張寶寧

(中條山有色金屬集團(tuán)有限公司，山西 運(yùn)城 043700)

熔煉爐沖渣水泵產(chǎn)生汽蝕的原因分析及應(yīng)對(duì)措施

張寶寧

(中條山有色金屬集團(tuán)有限公司，山西 運(yùn)城 043700)

闡述了熔煉爐沖渣水泵汽蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理，分析了由于介質(zhì)溫度的升高對(duì)汽蝕現(xiàn)象的影響，根據(jù)汽蝕現(xiàn)象的原因，詳細(xì)分析了沖渣水泵運(yùn)行效率的影響因素，提出修正水泵安裝高度的計(jì)算方法，同時(shí)提供了一些行之有效的措施。

沖渣水泵；汽蝕；安裝高度；允許吸上高度

0 前言

某銅冶煉廠有4臺(tái)6sh-9離心水泵，其作用是提供熔煉爐棄渣水淬用水，系統(tǒng)水循環(huán)使用，定時(shí)補(bǔ)充。熔煉爐流出的棄渣溫度為1000 ℃左右，需要較高壓力(0.3～0.5 MPa)和較大流量(100～140 m3/h)水流使其水淬粉化，作為建筑材料使用。該廠原設(shè)計(jì)產(chǎn)能為3萬(wàn)t/a，后經(jīng)過(guò)技術(shù)改造，產(chǎn)能提高為6萬(wàn)t/a。沖渣系統(tǒng)原設(shè)計(jì)無(wú)專用冷卻塔，由一系列沉淀水池通過(guò)表面散熱降低循環(huán)水溫度。隨著產(chǎn)能的提高，熔煉爐渣產(chǎn)量提高了近一倍，沖渣池夏季最高水溫由原來(lái)的40 ℃提高為75℃，而沖渣水泵安裝高度依據(jù)清水泵20 ℃條件安裝，不適用現(xiàn)有水溫條件，極易產(chǎn)生汽蝕。水泵發(fā)生汽蝕時(shí)效率很低，過(guò)流部件遭到腐蝕破壞，壽命大大縮短，維修成本增加，給生產(chǎn)造成很大壓力。因此，對(duì)沖渣水泵汽蝕原因進(jìn)行分析并制定行之有效的對(duì)策，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)和經(jīng)濟(jì)意義。

1 離心水泵汽蝕現(xiàn)象產(chǎn)生原因

1.1 現(xiàn)狀

1.泵體 2.泵蓋 3.葉輪 4.泵軸 5.雙吸密封環(huán) 6.鍵 7.填料密封部件 8.軸承體 9.軸承 10.聯(lián)軸器圖1 沖渣水泵(6sh-9)結(jié)構(gòu)圖

該冶煉廠沖渣水泵(6sh-9)結(jié)構(gòu)如圖1，水泵電動(dòng)機(jī)功率37 kW，流量160 m3/h，揚(yáng)程50 m，水泵允許吸上高度4.0 m。水泵安裝高度葉輪中心線高出循環(huán)水池液面1 m。該冶煉廠沖渣水泵兩用兩備，熔煉工藝要求24小時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

運(yùn)行中由于介質(zhì)溫度的升高，水泵產(chǎn)生汽蝕造成出口壓力由0.5 MPa降至0.2 MPa，沖渣水流壓力不足，不能滿足生產(chǎn)要求。夏季高溫季節(jié)甚至造成斷流狀態(tài)，為保證熔煉爐連續(xù)運(yùn)行不得不使用生產(chǎn)新水沖渣，造成水資源嚴(yán)重浪費(fèi)。水泵葉輪壽命只有60 d左右，大大低于同類水泵葉輪壽命，檢修成本增加，給生產(chǎn)和管理帶來(lái)很大困難。冶煉廠棄渣水淬后進(jìn)入渣池，由橋式抓斗周期性撈出，由于撈渣帶出的水量損失和蒸發(fā)損失，沖渣水池水量會(huì)周期性減少，由于人為原因不能得到及時(shí)補(bǔ)充，水泵不能穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 汽蝕產(chǎn)生原因分析

離心水泵在運(yùn)行過(guò)程中，由于某些原因使泵內(nèi)局部部位的壓力降到水在相應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓(汽化壓力)時(shí)，水就開始汽化，生成大量的氣泡，或者由于水泵密封部件發(fā)生泄漏，有空氣從填料壓蓋處吸入，在水流中形成氣泡，汽泡隨水流向前運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到壓力較高部位時(shí)，迅速凝結(jié)、潰滅。泵內(nèi)水流中汽泡的生成、潰滅時(shí)產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)并對(duì)過(guò)流部件造成侵蝕。這種現(xiàn)象稱為水泵的汽蝕現(xiàn)象。

