離心泵氣蝕的產生及在設計操作中的措施

胡華貴

（神華榆林能源化工有限公司，陜西榆林 719302）

離心泵氣蝕的產生及在設計操作中的措施

胡華貴

（神華榆林能源化工有限公司，陜西榆林 719302）

在單機試車和實際操作中，由于各種原因，離心泵往往會發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。為了防止氣蝕的發(fā)生，通過單機試車所出現(xiàn)的問題結合理論知識，分析在各種使用條件下泵的允許氣蝕余量、允許吸上高度分別與有效氣蝕余量和吸入管道能量損失之間的關系，利用流體力學知識闡述氣蝕產生的條件以及影響氣蝕產生的因素，以在設計過程中確定或校核泵的安裝高度，并從中提出防止氣蝕產生的方法和氣蝕產生時設計操作過程中應對的措施。

離心泵；氣蝕；蒸氣壓；措施

Abstract：In the stand-alone test and the actual operation，due to various reasons，centrifugal pumps tend to cavitation phenomenon.In order to prevent the occurrence of cavitation，this paper analyzes the allowable cavitation margin of the pump under various conditions of use through the problems arising from the stand-alone test，and allows the suction height to be equal to the effective erosion allowance and the energy loss of the suction pipe The use of fluid mechanics to explain the conditions of cavitation and the factors that affect the formation of cavitation in the design process to determine or check the pump installation height.And from the proposed method to prevent cavitation and cavitation generated when the design process to deal with the measures.

Key words：centrifugal pump；cavitation；vapor pressure；measure

離心泵以其結構簡單、緊湊、基礎小、可與原動機直接相連、流量均勻、價格低廉、故障少、使用維修方便、便于管理等優(yōu)點，在石油化工行業(yè)得到了廣泛的應用。如何正確使用和維護離心泵是關系到化工廠能否正常運行和提高其經濟效益的一項重要工作。由于氣蝕是損壞離心泵及機封、軸承等主要部件的最主要的因素，所以在設計安裝和日常生產階段提出如何對氣蝕的防止是提高其使用壽命的最佳途徑。

1 氣蝕現(xiàn)象及危害

1.1 氣蝕現(xiàn)象

離心泵工作時，液體的壓強隨著從泵入口向葉輪入口而下降，從而在葉片附近形成某些低壓區(qū)。此后葉輪作功液體壓強又很快上升。若處于低壓區(qū)的液體壓力低于輸送條件下液體的飽和蒸氣壓，液體便開始汽化并產生氣泡。如果壓力繼續(xù)降低，氣泡和產生氣泡的區(qū)域就會逐漸增多和擴大；同時溶解在液體中的某些氣體也會在壓力下降的情況下形成氣泡。當這些氣泡隨液體流向高壓區(qū)時，在高壓的作用下它們會迅速凝結、破裂消失。在氣泡消失的瞬間，氣泡周圍的液體以極高的速度進入并占據氣泡消失所形成的區(qū)域。并伴有局部高溫、高壓、水擊現(xiàn)象，表現(xiàn)為噪聲、劇烈振動和對流道材料的侵蝕等現(xiàn)象稱為氣蝕[1]。

1.2 氣蝕危害

當氣泡不太多、氣蝕不嚴重時，它對泵的運行還不至于產生明顯的影響。但當氣泡大量產生、氣蝕持續(xù)發(fā)展時，就會帶來嚴重的后果。主要有以下幾方面：

（1）產生震動和噪音。氣泡潰滅時，產生強烈的水擊，發(fā)出“劈劈啪啪”的聲音，并引起泵的振動，造成泵不能正常工作[2]。

（2）對流道部件的侵蝕。葉輪局部地方在巨大沖擊力的反復作用下，材料表面疲勞，從點蝕到蜂窩狀或海綿狀，嚴重的表面被蝕透、穿透使葉片受到損壞。

（3）氣蝕得不到控制，機泵持續(xù)震動，導致機封受震動靜環(huán)破碎，介質外漏，在化工企業(yè)構成嚴重的安全隱患，可能引起著火爆炸事故發(fā)生。

