張麗霞

(大同煤礦集團(tuán)大斗溝煤業(yè)有限公司，山西 大同 037003)

0 引言

礦井主排水泵是確保礦井正常運(yùn)轉(zhuǎn)并避免水害影響的主要設(shè)備，而礦用主排水泵多為多級(jí)離心泵。水泵在使用過程中，比較常見的故障有喘振和汽蝕。水泵產(chǎn)生喘振現(xiàn)象后，泵體內(nèi)部受到水力沖擊作用加大，會(huì)對(duì)水泵各過流元件造成極大損傷，嚴(yán)重影響水泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)。汽蝕會(huì)對(duì)水泵內(nèi)葉輪和各過流表面造成損傷，甚至造成表面變形和疲勞，降低水泵的運(yùn)行效率，并表現(xiàn)出異常噪音和振動(dòng)現(xiàn)象。為此，加強(qiáng)對(duì)礦井主排水泵的運(yùn)行工況監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)喘振和汽蝕現(xiàn)象，能夠有效確保水泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)效率，并確保井下排水工作的正常進(jìn)行。

1 排水泵喘振與汽蝕現(xiàn)象分析

1.1 進(jìn)氣導(dǎo)致喘振

水泵運(yùn)轉(zhuǎn)過程受到多種因素影響，少量空氣會(huì)伴隨水流進(jìn)入水泵泵體內(nèi)部，被帶入的空氣受到流體的液體壓力，在葉輪低壓處會(huì)進(jìn)行膨脹，而被帶入高壓處會(huì)被壓縮，體積縮小而壓力升高，形成小范圍的高壓區(qū)，該過程會(huì)不斷受到泵體內(nèi)部流體的狀態(tài)影響而不停發(fā)生變化，這類泵體內(nèi)部的體積變化會(huì)影響到流體低壓的真空度，降低排水泵吸水能力。壓力變化還會(huì)對(duì)泵體本身產(chǎn)生沖擊作用，致使離心泵出現(xiàn)振動(dòng)和噪音，水泵的揚(yáng)程、流量以及機(jī)械效率都會(huì)受到影響。

液體降落進(jìn)氣：礦井排水系統(tǒng)需要井下排水先匯入水倉內(nèi)，再通過主排水泵抽出輸入至地面進(jìn)行處理，這就構(gòu)成了一個(gè)水體循環(huán)流動(dòng)系統(tǒng)。井下排水匯入水倉前，會(huì)由高處落下，沖擊作用會(huì)將一部分空氣攜帶至水體，當(dāng)沖擊所產(chǎn)生的所有能量全部消耗完，進(jìn)入水體的氣體會(huì)逐步釋放，水體需要進(jìn)行一定時(shí)間的靜置，才能釋放大部分空氣。由于設(shè)計(jì)、現(xiàn)場場地等因素，水倉深度和體積會(huì)存在一定限制，水倉深度過低，水體流量過大，就會(huì)導(dǎo)致氣體尚未完全釋放就被帶到泵體進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部。

蝸旋進(jìn)氣：排水泵循環(huán)吸入過程中，液位急劇下降，會(huì)沿吸水口中心形成漩渦，這種渦流現(xiàn)象會(huì)攜帶一定量空氣伴隨水流進(jìn)入泵體及循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)。而空氣進(jìn)入泵體對(duì)系統(tǒng)造成的影響與上述情況是一致的。該情況大多是由于水井水位過低，水泵進(jìn)水口設(shè)置過淺造成的。還有極個(gè)別情況是由于進(jìn)水管出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。

1.2 氣蝕現(xiàn)象與分類

汽蝕現(xiàn)象主要是由于泵體內(nèi)部流體壓力低于飽和蒸汽壓力，部分水出現(xiàn)汽化現(xiàn)象形成氣泡，體積上出現(xiàn)膨脹，隨水流流動(dòng)到泵體高壓區(qū)域，受到壓力作用，氣泡重新凝結(jié)為液體，負(fù)壓作用導(dǎo)致水流向該處匯集，形成沖擊現(xiàn)象，形成水錘現(xiàn)象，作用在水泵葉輪上，長期作用下對(duì)葉輪和水泵的流道表面都會(huì)造成金屬疲勞，形成表面蜂窩狀孔洞或出現(xiàn)表面金屬部分剝蝕，同時(shí)氣泡攜帶的氣體本身也會(huì)造成金屬表面氧化，對(duì)葉輪和流道表面產(chǎn)生腐蝕。離心泵水流低壓區(qū)通常位于第1級(jí)葉輪入口處，汽蝕造成的沖擊力非常大，沖擊頻率能夠達(dá)到20 000次/s以上。

