喷管式汽水混合换热器损坏分析

　　2003年8月笔者偶然发现板式换热器入口处有大量的金属腐蚀碎片和残缺的喷嘴，进一步检查发现，使用才3个供暖期后，所有的喷管式汽水混合换热器（下文简称加热罐）中长1400mm、直径159mm、壁厚4mm的喷管全都消失，加热罐几乎变成了一个空壳，稳流体遭到不同程度的损坏，但布汽板完好无损，加热罐结构及首先产生气蚀的部位示意图见。换热的形式，一次水系统采用加热罐进行汽水混合式换热（130°C/80°C），二次水系统采用板式换热器进行换热（110°C），换热系统见。下面来分析造成一次水系统中加热罐严重损坏的各种可能原因：在非供暖期一直对加热罐采取水养护的办法，即向其中注满水，所以加热罐的严重损坏不会是空气的氧化腐蚀造成的。

　　水中氧气和二氧化碳的腐蚀水中溶有多种气体，压力和温度不同时各气体在水中的溶解度不同。加热罐运行时其喷管周围会形成低压区，当出现干锅或缺水现象时补充冷7水空气就会由水中析出产生“气穴”，为气蚀的发时，水就大量汽化，同时，原先溶解在水里的气体也受着高达30000 s-1频率的强烈水锤作用，像水力生提供条件。氧气和二氧化碳会对加热罐造成腐蚀，温度每升高10°C腐蚀速度大致增加一倍，由于加热罐中水和气的温度都较高，就加剧了水中氧气和二氧化碳的腐蚀作用。

　　初次充水，即使水质不合格也无关紧要，因为随着蒸汽的放热，凝结水不断增多，定压溢流装置使多余的水不断溢出，加热罐中的水终是蒸汽的凝结水。热电厂锅炉的水质应该是合格的，不会对加热罐造成严重腐蚀。

　　高温热水的高速冲刷作用高温高速水的冲刷作用是加热罐损坏的重要原因之一，但是，管道泵是产生一次水的动力，高速水流是汽和水混合换热本身所需要的，因此，即使高温高速水流的冲刷作用是加热罐损坏的重要原因也不能去除它，更何况高速水流的冲刷损坏是通过气蚀起作用的，真正的原因是气蚀。

　　笔者认为气蚀是造成加热罐严重损坏的主要原因，将在下面详细探讨。

　　2气蚀是加热罐损坏主要原因2.1气蚀现象对封闭流道中流动的液体，当液体压力低于饱和蒸气压时，液体会沸腾而产生气泡，气泡进入高压区时，会迅速破裂而发生气蚀现象，气蚀现象只能在低于液体饱和压力的液体低压区中出现。低压区是由于水的流动而产生的，水的流动缘于水泵的驱动。当叶轮进口低压区的压力小于汽化压力自动逸出，出现“冷沸”现象，形成的气泡中充满蒸汽和析出的气体。水泵叶轮进口端低压力降低到当时当地被抽液体工作温度下的饱和蒸气压力时在泵壳内发生气穴现象，它所产生的效应就是气蚀。水泵的气蚀余量（NPSH，netpositivesuctionhead）是用来衡量水泵的吸水性能的，离心水泵的吸水性能通常是用允许吸上真空度来衡量11 ~41.2.2加热罐遭受气蚀破坏的机理加热罐进口水流通过呈拉伐尔管状的喷管时，蒸汽从喷管外侧通过管壁上许多斜向小孔喷入水中，瞬时良好混合以达到将水加热的目的。在供暖运行中加热罐上真空压力表的压力既不是罐的进水压力也不是罐的蒸汽入口压力，而是加热罐内的压力显示。当一次水系统不加热时，如果使管道泵进出口水量相等，理论上加热罐上真空压力表的指针应指向零。当采用低于100°C的低温热水时，由于100°C的饱和水的饱和压力为1个大气压即表压为零，加热罐上压力表的指针应在接近零的位置上。当采用高于100°c的高温热水时，加热罐上压力表的指针应在大于零的某一位置上。为了防止加热罐内水汽化，出水口的水应为未饱和7水温度应低于加热罐出口压力下的饱和温度10°71.管道泵出水段上安装了定压溢流装置，加热罐底部（如所示）存水量可通过设置溢流压力的大小而调整在某一适当的高度上，以保证加热罐内凝结水不汽化和水不被管道泵抽空。根据供暖实际需要通过观察加热罐上真空压力表和温度表的读数，随时调整和控制加热罐的出水温度，避免加热罐中的水汽化。如果加热罐喷管外是汽化状态的饱和水，就会出现喷管内外冷沸和沸腾现象同时发生，情况就更为严重。对于高温水供暖系统，由于进水温度高，更容易产生气蚀现象111.如果让加热罐产生130°C高温饱和水，剧烈地汽化沸腾，使其始终处于严重的气蚀状况下运行，发生撞击和振动，发出噪声，出现喷罐和干锅，那么很有可能在极短的时间内（如一个供暖期），加热罐就被彻底损坏。

