大耐泵業(yè)有限公司 許金鵬（116620）
大耐泵業(yè)有限公司 曲鵬（116620）
煙臺陽光泵業(yè)有限公司 李陽 （264100）
摘要：文章介紹了離心泵汽蝕的產(chǎn)生原理、汽蝕的危害，同時闡述了如何識別和防范汽蝕的產(chǎn)生。
關鍵詞：汽蝕防范措施
離心泵被廣泛應用于石化、冶金、水利、電力及核電等工業(yè)領域，在各種生產(chǎn)裝置中對液體介質(zhì)進行動力輸送，其性能可靠性對于裝置的正常運行有著非常重要的作用。汽蝕是離心泵運行中的一個重要現(xiàn)象，是影響離心泵運行可靠性和使用壽命最常見的問題，同時也是影響其向大流量、高轉(zhuǎn)速方向發(fā)展的一個巨大的障礙，因此汽蝕成為目前泵類研究中的一個重要課題。
1.汽蝕的產(chǎn)生原理
汽蝕是一種液體動力學現(xiàn)象，發(fā)生的根本原因在于液體在流動過程中出現(xiàn)了局部壓力降，形成了低壓區(qū)。根據(jù)物理學知識可以知道，對于某種液相介質(zhì)，在一定溫度下對應著一定的飽和蒸汽壓Pv，當介質(zhì)的壓力小于Pv時就會發(fā)生汽化。離心泵運轉(zhuǎn)時，介質(zhì)進入泵吸入口后，在葉輪沒有對介質(zhì)做功前，壓力是逐漸降低的，當壓力降低到該處相應溫度下的飽和蒸汽壓時，介質(zhì)就會沸騰汽化，使原來流動的介質(zhì)出現(xiàn)大量的氣泡，氣泡中包含著輸送介質(zhì)的蒸汽以及原來溶解在介質(zhì)中而逸出的空氣。當氣泡隨同液流從低壓區(qū)流向高壓區(qū)時，由于轉(zhuǎn)動的葉輪對介質(zhì)做功，介質(zhì)壓力迅速上升，當壓力大于該處相應溫度下的飽和蒸汽壓Pv時，氣泡又會重新凝結成為液相，瞬間形成大量的空穴，而周圍的液相介質(zhì)以高速沖向空穴相互撞擊，使得空穴處的局部壓力陡增。這種液擊是一種高強度、高頻率的沖擊，其壓力可達數(shù)百個大氣壓以上，水擊頻率高達25000次/秒，材料壁面上因受到如此高頻率、高壓力的重復載荷作用而逐漸產(chǎn)生疲勞破壞。在某些工況下，泵送介質(zhì)中可能溶解有活性氣體（如氧氣等），借助于介質(zhì)由氣相凝結成液相時會釋放大量的熱量，對金屬產(chǎn)生電化學腐蝕，加速腐蝕破壞的速度，致使金屬表面出現(xiàn)麻點、穿孔甚至斷裂。這種在泵內(nèi)出現(xiàn)的液相介質(zhì)汽化、凝結、沖擊，以致金屬材料腐蝕破壞的現(xiàn)象總稱離心泵的汽蝕。
2.汽蝕的危害
汽蝕會影響離心泵的正常運行，引發(fā)許多嚴重后果。
2.1 汽蝕會使離心泵的性能下降
離心泵是通過葉輪的旋轉(zhuǎn)將能量傳遞給介質(zhì)，轉(zhuǎn)化為介質(zhì)的壓力能，但汽蝕會對葉輪和液體之間的能量傳遞造成嚴重干擾。當汽蝕發(fā)生時會在介質(zhì)中產(chǎn)生大量的氣泡，堵塞了葉輪流道，并在局部產(chǎn)生漩渦，增大流動損失，使泵的流量、揚程和效率均有所下降，嚴重時還會導致斷流，使離心泵無法正常工作。從圖1汽蝕嚴重時離心泵的性能曲線上來看，在汽蝕比較嚴重時，各項性能指標發(fā)生陡降。
2.2 汽蝕會損壞過流部件