葉片汽蝕：離心式水泵最為常見的損傷為葉片汽蝕，主要受到水泵安裝高度或流量偏移因素的影響，損傷區(qū)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(shù)為小的淺坑或微小汽蝕孔，并呈沿進(jìn)水邊緣向外擴(kuò)散，水泵流量較大時(shí)葉片正面損傷較大，而小流量時(shí)背部損傷會(huì)明顯增加。

間隙汽蝕：該類汽蝕現(xiàn)象的損傷多數(shù)位于葉片外邊緣，呈現(xiàn)出圈狀，損傷面為蜂窩麻面狀。該類汽蝕發(fā)生主要由于水泵的低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，流體經(jīng)過離心泵的回流槽處，水流通道變窄，流體速度加快但壓強(qiáng)相對(duì)下降，造成汽蝕損傷。

蝸旋汽蝕：排水泵前段的水倉、進(jìn)水池等處設(shè)計(jì)不當(dāng)，水泵進(jìn)水口處水流紊亂，渦流攜帶部分空氣進(jìn)入泵體，這類汽蝕狀況會(huì)呈現(xiàn)周期性，水泵內(nèi)形成的渦帶會(huì)造成葉片的表面損傷，并集中在葉片低壓區(qū)域。同時(shí)漩渦旋轉(zhuǎn)方向與水泵內(nèi)水流正常旋轉(zhuǎn)方向不同對(duì)水泵造成影響也不相同，當(dāng)兩者方向相同，相對(duì)運(yùn)動(dòng)較弱，對(duì)于離心泵而言，功率會(huì)下降，并出現(xiàn)欠載；方向相反時(shí)，流體相對(duì)速度高且流量大，離心泵可能會(huì)出現(xiàn)超載。

2 礦井主排水泵喘振與汽蝕原因分析

2.1 喘振現(xiàn)象的分析

對(duì)礦井主排水泵的喘振現(xiàn)象進(jìn)行分析，通過研究整個(gè)系統(tǒng)的力學(xué)穩(wěn)定性及排水泵的性能曲線，明確整個(gè)管路系統(tǒng)中的流動(dòng)狀態(tài)。水泵出現(xiàn)喘振的頻率范圍基本穩(wěn)定在0.1～10 Hz范圍，在這個(gè)固有頻率內(nèi)水泵出現(xiàn)喘振幾率極大。反映在曲線上，主排水泵的工作點(diǎn)會(huì)形成一個(gè)封閉的曲線，并且呈現(xiàn)逆時(shí)針變化，而工作點(diǎn)會(huì)位于駝峰型性能曲線上升區(qū)域，該段為不穩(wěn)定工作段，如圖1、圖2所示。

圖1 主排水泵的工作點(diǎn)軌跡

圖2 駝峰形性能曲線

圖2駝峰曲線中峰值處為最佳工況點(diǎn)K，當(dāng)工況點(diǎn)位于K點(diǎn)左側(cè)，例如A點(diǎn)出水泵靜壓頭大于管路阻力損失，流速和流量會(huì)逐步增加；而位于K點(diǎn)右側(cè)，流量和流速會(huì)下降，即水泵靜壓頭會(huì)小于管路阻力值，并呈現(xiàn)降低趨勢，直到流量值歸零。這時(shí)，以峰值點(diǎn)K點(diǎn)為分界點(diǎn)，左區(qū)為不穩(wěn)定區(qū)，右區(qū)為穩(wěn)定區(qū)。一般情況下水泵系統(tǒng)分為簡單泵系統(tǒng)和復(fù)雜泵系統(tǒng)。簡單泵系統(tǒng)揚(yáng)程特征量會(huì)小于管路特征量，即單純從管路系統(tǒng)中不會(huì)因?yàn)閾P(yáng)程曲線趨勢和工況變化是否出現(xiàn)駝峰而產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。而復(fù)雜泵系統(tǒng)管路設(shè)置有水箱及其他控制閥，管路主線的控制閥對(duì)流量調(diào)整，導(dǎo)致排水泵的工況點(diǎn)超出關(guān)死揚(yáng)程點(diǎn)就會(huì)發(fā)生喘振現(xiàn)象。排水泵系統(tǒng)中后段存在儲(chǔ)水罐或儲(chǔ)氣罐等部分形成復(fù)雜系統(tǒng)，并且使用罐體后段節(jié)流閥改變流量時(shí)會(huì)發(fā)生喘振現(xiàn)象。

2.2 汽蝕現(xiàn)象的分析

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(huì)<10 m，即pa/γ=10 m。

水泵吸水維持平衡的公式為

(1)

式中，Hx—吸水高度，m；po—水面大氣壓力，Pa；p1—水泵吸水壓力，Pa；v1—水流進(jìn)入吸水口流速，m/s；ΔHx—吸水管壓力損傷，m；γ—水的重度，N/m3。