（4）氣蝕的震動影響軸承的使用壽命，嚴重情況造成軸承架破損，接著軸承滾珠破損，軸承震動增大，嚴重情況下，軸承溫度持續(xù)升高，軸承箱著火。

（5）泵性能突然下降。泵發(fā)生氣蝕時，使流體介質連續(xù)性遭到破壞，泵的揚程、流量、效率都會顯著下降，導致泵不能連續(xù)正常工作。

2 氣蝕的產生

2.1 允許氣蝕余量Δh與允許吸上高度HS的確定

離心泵銘牌上標明的氣蝕余量Δh是在常溫下用清水測得的。Δh系指在額定排量下，為保證泵的正常工作，在泵的入口處液體必須具有的高于其蒸氣壓的能量，以克服泵入口處的能量損失[3]。國際上普遍稱此為需要的凈正吸上水頭，用NPSHa（Net Positive Suction Head Required）表示，泵入口處的絕對壓力與氣蝕余量Δh的關系：

式中：pr為泵入口處液體的絕對壓力，Pa；λ為所輸液體的重度，N/m；3V為泵入口處液體的平均速度，m/s；pv為所輸液體在該處的飽和蒸氣壓，Pa。

氣蝕余量主要取決于泵的結構，與吸入管路無關，而根據離心泵生產廠家提供的樣本還可以發(fā)現(xiàn)，同一臺離心泵在不同的操作流量下，其氣蝕余量并不相同（見表1），同一臺離心泵流量越大氣蝕余量也越大。以上結論對不同型號離心泵同樣成立（見表2）。由于它反應液流從泵入口到葉片處能量降低值，所以氣蝕余量越小泵吸入性能越好，越不易發(fā)生汽蝕，即抗氣蝕性能越好[4]。

表1 離心泵流量與氣蝕余量關系

表2 不同型號的離心泵流量與氣蝕余量關系

圖1 離心泵吸液示意圖

有時在泵的銘牌上也用允許吸上高度（吸入真空度）HS來表示泵的吸入性能。HS系指在額定排量下大氣壓pa為101 325Pa時，抽吸20℃清水，為保證泵正常運轉所允許的最大吸上高度。由于受到泵內最低壓強無法確定，所以往往是測泵入口處的壓強再考慮一定的安全量，即為泵允許的最低絕對壓強，以p1表示。因此HS表達式為：

式中HS為離心泵的允許吸上高度，m液柱；pa為大氣壓力，Pa；p1為泵入口處允許最低絕對壓強，Pa；λ為被輸送液體的重度，N/m3。

HS與Δh之間的關系為：

式中pv為輸送液體的飽和蒸氣壓，Pa；V為輸送液體的速度，m/s；Δh為泵允許氣蝕余量，m。

由于實際與試驗所輸送的介質、使用地海拔（吸入靜液面上壓強）往往都不同。所以在確定、校核泵的安裝高度時就必須對允許氣蝕余量或允許吸上高度進行換算。因為泵氣蝕余量只與泵的結構、輸送介質的黏度、流量有關[5]。所以對使用環(huán)境下泵氣蝕余量的換算可由“離心泵性能換算諾模圖”查出換算系數(shù)KΔh；從而得出使用環(huán)境下泵氣蝕余量：

由式（3）在試驗條件下

使用條件下的吸上高度：

式中H′S為使用條件下泵允許吸上高度，m；P′a為使用條件泵入口靜液面上壓強（對于儲油罐可近似地取當?shù)卮髿鈮骸τ趬毫θ萜魅≡搲毫θ萜鞯牟僮鲏毫Γ?，Pa；P′v為使用條件下輸送介質的飽和蒸氣壓力，Pa；λs為使用條件下輸送介質的重度，N/m3；Δhs為使用條件下氣蝕余量（由4式換算得），m；由式（5）、式（6）可得出在泵樣本上提供的允許吸上高度換算實際使用條件下的允許吸上高度的計算公式：

