渣浆泵机械密封漏水现象（渣浆泵汽气蚀产生的原因）

渣浆泵又叫杂质泵，大多数渣浆泵属于离心泵的一种，是管道水利输送的关键设备，主要用于排送含有一定粒度、浓度的固、液混合物。随着管道水力输送技术的蓬勃发展，目前，渣浆泵在很多工业领域都被广泛的应用，特别是在选矿厂运用最为广泛。因为复杂的工况，会导致渣浆泵在日常使用过程中受到较大磨损，而其中因汽（气）蚀造成的非正常磨损占相当大的比例，所以一定要正确的使用渣浆泵，消除一切不利因素，提高渣浆泵过流件使用寿命，以最大限度的降低其使用成本。本文以选矿流程中使用最多的石家庄工业泵厂生产的ZJ型卧式渣浆泵为例，分析其使用中可能产生汽（气）蚀的原因、危害及防治解决措施。

一、ZJ型卧式渣浆泵的结构及工作原理

1、ZJ型卧式渣浆泵结构

ZJ型卧式渣浆泵由基座、泵头部分、托架部份和电动机传动部份组成，泵头部份由泵壳（前泵壳、后泵壳）、过流部件（蜗壳、叶轮、前护板、后护板）、轴封装置（副叶轮 填料、机械密封）组成。（见图1）

2、ZJ型卧式渣浆泵工作原理

渣浆泵的主要工作部件是叶轮和蜗壳，蜗壳内的叶轮装置位于轴上，并与电动机连接形成一个整体。当电动机带动叶轮旋转时，叶轮中的叶片迫使流体旋转，即叶轮对流体沿它的运动方向做功，从而迫使流体的压力势能和动能增加，与此同时流体在惯性力的作用下，从中心向叶轮边缘流去，并以很高的速度流出叶轮，进入压出室，再经出管排出，这个过程称为压水过程。同时，由于叶轮中心的流体流向边缘，在叶轮中心形成低压区，当它具有足够的真空时，在吸入端压强的作用下（一般是大气压强），流体经吸入室进入叶轮，这个过程称为吸水过程，由于叶轮的连续旋转，流体也就连续的吸入、排出，形成连续的工作。

渣浆泵的工作过程，实际上是一个能量的传递和转换的过程。它将电动机高速旋转的机械能，通过泵的叶轮传递并转化为被抽升流体的压能和动能。

图1

二、渣浆泵汽（气）蚀产生的原因及破坏机理

我公司的选矿流程是处理锡铜共生矿的，矿石硬度比较高，渣浆泵过流件是在强磨蚀状态下工作的。我们通过对损坏件进行分析发现：因正常磨损而报废的过流件所占比例约25%，大部分过流件是在非正常工作工况下运行而造成早期破坏的，且寿命相差近一半。对于流程中使用的吸入式渣浆泵，其非正常损坏件占的比例较大，应是以汽蚀形式破坏的。然而对于压入式渣浆泵非正常损坏件，泵的汽蚀性能是满足要求的，以汽蚀形式破坏就解释不通了，经查阅资料我们才发现，汽蚀除了常见的真空汽蚀一种外，还有一种汽蚀，称为气体气蚀。以下我们对两种汽蚀所产生的原因及破坏机理进行分析。

1、真空汽蚀产生的原因及破坏机理

汽蚀是由于液流流道中的局部低压（低于该处温度下液体的饱和蒸气压）使液体在该处汽化而引起大量微气泡爆发性生长，微气泡急剧生长成大汽泡后随液流至压力高处突然溃灭，对流道壁面产生高达几百个大气压的冲击，造成壁面材料的剥蚀，这一现象称为汽蚀。

在渣浆泵运转过程中，当泵内流体的绝对速度增加或吸入状态发生变化时，使得流体静压力下降，当压力降到小于汽化压力时，便会产生真空汽泡，真空气泡随液体流动到泵内后，由于叶轮的旋转使得压力上升，便会造成汽泡突然破裂，从而产生巨大的属于内向爆破性质的冷凝冲击，若汽泡破裂不发生在流动的液体内，而是发生在过流部件壁面处，凝结破裂形成的微喷射流像利刃似的高频高速冲击壁面，致使壁面产生麻点及微小裂纹，连续频繁的汽泡破裂会使材料疲劳剥落，形成蜂窝状，汽蚀破坏除具有机械力作用外，同时还伴有电解、化学腐蚀等作用，从而造成了过流部件的早期损坏。

汽蚀产生的原因用分子理论学解释：流体分子的密度随压力的增高而加大，随压力的降低而减小。由此我们可以想到，泵在吸入工作时，吸入管内的压力会逐渐降低，到叶轮入口处最低，显然，液体密度也是在逐渐减小，液体分子间距离加大。但通过旋转的叶轮增压后，液体密度急剧增加，分子间距突然缩小，从而会分离出一些低压汽泡，汽泡受压力的作用及挠动的液体撞击会突然破裂，从而造成汽蚀。