水泵與水面間的吸水高度增加會(huì)影響水泵入口水流流速，并呈反比。當(dāng)最終水泵泵體內(nèi)第1級(jí)葉輪入口位置的低壓區(qū)域的壓力狀況低于水的飽和蒸發(fā)壓力值后，會(huì)形成氣泡，進(jìn)而產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。為了避免汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生，水泵的安裝位置應(yīng)低于最大吸上真空度的高度，并且應(yīng)確保0.3 m的安全余量。

水泵的真空度可表述為

(2)

式中，Hs—允許吸上真空度，m。

為了避免汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)考慮吸水管路中阻力損失，并且進(jìn)入到水泵入口處的水流壓力應(yīng)大于蒸發(fā)氣化壓力，將水泵輸出的總能力稱之為有效汽蝕余量

(3)

水泵發(fā)生的汽蝕存在一個(gè)臨界點(diǎn)，稱之為汽蝕余量的臨界值，工程實(shí)際中還需要考慮預(yù)留一個(gè)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(jìn)行合成后，可以得出水泵不發(fā)生汽蝕現(xiàn)象的吸上高度

(4)

式中，Δhc—允許汽蝕余量，m。

3 排水泵喘振與汽蝕現(xiàn)象改善措施

3.1 減少排水泵進(jìn)氣

減少排水泵運(yùn)轉(zhuǎn)過程中進(jìn)入大量空氣，需要從以下幾處進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。降低水倉深度與落水口間落差，排水進(jìn)入水倉時(shí)落差不宜過大，否則由于沖擊作用會(huì)導(dǎo)致水體攜帶大量空氣；確保水倉容積，排水進(jìn)入排水泵前在水倉內(nèi)部進(jìn)行靜置，可以將水體中氣體逐步析出，應(yīng)確保水體具有0.5 h以上的靜置時(shí)間，需要增加水倉的容積來儲(chǔ)存更多水量；增加水泵進(jìn)水管深度，水倉深部的水體含氣量較低，并且不易在管口產(chǎn)生旋流；及時(shí)監(jiān)控水倉液位變化情況，避免水位變化量過大，導(dǎo)致水位過低，接近或低于進(jìn)水管口。

3.2 避免排水泵汽蝕

根據(jù)上述分析，排水泵發(fā)生汽蝕的性能指標(biāo)，即允許汽蝕余量在設(shè)備生產(chǎn)和安裝完畢后基本就固定了，在設(shè)備安裝過程中就要保證合理安裝位置來保障設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中不發(fā)生汽蝕，確保水泵正常的工作功能。或者通過優(yōu)化管路和系統(tǒng)，調(diào)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。

避免汽蝕的方法。合理設(shè)置水泵進(jìn)水管長度和直徑，減少該管路上不必要的配件，最大限度地減少進(jìn)水前端的管路能量損失；可以通過在水泵進(jìn)水管路上設(shè)置射流泵或射流泵組合的方式提高主排水泵入口壓力；做好對(duì)管路中各處的密封，尤其在進(jìn)水管階段避免空氣的進(jìn)入；確保水倉容積率，保證匯入水倉內(nèi)井下水能夠有一定的靜置，將水中的空氣析出，避免吸入水泵內(nèi)；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(jìn)口處水流的局部阻力；在離心泵前端增加誘導(dǎo)輪，提高水泵入口的液體壓力，提高水泵效率，能在水泵選型時(shí)減小水泵的尺寸和重量，優(yōu)化排水泵的結(jié)構(gòu)形式；定期使用超聲法、泵體噪音、振動(dòng)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)水泵機(jī)組的非正常工況，并進(jìn)行相應(yīng)應(yīng)急處置。

3.3 排水泵系統(tǒng)優(yōu)化措施

可考慮將排水泵選取為大葉片的多級(jí)離心式水泵，降低水流在管路中流速；水泵進(jìn)口處盡量設(shè)置誘導(dǎo)輪，或者在吸入口加裝吸入閥，可通過吸入閥進(jìn)行性能曲線調(diào)整，通過加大流量使性能曲線臨界點(diǎn)向右上移動(dòng)，相反向左下方移動(dòng)；減少排水系統(tǒng)流道中表面粗糙度，并且減少管路起伏，降低流動(dòng)過程的阻力損失；主排水泵壓出側(cè)應(yīng)設(shè)置旁路管，可將壓出的水流重新帶入吸入側(cè)，工作點(diǎn)會(huì)移動(dòng)到駝峰右側(cè)穩(wěn)定區(qū)；選取高強(qiáng)度的過流元件來增加其耐久性。

4 結(jié)語

礦用離心式主排水泵受到多種因素影響會(huì)出現(xiàn)喘振和汽蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行異常。通過對(duì)這兩種現(xiàn)象的分析，提出針對(duì)避免進(jìn)氣、汽蝕的方法和優(yōu)化排水系統(tǒng)的措施，確保礦用離心式排水泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)增強(qiáng)設(shè)備的工作壽命具有一定的作用。