特性曲线进行了深人地研究，逐步认识到随着流量的增加，会使水泵的特性发生变化，即水泵必须汽蚀余量NPSHr随着流量Q的增加而增加，水泵装置汽蚀余量NPSHa随着流量Q的增加反而减少(见图4)。当流量Q增加到一定程度QI时，必须汽蚀余量NPSHr>装置汽蚀余量NPSHa，这时会发生汽蚀现象，溶解在水里的空气会自动逸出，出现“冷沸”现象产生气泡，当气抱随水流进高压区时，气泡破裂，四周的水迅速填充气抱空穴，产生水力冲击造成泵的吸水性能下降，导致出水量急剧减少。扬程降低，水泵消耗的功率减少，运行电流随之减少。
五、措施基于以上故障原因分析，采取了以下三方面的改进措施。
(1)解决过滤器堵塞问题按工艺要求拆卸过滤器，检查滤网是否有污物。对原有滤网的规格进行计算，发现过滤器无法满足要求，重新设计、制作安装过滤器。
(2)解决水泵漏气按水泵拆卸工艺分解水泵机组，检查减漏环。选用优质油石棉，按水泵密封盘根制作工艺从新制作水泵盘根，并更换原有失效盘根。
(3)改变水泵运行工况将水泵出口压力控制在3.1一4MPa，使水泵运行在高效率区。
实施效果:通过采取以上措施后，将水泵出口压力控制在3.1---4MPa范围内，对水泵进行调试，水泵运行电流和流量均恢复正常。对修复水泵进行3个月运行考核，水泵运行情况良好，表明水泵汽蚀问题圆满解决。
六、结语本次水泵排故，对故障原因作了一个准确、系统的分析，也为同类泵的选型、安装、检修和维护提供一定的参考。
1)水泵必须运行在一个安全区间，实际工作流量偏差应控制在流量的一40%一20%范围，超过该范围不仅泵的效率急剧下降，同时存在水泵发生汽蚀的危险。
2)水泵发生汽蚀时会出现运行电流不稳定，出水量急剧减小，同时伴有较大的振动和噪声。为有效防止该类水泵发生汽蚀，不仅要求在设计安装高度上防止汽蚀，而且在运行中也要创造良好的吸水条件和适合的运行参数。