为避免上述原因产生的汽蚀，则必须了解造成汽蚀的相关因素，通常引入的是汽蚀余量（又称有效净正吸头）概念来描述汽蚀发生的界限，汽蚀余量的方程式为：

式中：NPSHa 为装置的汽蚀余量；PC为吸入液面的压力，对于敞开式吸入即外界大气压力；ρ为输送介质密度（kg/m3）；g为重力加速度（m/s2）；hg为吸入几何高度（m），倒灌时取 值；Pv为汽化压力（kg/cm3）；hc为吸入装置的损失水头（m）；吸入装置的水力损失按下式计算：

式中：λ位吸入管阻力系数；L为吸入管长度；D为吸入管内径（m）；V为管内液体流速（m/s）；∑ ξ为局部阻力系数之和。将式（2）带入式（1）得：

图2

由式（3）可知，决定装置内汽蚀余量的参数有当地大气压力、输送介质密度、吸入几何高度、吸入管阻力系数、吸入管长度、吸入管内径、局部阻力、流体速度、输送液体温度。其中影响因素最大的是：a、吸入几何高度，因此一定要注意限制；b、管内液体流速。大家知道，管内流速与流量成正比，相同流量下与管内径成反比，这就充分说明了吸入管直径需适当加粗的原因；c、输送介质密度，由公式可以看出：输送介质密度大，吸入性能差。这就是为什么吸入浆体比吸入清水性能差的原因；d、吸入管长度越长，则管路阻力越大，故在允许的情况下应尽量缩短吸入管管长。

由式（3）计算出的装置汽蚀余量值若小于或等于所用泵该工作点下的汽蚀余量值，则该泵就定会产生汽蚀，泵不发生汽蚀的条件是：NPSHa= NPSHr（NPSHr 为泵必须汽蚀余量要求，产品样本一般给出）

此外，与上述同机理的另一种汽蚀称为间隙汽蚀，间隙汽蚀产生的原因是：高低压差作用在小间隙部位，可使流体产生局部的、非常高速的射流，在这种情况下，虽然泵满足汽蚀余量要求，但由于高速流动的结果，在间隙内将形成一个很低的静压力，甚至降到流体的汽化压力而形成真空汽泡，这种汽泡在间隙下游流速较低的区域发生破裂而形成汽蚀。这种间隙汽蚀一般表现在高扬程泵蜗壳隔舌处及叶轮前盖板与吸入侧的间隙内，尤其泵工作在小流量情况下更为严重，勘察过流件破坏严重部位也正发生于此。

2、气体气蚀产生的原因及破坏机理

气体气蚀亦简称气蚀，其形成原因是：泵内吸入溶解于液体中的各种气体从泵液体中溢出形成气体空腔，气体空腔至高压区后破裂而形成气蚀。由于这类气泡内部有空气存在，故自身具有可压缩性，因而气泡内向爆裂时有缓冲作用，所以其单独破坏作用不如真空汽蚀大。但是，由于吸入气泡的数量一般远远多于真空汽蚀所产生汽泡的数量，那么，其总体破坏作用也就显得非常重要了。

气体气蚀破坏机理：一是存在着像真空汽蚀破坏一样内向爆破机理，二是存在着浆体中颗粒介质气液分离后的加速冲击作用，由于这类气泡比浆体质量轻，所以它极易被旋转的叶轮赶到蜗壳及前后护板壁面上及护板蜗壳的结合缝隙内并在此处破裂，破裂后液体迅速补充空穴，加速撞击壁面，这种频繁撞击，造成材料疲劳剥落，剥落后的凹坑更易存留气泡，并且还会在此形成涡流，加速壁面磨损。（见下图2所示）

此类属气蚀加高速旋流综合破坏形式，过流件损坏很快，破坏后的外观如熔岩洞滴石怪状。

这里需提及一点的是：气体气蚀与抽空是两个不相同的概念，抽空形成的是气液分离，气体气蚀则是气液溶解而后破裂所形成。

三、汽（气）蚀的危害

1、产生振动和噪声

渣浆泵汽蚀时，汽泡在高压区内连续不断发生突然溃灭，并伴随着强烈的液击，这时会产生频率为600～25000Hz的噪音，泵内可听到劈劈、啪啪的爆炸声，同时机组产生振动，机组的振动又将促使更多的空泡发生溃灭，两者相互激励，当频率接近于装置的固有频率时，机组将发生强烈的共振，称为汽蚀共振，振动剧烈和噪声过大时，泵应停止工作。