　　根据气蚀破坏机理，不稳定的激振是气蚀的主要特点，激波加剧了气泡溃灭。当气泡随水流进入加热罐中高压区域时，突然被周围的水压破，水流因惯性高速冲向气泡中心，加热罐喷管金属表面承楔子那样集中作用在以Mm2计的小面积上，其瞬间的局部压力可高达几十MPa121.由于这是一种无弹性的纯机械性的碰撞，喷管金属产生疲劳，在几h内材料就可能遭受严重的侵蚀。气蚀中有极高频率的超声波，这点也许能解释加热罐遭到的严重破坏31.另外，气蚀还伴有电解、化学腐蚀等多种复杂作用。金属材料的表面状态即其加工质量对气蚀有着巨大的影响，会导致侵蚀的多孔结构。

　　气蚀在材料抵抗能力小的地方如制造缺陷或有夹杂物的薄弱处首先造成用显微镜才能看到的小凹槽，然后在那里扩大它的侵蚀作用131.加热罐喷管壁上密布上千个间距很小的喷嘴，加工工艺是先在喷管上打出小孔，然后把喷嘴铆进去。可想而知，一旦侵蚀首先在这里发生，金属表面开始呈蜂窝状，那么水和喷管蜂窝表面间歇接触，蜂窝的侧壁与底之间产生电位差，引起电化学腐蚀。随着应力的集中，喷管上某个小孔开裂，那么很快它就和其他的小孔连成一片，使裂缝加宽，几条裂缝互相贯穿，气蚀就会迅速地蔓延损坏整个喷管。以往笔者发现过管道泵损坏，其叶轮叶片百孔千疮呈蜂窝状就从侧面充分说明了气蚀对加热罐损坏的严重性。

　　发生气蚀危险的地方是压力较低即速度较大的地方。加热罐的喷管里流速较大的地方是喷管的喉部，气蚀首先应在这里发生。但是，由流体力学知识可知，当黏性流体流经曲面的某一点S0寸，如果靠近物体壁面的流体微团动能耗尽停滞下来并在物体壁面和主流之间堆积起来。这点之后，顺流动方向的下游压力升高迫使这部分流体微团反方向逆流挤得主流离开物体壁面，在ST线上一系列流体微团的速度等于零，成为主流和逆流之间的间断面。间断面的不稳定性使得很小的扰动就会使其破裂成旋涡，造成附面层的分离，该点称为附面层的分离点。分离时形成的旋涡不断地被主流带走，在物体后面形成尾涡区。在渐缩渐扩管的渐扩管段中，同样可能出现附面层的分离点现象181.另有理论认为侵蚀并不发生在流动分离的地方，即不是发生在低压力处，而是在顺流动方向较远与壁面撞击的地方，在一定程度上是在分离点“阴影”中13（或许是尾涡区，S点、ST线和首先烈的撞击，它首先侵蚀着喷管的渐扩管段，终整个喷管（除喷管内的稳流体外）全部损坏而喷管外的布汽板却没有被侵蚀就不足为奇了。

　　3削弱气蚀对加热罐损坏的措施气蚀现象受流体饱和温度、饱和压力的影响，难以杜绝。但是，可以采取措施来降低气蚀对加热罐损坏的程度。气蚀现象的产生随流体温度的升高和压力的降低而更容易发生，而要对产生气蚀的温度、压力条件进行定量说明和微观分析并非易事，需具备诸如实验设备、仪器、方法和手段等条件，这可作为另一课题来进行研究，不过，单级单吸式热水泵在输送100°C热水时其所需灌注高度与流量及转数之间的关系可