淺析影響往復(fù)泵必須汽蝕余量的因素

姜新喜?張燕

摘 要：往復(fù)泵是一種應(yīng)用非常廣泛的流體機(jī)械，汽蝕嚴(yán)重影響了往復(fù)泵的工作性能。本文闡述了往復(fù)泵汽蝕的產(chǎn)生機(jī)理及其危害;詳細(xì)描述了有效汽蝕余量和必須汽蝕余量;利用有效汽蝕余量和必須汽蝕余量，對(duì)汽蝕現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，并提出了提高往復(fù)泵抗汽蝕能力的措施。

關(guān)鍵詞：往復(fù)泵;汽蝕性能;防治策略

往復(fù)泵在運(yùn)轉(zhuǎn)中，若其過(guò)流部分的局部區(qū)域因?yàn)槟撤N原因，抽送液體的絕對(duì)壓力降低到當(dāng)時(shí)溫度下的液體汽化壓力時(shí)，液體便在該處開(kāi)始汽化，產(chǎn)生大量蒸汽，形成氣泡，當(dāng)含有大量氣泡的液體向前經(jīng)活塞（柱塞）內(nèi)的高壓區(qū)時(shí)，氣泡周圍的高壓液體致使氣泡急劇地縮小以至破裂。在氣泡凝結(jié)破裂的同時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)以很高的速度填充空穴，在此瞬間產(chǎn)生很強(qiáng)烈的水擊作用，并以很高的沖擊頻率打擊金屬表面，沖擊應(yīng)力可達(dá)幾百至幾千個(gè)大氣壓，沖擊頻率可達(dá)每秒幾萬(wàn)次，嚴(yán)重時(shí)會(huì)將壁厚擊穿。在往復(fù)泵中產(chǎn)生氣泡和氣泡破裂使過(guò)流部件遭受到破壞的過(guò)程就是往復(fù)泵中的汽蝕過(guò)程。往復(fù)泵產(chǎn)生汽蝕后除了對(duì)過(guò)流部件會(huì)產(chǎn)生破壞作用以外，還會(huì)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，并導(dǎo)致泵的性能下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使泵中液體中斷，不能正常工作。

1.泵閥的結(jié)構(gòu)及理論分析

往復(fù)泵中所采用的泵閥的結(jié)構(gòu)多種多樣，其中比較常用的一種是彈簧自動(dòng)閥類中的錐形閥。傳統(tǒng)的鉆井泵錐形閥，通常都是由閥座、閥盤、彈簧、升程限制器等零部件組成。閥盤由閥體、螺母、橡膠密封圈及導(dǎo)架組成。其中，橡膠密封圈主要起密封作用，導(dǎo)架起導(dǎo)向作用。泵閥的工作由開(kāi)啟和封閉兩過(guò)程組成。開(kāi)啟：閥盤受到液缸內(nèi)的液體壓力作用克服彈簧力向上運(yùn)動(dòng)，液體從閥盤與閥座間的間隙流出;封閉：開(kāi)啟結(jié)束后，活塞返程使液缸內(nèi)壓力迅速減小，閥盤將在彈簧彈力及閥盤上殘余的液力作用下迅速回復(fù)形成密封。泵閥在每沖次內(nèi)作一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成液體的吸入或排出。往復(fù)泵工作時(shí)，活塞（柱塞）由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，即通過(guò)泵的做功，液體從低壓變?yōu)楦邏簩?shí)現(xiàn)物料的輸送。在往復(fù)泵活塞（柱塞）入口處，由于液體向活塞（柱塞）外緣流動(dòng)形成低壓區(qū)，而入口來(lái)流還未獲得活塞（柱塞）的足夠能量，即使無(wú)外界熱量導(dǎo)入，也易于出現(xiàn)壓力低于液體氣化壓的情況，此時(shí)泵會(huì)產(chǎn)生空化汽蝕現(xiàn)象。

