離心泵的汽蝕現(xiàn)象及其防范措施
許金鵬1　曲鵬1　李陽(yáng)2
1　大耐泵業(yè)有限公司　116620
2　煙臺(tái)陽(yáng)光泵業(yè)有限公司　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(shí)闡述了如何識(shí)別和防范汽蝕的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：汽蝕 防范措施

離心泵被廣泛應(yīng)用于石化、冶金、水利、電力及核電等工業(yè)領(lǐng)域，在各種生產(chǎn)裝置中對(duì)液體介質(zhì)進(jìn)行動(dòng)力輸送，其性能可靠性對(duì)于裝置的正常運(yùn)行有著非常重要的作用。汽蝕是離心泵運(yùn)行中的一個(gè)重要現(xiàn)象，是影響離心泵運(yùn)行可靠性和使用壽命最常見(jiàn)的問(wèn)題，同時(shí)也是影響其向大流量、高轉(zhuǎn)速方向發(fā)展的一個(gè)巨大的障礙，因此汽蝕成為目前泵類研究中的一個(gè)重要課題。

1　汽蝕的產(chǎn)生原理
汽蝕是一種液體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，發(fā)生的根本原因在于液體在流動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)了局部壓力降，形成了低壓區(qū)。根據(jù)物理學(xué)知識(shí)可以知道，對(duì)于某種液相介質(zhì)，在一定溫度下對(duì)應(yīng)著一定的飽和蒸汽壓Pv，當(dāng)介質(zhì)的壓力小于Pv時(shí)就會(huì)發(fā)生汽化。離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，介質(zhì)進(jìn)入泵吸入口后，在葉輪沒(méi)有對(duì)介質(zhì)做功前，壓力是逐漸降低的，當(dāng)壓力降低到該處相應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓時(shí)，介質(zhì)就會(huì)沸騰汽化，使原來(lái)流動(dòng)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(lái)溶解在介質(zhì)中而逸出的空氣。當(dāng)氣泡隨同液流從低壓區(qū)流向高壓區(qū)時(shí)，由于轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪對(duì)介質(zhì)做功，介質(zhì)壓力迅速上升，當(dāng)壓力大于該處相應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓Pv時(shí)，氣泡又會(huì)重新凝結(jié)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?zèng)_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(qiáng)度、高頻率的沖擊，其壓力可達(dá)數(shù)百個(gè)大氣壓以上，水擊頻率高達(dá)25000 次/秒，材料壁面上因受到如此高頻率、高壓力的重復(fù)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(jié)成液相時(shí)會(huì)釋放大量的熱量，對(duì)金屬產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，加速腐蝕破壞的速度，致使金屬表面出現(xiàn)麻點(diǎn)、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(jié)、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(huì)影響離心泵的正常運(yùn)行，引發(fā)許多嚴(yán)重后果。

圖1　離心泵的性能曲線（虛線為汽蝕嚴(yán)重時(shí)）

2.1　汽蝕會(huì)使離心泵的性能下降
離心泵是通過(guò)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(huì)對(duì)葉輪和液體之間的能量傳遞造成嚴(yán)重干擾。當(dāng)汽蝕發(fā)生時(shí)會(huì)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(dòng)損失，使泵的流量、揚(yáng)程和效率均有所下降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致斷流，使離心泵無(wú)法正常工作。從圖1汽蝕嚴(yán)重時(shí)離心泵的性能曲線上來(lái)看，在汽蝕比較嚴(yán)重時(shí)，各項(xiàng)性能指標(biāo)發(fā)生陡降。

2.2　汽蝕會(huì)損壞過(guò)流部件
在離心泵的過(guò)流部件中葉輪是受汽蝕影響最大的零件，當(dāng)發(fā)生汽蝕時(shí)，金屬材料表面會(huì)逐漸產(chǎn)生許多小麻點(diǎn)，繼而麻點(diǎn)不斷發(fā)展擴(kuò)大呈蜂窩狀、溝槽狀，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)形成穿孔，甚至造成葉輪的斷裂，嚴(yán)重影響泵的使用壽命。

2.3　汽蝕致使泵產(chǎn)生噪音與振動(dòng)
當(dāng)發(fā)生汽蝕時(shí)，高頻的液體相互撞擊會(huì)產(chǎn)生各種噪音，嚴(yán)重時(shí)泵內(nèi)會(huì)發(fā)出噼噼啪啪的爆炸聲，同時(shí)誘發(fā)泵機(jī)組的振動(dòng)，而泵機(jī)組的振動(dòng)又會(huì)加速氣泡的產(chǎn)生與破裂。當(dāng)液擊的頻率與泵機(jī)組的固有頻率相同時(shí)，就會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的汽蝕共振，使振幅迅速增大，此時(shí)若要保護(hù)離心泵不會(huì)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(jìn)步，現(xiàn)代化工業(yè)要求離心泵要向大流量和高揚(yáng)程發(fā)展，這就需要提高介質(zhì)的流速，根據(jù)流體力學(xué)，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(jī)理，是離心泵發(fā)展中的重要研究課題。