在離心泵的過流部件中葉輪是受汽蝕影響最大的零件，當發(fā)生汽蝕時，金屬材料表面會逐漸產(chǎn)生許多小麻點，繼而麻點不斷發(fā)展擴大呈蜂窩狀、溝槽狀，嚴重時就會形成穿孔，甚至造成葉輪的斷裂，嚴重影響泵的使用壽命。
2.3 汽蝕致使泵產(chǎn)生噪音與振動
當發(fā)生汽蝕時，高頻的液體相互撞擊會產(chǎn)生各種噪音，嚴重時泵內(nèi)會發(fā)出噼噼啪啪的爆炸聲，同時誘發(fā)泵機組的振動，而泵機組的振動又會加速氣泡的產(chǎn)生與破裂。當液擊的頻率與泵機組的固有頻率相同時，就會發(fā)生強烈的汽蝕共振，使振幅迅速增大，此時若要保護離心泵不會發(fā)生更大的破壞，就必須立即停車檢查。
2.4 汽蝕制約了離心泵的發(fā)展
隨著科技不斷進步，現(xiàn)代化工業(yè)要求離心泵要向大流量和高揚程發(fā)展，這就需要提高介質(zhì)的流速，根據(jù)流體力學，液體流速越高，入口壓力損失越大，更加容易產(chǎn)生汽蝕。因此，提高泵抗汽蝕性能，研究汽蝕機理，是離心泵發(fā)展中的重要研究課題。
3.離心泵汽蝕的識別
汽蝕是造成離心泵的性能和效率下降的主要原因之一，及時識別出汽蝕的發(fā)生，便于采取相應的防范措施，實際生產(chǎn)中可根據(jù)如下幾種辦法判別是否發(fā)生了汽蝕。
3.1 根據(jù)揚程識別
這是一種簡單易行，且在業(yè)內(nèi)得到廣泛應用的方法。由圖1可知，當汽蝕發(fā)生時，離心泵的揚程會急劇下降。API610標準中，將離心泵揚程(對于多級泵而言是首級揚程)下降3%，作為性能斷裂的標志，并依此判定離心泵的必需汽蝕余量NPSHr的數(shù)值。通常當離心泵特性曲線上揚程下跌3%時，我們認為這個點是其發(fā)生汽蝕的臨界點，但是在泵發(fā)生汽蝕的初始階段，離心泵揚程的變化并不是很明顯，而當揚程變化明顯時，汽蝕已經(jīng)發(fā)展到了一定程度，所以用揚程來判斷離心泵的汽蝕具有一定的滯后性。
3.2 根據(jù)噪音識別
汽蝕發(fā)生時由于液體撞擊會產(chǎn)生各種噪聲，并且當汽蝕嚴重時，可聽到泵內(nèi)發(fā)出類似于爆竹的噼噼啪啪的聲音。我們可以據(jù)此作為汽蝕的判斷。
3.3 根據(jù)振動識別
離心泵的汽蝕伴隨著泵體的振動，因此可以在泵體上加振動傳感器，當泵運行時發(fā)現(xiàn)振動與正常有異，應該首先考慮是否發(fā)生了汽蝕。在實際生產(chǎn)中，我們可以根據(jù)經(jīng)驗感覺出泵體振動的不同，從而初步判定是否產(chǎn)生了汽蝕。
4.泵汽蝕的防范措施
根據(jù)汽蝕產(chǎn)生的條件，若要避免離心泵產(chǎn)生汽蝕，應當確保NPSHa＞NPSHr,且應當留有一定的余量。據(jù)此，可以在離心泵的設計、制造、使用過程中通過提高NPSHa或者降低NPSHr來避免產(chǎn)生汽蝕。
4.1 改進泵的結構設計
改善泵的汽蝕性能，可以從降低泵的必需汽蝕余量著手，根據(jù)離心泵必需汽蝕余量公式：
式中：v0——葉輪進口平均流速，通常指葉輪喉部液體絕對速度，m/s；
ω0——葉輪進口處液體的相對速度，m/s；
λ1——因液體從泵入口到葉輪進口段速度增大和流向改變引起能量損失的校正系數(shù)；
λ2——流體繞過葉片頭部的壓降系數(shù)，與沖角、葉片數(shù)、葉片頭部形狀等有關；