式中HS為泵樣本上提供的允許吸上高度，m；V為泵樣本上允許高度對應的流體流速，m/s；ΔKS為使用條件下氣蝕余量換算系數(shù)。

一般規(guī)定當所輸液體的運動黏度大于60×10-6m2/s，采用

（7）式換算，如所輸液體運動黏度較小時計算仍然采用泵所給的氣蝕余量，即ΔKS=1[5]。

2.2 泵吸入管路有效氣蝕余量NPSHa與能量損失HS的確定

泵吸入系統(tǒng)給予泵的凈正吸入壓頭稱為泵系統(tǒng)有效的凈正吸入壓頭即NPSHa（Net positive Suction Head Avaiable）只與裝置系統(tǒng)有關系而與泵本身特性無關。有效氣蝕余量：

式中ΔZ為容器底部距基準面與泵中心距基準面的差值（相對于容器底部泵的安裝高度）m；hf為沿程摩阻，m；hj為局部摩阻，m。

圖2 泵吸入管路示意圖

由流體力學可知，泵吸入管路能量損失：

式中參數(shù)說明同上[6]；

2.3 發(fā)生氣蝕現(xiàn)象的條件

第一種：NPSHa>NPSHr（考慮一定的安全量一般情況下至少要大0.3m）；第二種：H′S>H。利用第一種或第二種關系結合上述公式就可以對泵的安裝高度進行確定（容器底部與泵中心高差），同時還可以對已安裝的泵是否會發(fā)生氣蝕進行校核。

3 氣蝕的應對

按上述分析，針對在設計安裝階段防止氣蝕的發(fā)生和日常操作時的氣蝕發(fā)生，提出防止氣蝕發(fā)生的方法、措施。

3.1 在設計安裝階段對氣蝕的預防

從公式及影響各參數(shù)的條件可以得知在設計安裝階段對氣蝕預防的方法，在設計階段可從如下幾種方法來考慮。

（1）選擇抗氣蝕較強的泵，表現(xiàn)為氣蝕余量較小或允許吸上高度較大的泵；

（2）減小管路摩阻（增大泵入口管徑，減小泵入口管的沿程摩阻，盡量減少閥門、彎頭等部件，減小局部摩阻）；

（3）在設計計算確定泵的安裝高度時，應考慮一定的安全余量，特別是對于烯烴、液化氣等液化烴泵，一定要考慮夏季高溫情況下的氣蝕余量，設計參數(shù)應該按照最差工況設計；

（4）有條件的情況下，對于罐區(qū)分別設置倒罐、抽底油泵與送料泵分離使高揚程、大流量泵不發(fā)生氣蝕[7]；

（5）選擇采用雙吸式葉輪離心泵，選擇采用耐氣蝕的好材料；

（6）在大型高揚程泵前設計安裝增壓前置泵；

（7）在滿足各種工藝參數(shù)的條件下，選擇低轉速或可調速電機降低泵的轉速；

（8）對于需要自啟動的離心泵，還應考慮在出口閥全開狀態(tài)、出口背壓為零、流量最大的工況下，離心泵不發(fā)生氣蝕；

（9）泵房盡量靠近設備布置，減少泵入口距離，降低泵吸入口磨阻；

（10）在需要自啟動的離心泵，裝置氣蝕余量無法改變，泵氣蝕余量又無法滿足的情況下，在設計階段一定要采取其他措施，并在設計說明中敘述清楚例如：①設置壓力變送器控制自啟動，將壓力設置在合適的范圍內，用提高離心泵出口背壓的形式來保證氣蝕不發(fā)生；②在工藝允許的情況下，在機泵出口設置自動控制閥門，自啟動時關閉出口閥啟動泵，做儀表延遲，待泵運行正常后，緩慢開啟出口閥門，保證機泵在啟動階段不發(fā)生氣蝕；③在工藝允許的情況下，在自啟動泵出口設置自動控制閥門或控制手閥，限制泵出口閥門開啟位置，保證離心泵在自啟動時，流量在不發(fā)生氣蝕的范圍內。

