水环真空泵的汽蚀原理及预防

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)双鸭山东方墙材有限责任公司 作者:孟繁海

  在烧结砖瓦工艺中,为了提高泥料的成型性能、均匀致密性以及坯体强度,使一些低塑性的劣质原料得到充分利用,使普通泥料能够生产出薄壁、高强度空心砖,我们通常采用真空泵对泥料进行真空除气处理,使存在于泥料内部的气体含量满足生产要求,以获得合格的坯体。

  砖瓦企业采用的真空泵种类较多,水环真空泵是真空挤出机常用的配套设备。真空泵在高真空状态下运行,特别是在夏季,随着工作水温的升高,水的气化压力也随之升高,在真空泵的吸入端,水环内的气泡迅速冷凝并使气泡破裂,这就是真空泵产生汽蚀的机理。真空泵的汽蚀与真空泵的真空度、工作水温有关系,与真空线速度、压缩比没有直接关系。在这样工况下,任何真空泵都会发生汽蚀,因为不论真空泵的结构如何、压缩比多大,它在真空泵的吸入侧均形成相同的真空,必然会产生汽蚀。

  真空泵工作时,尽可能要求在高效区内,也就是在临界真空度或临界排气压力的区域内运行;应避免在最大真空度或最大排气压力附近运行。在此区域内运行,不仅效率极低,而且工作很不稳定,易产生振动和噪声。对于真空度较高的真空泵而言,在此区域之内运行还会发生汽蚀现象,产生这种现象的明显标志是泵内有噪声和振动。汽蚀会导致泵体、叶轮等零件损坏,以致泵无法工作。本文针对水环真空泵汽蚀产生的原理及其预防加以论述。

1、汽蚀产生原理

  汽蚀是由液体气化引起的,液体分子逸出液体表面,成为气体分子的过程,称为“气化”。液体的气化程度与压力的大小、温度高低有关。溶解于液体中的气体,在压力和温度变化时也会释放出来,形成气穴。当液体内部压力下降,低于液体在该温度下的饱和蒸汽压时,在局部区域形成气泡或气穴;而在压力升高的地方气泡突然被四周的压力压破,液流因惯性以极高的速度向气泡中心挤压,对设备造成水力冲击。这种微泡的产生、溃裂以及对过流表面产生物理和化学作用的整个过程称为汽蚀。汽蚀时产生的气泡流动到高压处时,其体积减小以致破灭。这种由于压力上升气泡消失在液体中的现象称为汽蚀溃灭。

  真空泵在运转中,若其过流部分的局部区域(通常是叶轮叶片进口稍后的某处)因为某种原因,抽送液体的绝对压力降低到当时温度下的液体气化压力时,液体便在该处开始气化,产生大量蒸汽形成气泡,当含有大量气泡的液体向前经叶轮内的高压区时,气泡周围的高压液体致使气泡急剧地缩小以致破裂。在气泡凝结破裂的同时,液体质点以很高的速度填充空穴,在此瞬间产生很强烈的水击作用,并以很高的冲击频率打击金属表面,冲击应力达到几百至几千个大气压,冲击频率达到每秒几万次,严重时会将壁厚击穿。

  在真空泵中产生气泡和气泡破裂使过流部件遭受到破坏的过程就是真空泵中的汽蚀过程。真空泵产生汽蚀后除了对过流部件产生破坏作用,还会产生噪声和振动并导致泵的性能下降,严重时会使泵中液体中断,不能正常工作。

  水环泵的汽蚀损坏都是在气泡产生和破裂的部位,金属表面出现点蚀现象,严重的会出现蜂窝状损坏。如果真空泵叶轮在汽蚀部位有较大的残余应力,还会引起应力释放,产生裂纹。由于泵汽蚀时气泡在高压区连续发生突然破裂,以及伴随着强烈水击产生的噪声和振动,可以听到像爆豆似的劈劈啪啪的声音。如果上述气泡在金属表面上破裂,金属表面将受到连续强烈的水击出现麻点,金属晶粒松动并剥落而成蜂窝状甚至穿孔。汽蚀破坏除机械作用外,还伴随着电解、化学腐蚀等多种复杂的作用。实际破坏效果表明,泵过流部件汽蚀破坏的部位,正是气泡消失的地方。真空泵需要用液体作为工作介质。每种液体