2.往復(fù)泵汽蝕產(chǎn)生的原因

對(duì)往復(fù)泵的每一個(gè)吸入行程來(lái)說(shuō)，其吸入管路里的液柱也總是伴隨著由靜止開(kāi)始而后逐步被加速的。而這一過(guò)程乃是周而復(fù)始，反復(fù)進(jìn)行下去的。為了使泵能夠穩(wěn)定地運(yùn)行，就要求吸入管路系統(tǒng)始終能夠提供一個(gè)足夠的有效壓頭，以便在泵的每一吸入行程中把液柱本身加速。倘若這一要求的最低限度不能得到滿足，就將意味著液柱本身的連貫性會(huì)遭到破壞，從而液柱本身可能被分開(kāi)。其結(jié)果將首先是在液柱與柱塞之間出現(xiàn)一個(gè)空隙，于空隙處，液體所具有的壓頭顯然低于抽送溫度下液體的飽和蒸汽壓。此時(shí)，原來(lái)溶解于液休中的氣體因此而部分釋出（液體本身也可能同時(shí)汽化），并充于空隙，形成汽泡或汽塞。這就是導(dǎo)致往復(fù)泵產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象的主要原因。當(dāng)汽泡或汽塞在缸里形成以后，缸內(nèi)的壓力平衡即遭到破壞，隨即發(fā)生液體敲缸現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)往復(fù)泵汽蝕過(guò)程的觀察，這種敲缸現(xiàn)象通常是反復(fù)地約在三分之二的吸入行程時(shí)出現(xiàn)。泵因此開(kāi)始部分抽吸，容積效率隨之明顯下降，并發(fā)出震動(dòng)和噪聲。在排液的行程里，由于氣相的可壓縮性，以及壓縮過(guò)程可能伴隨的相變化，當(dāng)汽泡或汽塞因受壓而最終破裂時(shí)可能產(chǎn)生一種巨大的瞬時(shí)沖擊力（約為泵工作壓力的2、3倍）。這種瞬時(shí)的沖擊力將導(dǎo)致填料、單向閥的迅速損壞，并逐漸侵蝕缸體，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致缸體的斷裂。顯而易見(jiàn)，只要往復(fù)泵的吸入系統(tǒng)能夠保證在泵的每一吸入行程里，始終朝柱塞工作面的方向給液柱以一個(gè)足夠的壓頭，以滿足液柱本身加速的要求。換句話說(shuō)，也就是保證缸內(nèi)液休所具有的壓頭能夠始終有效地超過(guò)抽送溫度下液體的飽和蒸汽壓，就有可能避免汽蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生。當(dāng)然，往復(fù)泵汽蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生還與操作工況的波動(dòng)有關(guān)。而且，在NPSHA不是十分充裕的情況下，特別對(duì)輸送多組分而又容易汽化的介質(zhì)來(lái)說(shuō)，這些因素的影響會(huì)更加敏感。

3.防止往復(fù)泵產(chǎn)生汽蝕的對(duì)策分析

防止往復(fù)泵產(chǎn)生汽蝕的途徑是多方面的，但主要應(yīng)從提高吸入管路的NPSHA來(lái)考慮。限制泵的吸程，或者提高泵的靜吸入壓頭，是可以防止往復(fù)泵產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象的。但是，這樣做卻住往與工藝條件相矛盾。為提高NPSHA，還可以從減小加速度頭損失入手，這是防止往復(fù)泵產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象的有效途徑。因此，從泵的設(shè)計(jì)制造到吸入管路的配置，都務(wù)必為減小加速度頭損失創(chuàng)造條件。在進(jìn)行設(shè)備和管路布置時(shí)，應(yīng)盡可能地縮短泵的吸入管線長(zhǎng)度;可適當(dāng)加大吸入管路的直徑以降低流速;如果泵的有關(guān)參數(shù)容許的話，可以適當(dāng)加大柱塞的直徑以降低泵的轉(zhuǎn)速;可酌情增加泵的柱塞數(shù)以降低常數(shù)值;可在泵吸入管路的適當(dāng)位置上安裝入口穩(wěn)定器。所謂入口穩(wěn)定器是指一種消除吸入管路上的脈沖振動(dòng)和氣體夾帶的設(shè)備。國(guó)外的使用經(jīng)驗(yàn)證明，只要結(jié)構(gòu)、型式及安裝位置合理，其所能起到的作用，可相當(dāng)于把泵的吸入管線長(zhǎng)度縮短到約6、15倍管徑的長(zhǎng)度，從而有可能大大降低吸入管路的加速度頭損失。此外，在泵的吸入管路上安裝升壓泵，也可以提高NPSHA。但是，這無(wú)疑將增加設(shè)備維修和操作費(fèi)用。所以，一般情況下是不推薦采用的。對(duì)某些飽和蒸汽壓力受溫度變化影響敏感的液體（如甲胺液或液化氣體），如能采取有效措施，以適當(dāng)降低入泵前液體溫度的辦法來(lái)降低液體的飽和蒸汽壓，同樣也可收到提高NPSHA的效果。因此，也可作為防止產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象的一種措施。

4.結(jié)束語(yǔ)

最后，還必須強(qiáng)調(diào)指出，為防止泵的汽蝕，除必須有合理的吸入管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)外，還必須有嚴(yán)格的工藝操作相配合，把操作工況的波動(dòng)控制在最小的范圍內(nèi)。特別要防止操作壓力和液面的驟然降低，防止大量的氣體夾帶，從而在使用中增強(qiáng)泵的使用壽命，提高泵的運(yùn)行效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]豐鎮(zhèn)平，汽蝕流動(dòng)下泵水力性能數(shù)值預(yù)測(cè)[J]，科技傳播，2013

[2]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì) 主編 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，電子工業(yè)出版社