水泵在產(chǎn)生汽蝕的過(guò)程中，由于水流中含有汽泡破壞了水流的正常流動(dòng)規(guī)律，改變了流道內(nèi)到過(guò)流面積和流動(dòng)方向，因而葉輪與水流之間能量交換的穩(wěn)定性遭到破壞，從而引起離心泵的流量、揚(yáng)程和效率的迅速下降，出水量減少，水壓降低，甚至達(dá)到斷流狀態(tài)。汽泡潰滅時(shí)，水流因慣性高速?zèng)_向汽泡中心，產(chǎn)生強(qiáng)烈的水錘，其壓強(qiáng)可達(dá)幾百M(fèi)Pa，沖擊的頻率達(dá)2～3萬(wàn)次/s，這樣大的壓強(qiáng)頻率作用于過(guò)流部件上，引起金屬表面局部塑性變形與硬化變脆，產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，金屬表面開始呈峰窩狀，隨之應(yīng)力更加集中，水泵葉輪出現(xiàn)裂縫和剝落。水泵葉輪壽命大大降低[1]。

從汽蝕發(fā)生的機(jī)理中可以看出，水泵產(chǎn)生汽蝕的影響因素有以下幾個(gè)方面：

(1)水泵輸送介質(zhì)的理化因素影響，水的飽和蒸汽壓隨溫度升高而升高(見表1，mH2O水柱高度值，表示壓力，下同。1 MPa≈100 mH2O)，當(dāng)水的飽和蒸汽壓升高到接近葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)形成的負(fù)壓值時(shí)，就會(huì)發(fā)生汽蝕。

表1 水在不同溫度下的飽和蒸汽壓

(2)一方面水泵安裝位置相對(duì)液面來(lái)說(shuō)過(guò)高，在水泵入口處，水不能自行進(jìn)入水泵，需要葉輪產(chǎn)生較大的負(fù)壓吸入；另一方面水泵入口管路局部阻力過(guò)大，包括管路過(guò)長(zhǎng)、彎頭、閥門造成的壓力損失。這些原因都增加了汽蝕的可能性。

(3)水泵本身結(jié)構(gòu)原因，過(guò)流部件如葉輪、雙吸密封環(huán)等(見圖1)表面粗糙，流道變化不平緩，介質(zhì)流動(dòng)過(guò)程阻力過(guò)大。

(4)水泵在運(yùn)行過(guò)程中，密封狀況發(fā)生破壞，有空氣從填料密封部件處(見圖1)吸入，產(chǎn)生汽蝕。

(5)水泵運(yùn)行過(guò)程中流量、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，流量越大發(fā)生汽蝕的可能性越大。

2 解決汽蝕的方法

為防止沖渣水泵發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，關(guān)鍵是減少水泵內(nèi)水發(fā)生汽化的可能性，最直接的方法就是降低循環(huán)水溫度和正確確定水泵安裝高度。但是在現(xiàn)有條件下，冶煉廠對(duì)水冷卻系統(tǒng)和沖渣系統(tǒng)進(jìn)行徹底改造，投資較大并且受到場(chǎng)地限制，只能通過(guò)改變水泵安裝高度來(lái)解決。

2.1 沖渣水泵安裝高度計(jì)算

每臺(tái)水泵都有其允許吸上高度(即允許液面低于水泵葉輪中心線高度m)，通常由水泵生產(chǎn)廠家實(shí)驗(yàn)測(cè)定。實(shí)驗(yàn)在大氣壓為10 mH2O下，以20 ℃清水為介質(zhì)進(jìn)行，通常實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列在水泵性能表或水泵銘牌上。當(dāng)水泵安裝條件和介質(zhì)條件發(fā)生變化時(shí)，水泵安裝高度就需要修正，依據(jù)伯努利方程對(duì)水泵允許吸上高度的推導(dǎo)，水泵安裝高度修正公式為：

Hg=Hs+(Ha-10)-(Ht-0.24)

(1)

式中Hg—現(xiàn)場(chǎng)條件下水泵允許吸上高度，m；Hs—實(shí)驗(yàn)條件下水泵允許吸上高度，m；Ha—現(xiàn)場(chǎng)條件下大氣壓強(qiáng)，mH2O； 10—實(shí)驗(yàn)條件下大氣壓強(qiáng)，mH2O；Ht—現(xiàn)場(chǎng)水泵介質(zhì)溫度條件下水的飽和蒸汽壓，mH2O；

0.24—實(shí)驗(yàn)條件下水的飽和蒸汽壓，mH2O。

Hs查水泵說(shuō)明書為4.0 m，Ha取值可查表2，該地區(qū)海拔為700 m，Ha=9.5 mH2O，Ht取值可查表1，介質(zhì)溫度按實(shí)際測(cè)得最高溫度75 ℃條件下，Ht=3.93 mH2O。