2、过流部件的汽（气）蚀破坏

渣浆泵长时间在汽（气）蚀条件下工作时，在连续强烈的高频（600～25000Hz）冲击下（压力达50MPa），金属表面初期会出现麻点，后期金属晶粒会松动并脱落，呈现出蜂窝状、海绵状、沟槽状、鱼鳞状甚至穿孔、断裂。

实践证明，汽（气）蚀破坏的部位，正是汽泡消失之处，所以常常在叶轮出口和蜗壳进口部位发现破坏痕迹，在叶轮两侧和外周、前后护板及蜗壳内壁也会出现间隙汽蚀破坏。

3、性能下降

渣浆泵刚发生汽蚀时，对泵性能影响不大，待汽蚀发展到一定程度，由于叶轮和液体的能量交换受到干扰和破坏，大量的汽泡会堵塞流道，泵的流量、扬程、效率 、轴功率曲线就也会显著下降。

四、防止汽（气）蚀破坏的措施

1、采用抗磨蚀材料的过流件

采用某些抗汽蚀破坏性能良好的材料，可以在不同程度上减轻气蚀破坏程度，提高渣浆泵过流件的工作寿命。如采用钛合金、镍合金等合金材质过流件，均可获得优良的抗汽蚀破坏性能。

2、提高过流件表面的加工精度和光洁度

渣浆泵过流部件过流表面，特别是容易发生汽蚀部位的表面制造加工质量、几何形状精度和表面光洁度等，对于泵的汽蚀性能会产生一定影响。比较粗糙或不光洁的过流部件，在流量较小的时候，由于边界层较厚，不会对汽蚀性能有什么影响，但是在大流量情况下，会对汽蚀的开始点造成影响。

另外，比较粗糙或不光洁表面，在汽蚀条件下会引起应力集中，从而加速材料的破坏。

过流部件几何形状和加工精度的误差将会造成液体流动状态的改变，如产生旋涡、撞击和局部扩散，从而增加了产生汽蚀的机会，尤其是叶轮叶片进口附近的翼形几何形状、头部尺寸、进口边位置、叶轮与密封环或泵体之间的间隙大小等，都会对叶轮的抗汽蚀性能产生一定的影响。

3、正确的设计吸入接管和吸入管路

渣浆泵吸入接管和吸入管路内的压力通常都很低，如果它们的尺寸和形状选择不当，就容易在其内发生汽蚀。因此，正确的设计吸入接管和吸入管路，以保证液流在其内具有最小的阻力损失，并使得液流在进入叶轮之前具有良好的流动性能，将对于提高泵的汽蚀性能具有很大意义。

首先，应采用最短的吸入管路，使其结构最为简单和有利液体的流动，并且尽量减小不必要的管路附件，如弯头、附件等。

此外还应该正确地选择吸入管路的直径。吸入管径过大，在小流量工况时会在其内产生回流现象，而直径过小的话，就会产生较大的吸入磨擦损失，这样都会降低叶轮吸入口的液体压力，不利于汽蚀性能。吸入管径对泵汽蚀性能的影响已被所进行过的实验所验证，过小的吸入管径将会导致泵汽蚀工况的提前产生，从而大大降低了泵的可调性能。

吸入接管的尺寸和结构对泵汽蚀性能的影响是十分明显的，因此更应该予以重视。

4、减轻渣浆泵机组运行时的振动

渣浆泵是一种旋转机械，它在运行时或多或少的都会产生一些振动，有时候，外界的机械振动也会给泵的运行带来影响，造成泵运行时的附加振动。渣浆泵中料液的气蚀会导致机组的振动，反之，机组的振动也会影响泵的汽蚀性能降低，并且还会产生其他一些不利的影响，因此，应该尽量减轻或消除机组运行时的振动，以改善渣浆泵的水力性能和气蚀性能。

5、避免气泡进入泵内

对于压入式工作的渣浆泵，真空汽蚀现象较少，而气体气蚀却广泛存在，而气体气蚀产生的原因是由于液体中混合了气泡，液体中混合气泡形成大概有如下几种原因：

（1）、选矿流程中加入的药剂会产生气泡，气泡极易混入在料液内，并随料液流入泵内。

（2）、料液进入料液池时的水力冲击，造成料液翻卷并裹入气泡。

（3）、料液池液面太低、吸入池体积太小或吸入口位置布置不合理，造成吸入口形成漩涡带进气体。

（4）、吸入管路装置或填料部位密封不严造成空气进入。

针对气泡产生的原因我们只要采取有效的解决方法便可避免气体气蚀，具体针对性的做法这里就不再赘述。

五、结束语

汽（气）蚀是渣浆泵过流件破坏的重要原因，大多数使用中的渣浆泵经常在汽（气）蚀状态下运行，因而在使用时一定要引起高度的重视，这样做会使泵过流部件的寿命、泵的效率大大提高，安全经济运行才能得到保证，从而带来良好的经济效益。

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