  在某一温度下都有对应的饱和蒸汽压。当吸入区域的绝对压力越接近液体的饱和蒸汽压时,液体越接近沸腾状态。这时,在吸入区域的工作液表面会产生大量的气泡,由于液体在工作腔内产生的工作液蒸汽会占据部分工作腔的空间,泵对外的吸气能力会有所下降。当吸入区域的压力达到工作液的饱和蒸汽压时,可以认为工作腔内全部充满了工作液蒸汽,此时泵对外的吸气能力接近于零,而此时泵的汽蚀现象也最为严重。

  如果工作液是水,水温越高,泵的抽气性能下降越多。水环真空泵的水温对其性能影响较大,而水环真空泵的性能曲线均为在15℃的水温条件下测得,因此在实际选用水环真空泵时应对水环真空泵的抽气速率进行修正。

2、水环真空泵汽蚀现象的消除方法及预防

  水环真空泵在汽蚀状态下长时间工作,会造成泵的噪声、振动变大,甚至对泵造成损坏,因此应尽量避免水环真空泵在汽蚀状态下工作,可通过以下方法:

(1)降低水的温度

  由于真空泵冷却水温升高会导致其抽气能严重降低,真空泵密封水温度必须低于排汽压力对应的饱和温度,否则就会使真空恶化,还会导致真空泵叶轮的汽蚀损坏。因此降低水的温度达防止汽蚀的效果。

(2)提高选型的准确性,使真空泵运行在安全区域

  在选型阶段,选择真空泵吸入压力及水的温度时应尽量避开真空泵容易发生汽蚀的压力范围,即避免真空泵在临界真空度或临界排气压力的区域内运行,尽量减轻汽蚀的产生。

(3)安装汽蚀保护管

  安装有汽蚀保护管的真空泵,汽蚀过程中产生的气泡在压缩过程时破裂,从外部引入压力较高的不凝气体能够及时补充因气泡破裂而出现的空间,这样可以大大减轻汽蚀对泵的损害并降低汽蚀引起的噪声和振动。

  某些泵具有汽蚀保护接口,如在极限压力下工作,开启汽蚀保护管接口(或与汽水分离器连接)可在最大限度保证吸气效果的情况下消除汽蚀声,并对泵进行保护。

(4)配大气喷射器

  大气喷射器作用是利用大气压相对于真空泵的压差,产生空气射流,在喷射器内获得比真空泵更低的抽吸压力,从而消除真空泵的极限压力,防止真空泵汽蚀,起到保护真空泵的作用。由于大气喷射器是为了防止真空泵汽蚀、保护真空泵而设置的,一般设置有大气喷射器的真空泵,抽吸形成的真空要好于没有装设的。

(5)采用更低的饱和蒸汽液体作为工作液

  将工作液由原来的水改为变压器油,其极限真空度因油的饱和蒸汽压较低得到较高的提升。在抽除污染较大的气体及在某些特殊工作场合时,真空泵的工作液也可用其它液体(可用甲醇、乙醇、二甲苯、苯胺、丙酮等粘度较低的有机溶剂),其极限真空度由工作液的饱和蒸汽压决定。

  油环真空泵可在20~90℃工作,所以其在抽除水蒸气等气体时因油温较高,水蒸气不易凝结,所以泵油不易被乳化,从而提高了泵油的使用寿命。使用有机溶剂作为工作液时,应注意电机是否防爆,对真空泵及其密封件的腐蚀问题。

(6)泵的叶轮、圆盘等采用防汽蚀能力较强材料

  不同的材料抗汽蚀能力有十分明显的区别。响材料抗剥蚀能力的因素很多,通常具有高硬度和高弹性的材料抗剥蚀能力较强。国外推荐低碳铬镍合金钢,如13Cr4N作为在汽蚀状态下工作的水力机械材料,具有较好的抗剥蚀性能。对叶轮涂层的方法比较常用,非金属涂料涂敷采用环氧树脂、尼龙粉、聚氨酯等。在流道表面堆焊合金或喷涂合金防止汽蚀破坏也取得了一定效果,如不锈钢焊条堆焊法、不锈钢板镶焊修补法、合金粉末喷焊。

  就非金属和合金(包括不锈钢)的几种方法比较,非金属涂层方式经济,但应当对其操作工艺严格控制,以防止涂层脱落。采用合金粉末喷焊效果好但成本高,且有些地方可能无法进行。

3、结束语

  真空泵发生汽蚀是真空泵常见的故障,任何真空泵都会发生汽蚀。在砖瓦企业日常生产中,做好设备的基本维护工作,对真空泵汽蚀有一个清晰的认识,并合理选择预防汽蚀的方法,一定可以达到减轻真空泵汽蚀的目的。

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