g——重力加速度，m/s2。
從公式（1）看出，NPSHr僅與泵本身的結構有關，而與介質(zhì)的性質(zhì)無關，由此可以從如下幾個方面改進泵的結構，降低NPSHr：
（1）增大葉輪入口直徑D0，可使葉輪進口流速v0減小；或者增大葉輪葉片入口邊寬度b1，可使葉輪入口處液體的相對速度ω0減小。但需要注意D0和b1并非是越大越好，而是有最佳的設計范圍，否則泵的效率會下降。
（2）適當增大葉輪蓋板進口段的曲率半徑；將葉片適當?shù)南蛉~輪入口邊延伸，并盡量使進口處葉片薄；提高葉輪和葉片進口部分的表面光潔度；增大葉片進口角和采用正沖角；這些措施都可以降低流動損失，使介質(zhì)流動更加平穩(wěn)，從而降低泵的NPSHr。
（3）選用雙吸葉輪，介質(zhì)從葉輪兩側(cè)流入，相當于增大了葉輪的入口面積，使流經(jīng)葉輪每一側(cè)的流量減少，從而降低葉輪的v0、ω0和λ2，提高了泵的抗汽蝕能力。
（4）為離心泵安裝誘導輪，可以對介質(zhì)進行預增壓，增大了葉輪入口處的介質(zhì)壓頭，可以顯著降低NPSHr。但誘導輪會增加軸向的安裝尺寸，且安裝了誘導輪的離心泵在小流量運行時，揚程會降低，從曲線上表現(xiàn)為出現(xiàn)了“駝峰”，因此在API610標準中是不推薦離心泵加誘導輪的。
4.2 提高裝置有效汽蝕余量
在進行裝置的設計時，盡可能進行優(yōu)化設計，以提高泵吸入口的有效汽蝕余量NPSHa：
（1）適當增大泵吸入管路的直徑，采用盡可能短的吸入管長度，降低管路內(nèi)表面的粗糙度，減少不必要的彎頭、閥門等，以減少泵入口管段的管路損失，從而提高NPSHa。
（2）增大泵吸入儲罐介質(zhì)壓力，來提高NPSHa。
（3）當裝置所能提供的NPSHa不能滿足泵要求時，可以選擇合適的泵型，如筒袋泵，來降低泵的安裝高度，提高泵吸入口處的壓力。
4.3 使用抗汽蝕材料或?qū)^流部件進行涂層處理
當離心泵受工況等因素限制，不能完全避免汽蝕的發(fā)生時，可以采用抗汽蝕性能良好的材料來制造葉輪，以延長葉輪的使用壽命。實踐證明，材料的強度、硬度越高，韌性越好，化學性能越穩(wěn)定，材料的抗汽蝕性能就越好，常用的材料如含有鎳鉻的不銹鋼，鋁青銅，高鎳鉻合金等。此外，采用以環(huán)氧樹脂為基礎的抗汽蝕耐磨材料對離心泵過流部件表面進行涂層處理比采用貴重的合金鋼要經(jīng)濟的多。
4.4 加強對泵的操作管理
在離心泵運行過程中，注意對泵的正確操作，不當操作會人為誘發(fā)離心泵的汽蝕。
（1）保證離心泵在允許工作區(qū)內(nèi)工作。
（2）避免使用入口節(jié)流的方法來調(diào)節(jié)泵的流量。
（3）泵關閥啟動的時間不能過長。
（4）對于變速調(diào)節(jié)的泵，應避免泵的轉(zhuǎn)速過高。
5.結語
汽蝕是影響離心泵正常運行和使用壽命的重要因素，了解其產(chǎn)生原理，采用適當?shù)拇胧┍苊馄g的發(fā)生，可以降低或避免汽蝕產(chǎn)生的危害。本文介紹了避免汽蝕的常用措施，應根據(jù)具體的工藝要求和操作環(huán)境等因素，采用適當?shù)拇胧﹣硖岣弑玫目蛊g性能。
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