表2 不同海拔下的大氣壓強(qiáng)

將以上數(shù)據(jù)代入公式(1)得：

Hg=Hs+(Ha-10)-(Ht-0.24)=
4+(9.5-10)-(3.93-0.24)=-0.19m

根據(jù)以上計(jì)算，沖渣水泵在現(xiàn)場(chǎng)條件下允許吸上高度為-0.19 m，即泵的安裝高度必須低于水面以下0.19 m才能克服汽化壓力，防止發(fā)生汽蝕。而現(xiàn)場(chǎng)水泵安裝高度為水面以上1 m，也就是說(shuō)，在水泵葉輪進(jìn)口處，水壓小于沖渣水溫75 ℃時(shí)產(chǎn)生的汽化壓力，這就是水泵發(fā)生汽蝕的主要原因[2]。

2.2 解決沖渣水泵汽蝕的應(yīng)對(duì)措施

2.2.1 改變水泵安裝高度

如果對(duì)該冶煉廠沖渣水泵安裝基礎(chǔ)進(jìn)行改造，施工時(shí)間較長(zhǎng)，影響整體系統(tǒng)運(yùn)行。決定增高沖渣水池池壁高度，提高水池液面1.2 m，施工在不停產(chǎn)的情況下就可進(jìn)行。沖渣水池池壁高度增加1.2 m，相對(duì)來(lái)說(shuō)，就降低了沖渣水泵安裝高度1.2 m。

2.2.2 減小水泵入口阻力

改變水泵入口管道結(jié)構(gòu)，由原來(lái)的跨過(guò)泵房墻壁取水，改為穿過(guò)墻壁直接取水，取消了彎管，底閥，加大了入口管道直徑，由原來(lái)的Φ150 mm變?yōu)棣?00 mm，在水泵入口法蘭處再變徑為Φ150 mm后與水泵連接。

2.2.3 提高過(guò)流部件光滑度

安裝前對(duì)沖渣水泵葉輪流道、雙吸密封環(huán)入口等過(guò)流部件進(jìn)行打磨，清理，減少葉輪、雙吸密封環(huán)鑄造時(shí)留下的毛刺，沙粒粘接，提高流道的光滑度。

2.2.4 保證水泵穩(wěn)定運(yùn)行

(1)生產(chǎn)過(guò)程中周期性撈渣和水汽蒸發(fā)引起的沖渣水池水面高度變化，使得水泵供水流量發(fā)生改變。為保證水位穩(wěn)定，增加一套由液位控制和電動(dòng)閥門組成的自動(dòng)供水裝置，有效的保證了水位。

(2)在保證生產(chǎn)的前提下，適當(dāng)?shù)販p小水泵出口閥門開度，降低汽蝕發(fā)生的可能性。

(3)正確安裝水泵，確保水泵密封部件裝配精確，完好密封；完善水泵運(yùn)行管理制度，加強(qiáng)點(diǎn)檢巡檢，及時(shí)檢查更換填料，保證有效密封。

3 結(jié)束語(yǔ)

采取以上措施后，該冶煉廠沖渣水泵汽蝕現(xiàn)象得到緩解，水泵葉輪壽命延長(zhǎng)至150 d以上，出口壓力能夠穩(wěn)定在0.45 MPa，有效的保證了生產(chǎn)。水溫的升高對(duì)于冶金行業(yè)水淬渣供水泵運(yùn)行的影響，本文進(jìn)行詳細(xì)的分析，并提出一些針對(duì)性的預(yù)防措施，具有一定的推廣意義。

在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇合適的措施去預(yù)防汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生，提高水泵運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)約能源降低消耗的目的。

[1] 劉竹溪.水泵及水泵站(第二版)[M].北京:水利電力出版社，1986.

[2] 中國(guó)市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究院.給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

Reason Analysis and Countermeasures of Cavitation on Slag-flushing Pump for Smelting Furnace

ZHANG Bao-ning

(Zhongtiaoshan Nonferrous Metals Group Co., Ltd. Yun Cheng 043700, China)

The paper expounds mechanism of vapor loses on slag-flushing pump in smelting furnace, analyses the effect of cavitation phenomena caused by the medium temperature rising, and influencing factors of operation efficiency of slag-flushing pump according to reason of cavitation phenomena, proposes calculation methods in modifying installation height of water pump, and provides some effective measures.

slag-flushing pump；cavitation；installation height；allowable suction height

2014-02-26

張寶寧(1973-)，山西洪洞人，機(jī)械工程師，大學(xué)本科，主要從事有色設(shè)備技術(shù)管理工作。

TH38

B

1003-8884(2014)03-0048-03