3　離心泵汽蝕的識(shí)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(shí)識(shí)別出汽蝕的發(fā)生，便于采取相應(yīng)的防范措施，實(shí)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(yáng)程識(shí)別
這是一種簡(jiǎn)單易行，且在業(yè)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用的方法。由圖1可知，當(dāng)汽蝕發(fā)生時(shí)，離心泵的揚(yáng)程會(huì)急劇下降。API610標(biāo)準(zhǔn)中，將離心泵揚(yáng)程(對(duì)于多級(jí)泵而言是首級(jí)揚(yáng)程)下降3％，作為性能斷裂的標(biāo)志，并依此判定離心泵的必需汽蝕余量NPSHr的數(shù)值。通常當(dāng)離心泵特性曲線上揚(yáng)程下跌3％時(shí)，我們認(rèn)為這個(gè)點(diǎn)是其發(fā)生汽蝕的臨界點(diǎn)，但是在泵發(fā)生汽蝕的初始階段，離心泵揚(yáng)程的變化并不是很明顯，而當(dāng)揚(yáng)程變化明顯時(shí)，汽蝕已經(jīng)發(fā)展到了一定程度，所以用揚(yáng)程來(lái)判斷離心泵的汽蝕具有一定的滯后性。

3.2　根據(jù)噪音識(shí)別
汽蝕發(fā)生時(shí)由于液體撞擊會(huì)產(chǎn)生各種噪聲，并且當(dāng)汽蝕嚴(yán)重時(shí)，可聽(tīng)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(dòng)識(shí)別
離心泵的汽蝕伴隨著泵體的振動(dòng)，因此可以在泵體上加振動(dòng)傳感器，當(dāng)泵運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)振動(dòng)與正常有異，應(yīng)該首先考慮是否發(fā)生了汽蝕。在實(shí)際生產(chǎn)中，我們可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)感覺(jué)出泵體振動(dòng)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(yīng)當(dāng)確保NPSHa＞NPSHr,且應(yīng)當(dāng)留有一定的余量。據(jù)此，可以在離心泵的設(shè)計(jì)、制造、使用過(guò)程中通過(guò)提高NPSHa或者降低NPSHr來(lái)避免產(chǎn)生汽蝕。

4.1　改進(jìn)泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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：

（1）
式中：v0——葉輪進(jìn)口平均流速，通常指葉輪喉部液體絕對(duì)速度，m/s；
ω0——葉輪進(jìn)口處液體的相對(duì)速度，m/s；
λ1——因液體從泵入口到葉輪進(jìn)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(guò)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(guān)；
g——重力加速度，m/s2。
從公式（1）看出，NPSHr僅與泵本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與介質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)，由此可以從如下幾個(gè)方面改進(jìn)泵的結(jié)構(gòu)，降低NPSHr：
（1）增大葉輪入口直徑D0，可使葉輪進(jìn)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(duì)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(shè)計(jì)范圍，否則泵的效率會(huì)下降。

圖2　離心泵葉輪結(jié)構(gòu)示意圖

（2）適當(dāng)增大葉輪蓋板進(jìn)口段的曲率半徑；將葉片適當(dāng)?shù)南蛉~輪入口邊延伸，并盡量使進(jìn)口處葉片薄；提高葉輪和葉片進(jìn)口部分的表面光潔度；增大葉片進(jìn)口角和采用正沖角；這些措施都可以降低流動(dòng)損失，使介質(zhì)流動(dòng)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(dāng)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(dǎo)輪，可以對(duì)介質(zhì)進(jìn)行預(yù)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(dǎo)輪會(huì)增加軸向的安裝尺寸，且安裝了誘導(dǎo)輪的離心泵在小流量運(yùn)行時(shí)，揚(yáng)程會(huì)降低，從曲線上表現(xiàn)為出現(xiàn)了“駝峰”，因此在API610標(biāo)準(zhǔn)中是不推薦離心泵加誘導(dǎo)輪的。

4.2　提高裝置有效汽蝕余量
在進(jìn)行裝置的設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高泵吸入口的有效汽蝕余量NPSHa：
（1）適當(dāng)增大泵吸入管路的直徑，采用盡可能短的吸入管長(zhǎng)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(chǔ)罐介質(zhì)壓力，來(lái)提高NPSHa。
（3）當(dāng)裝置所能提供的NPSHa不能滿足泵要求時(shí)，可以選擇合適的泵型，如筒袋泵，來(lái)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)^(guò)流部件進(jìn)行涂層處理
當(dāng)離心泵受工況等因素限制，不能完全避免汽蝕的發(fā)生時(shí)，可以采用抗汽蝕性能良好的材料來(lái)制造葉輪，以延長(zhǎng)葉輪的使用壽命。實(shí)踐證明，材料的強(qiáng)度、硬度越高，韌性越好，化學(xué)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(shù)脂為基礎(chǔ)的抗汽蝕耐磨材料對(duì)離心泵過(guò)流部件表面進(jìn)行涂層處理比采用貴重的合金鋼要經(jīng)濟(jì)的多。

4.4　加強(qiáng)對(duì)泵的操作管理
在離心泵運(yùn)行過(guò)程中，注意對(duì)泵的正確操作，不當(dāng)操作會(huì)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(lái)調(diào)節(jié)泵的流量。
（3）泵關(guān)閥啟動(dòng)的時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)。
（4）對(duì)于變速調(diào)節(jié)的泵，應(yīng)避免泵的轉(zhuǎn)速過(guò)高。

5　結(jié)語(yǔ)
汽蝕是影響離心泵正常運(yùn)行和使用壽命的重要因素，了解其產(chǎn)生原理，采用適當(dāng)?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(yīng)根據(jù)具體的工藝要求和操作環(huán)境等因素，采用適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)提高泵的抗汽蝕性能。

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