3.2 在日常操作中對氣蝕現(xiàn)象的排除

泵在運行中，由于種種因素泵都有可能發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，當發(fā)生氣蝕現(xiàn)象時，必須采取措施來減輕或避免氣蝕的再次發(fā)生對泵帶來的危害。

（1）對經常發(fā)生氣蝕或氣蝕嚴重的泵可以通過技術改造來完成防止氣蝕的再次發(fā)生，在改造過程中根據實際的情況可以考慮如下幾種方法：①適當降低泵的安裝高度；②減少吸入管路壓力損失（減少吸入管路彎頭、閥門、管路盡量短而直、加大吸入口管道直徑）；③不影響工藝的情況下增大輸送液面上的靜壓力；④允許的情況下，在泵入口前加冷卻器降低輸送流體的溫度，增大流體飽和蒸氣壓；⑤在電機上加裝變頻器，在滿足生產需要的前提下，降低轉速，減輕氣蝕；⑥排查管路是否存在上袋（上彎）情況，如果有上袋，管道內氣體無法排凈，離心泵也會發(fā)生氣蝕，整改管路，消除上袋（上彎）。⑦選擇其他型式的泵，如高速泵、桶袋泵等。

（2）在單機試車和日常操作時候發(fā)生氣蝕可由以下幾種操作來消除：①判斷入口閥門是否全部開到位，確保入口閥門處在全開狀態(tài)，減少局部摩阻；②在試車之前，必須充分保證管道、閥門、容器無雜物，清理、沖洗干凈；③更換過濾網，在工藝條件允許的情況下，減小過濾網的目數(shù)，降低局部摩阻；④如電機為調速電機時，調節(jié)轉速，滿足生產的前提下降低泵轉速；⑤升高吸入管路的靜液面高度，提高泵入口的壓頭；⑥在滿足生產的前提下適當關小出口閥門，降低泵的流量減輕氣蝕；⑦如果是因為伴熱情況引起的介質溫度高，導致的氣蝕，可以選擇其他形式的伴熱方式，如熱水、電伴熱等，在保證不發(fā)生凍凝的情況下盡量降低伴熱引起的溫升。

3.3 其他一些方法

（1）對于液化烴、汽油、拔頭油等蒸汽壓較低的液體，在設計階段可以考慮在泵入口管道、儲罐上增設隔熱、保冷措施，防止夏季高溫，引起介質溫度升高較大引起離心泵氣蝕；

（2）在設計階段對不同的介質，考慮不同的伴熱措施，在工藝允許的情況下，在不發(fā)生凍凝的情況下，盡量選擇溫度較低的伴熱介質；

（3）加強設備及管線的維護，定時清掃管線、設備，特別是對輸送易結蠟、結膠、黏度大的流體，減小由于結蠟、結膠等因素增加的入口管道摩阻；

（4）定期清理過濾器，保證過濾器清潔；

（5）對泵注意維修過流部件，及時修復受損部件；

（6）對輸送含固、含渣等介質的離心泵，必須定期檢查口環(huán)的磨蝕情況，避免由于口環(huán)磨蝕，增加泵內回流，導致氣蝕情況發(fā)生；

（7）適當提高泵入口液位，對于儲油罐適時地切換儲罐，確保泵入口具有一定高度的液位。

4 結論

1）在單機試車過程中往往是由于罐內液位過低、過濾器目數(shù)過大、出口閥門開度較大、入口閥門開度較小等原因導致泵氣蝕的產生；通過上述分析，采取相應的措施和方法就可以避免在單機試車時氣蝕的發(fā)生；

2）在設計安裝階段及日常操作階段提出對氣蝕防止的方法和措施，并由此可得出在某公司的油品儲運所管轄的單元中，離心泵較容易產生氣蝕現(xiàn)象的分別是：烴類罐區(qū)、高溫污油罐區(qū)、輕污油罐區(qū)、液氨罐區(qū)等這幾個單元，對這幾個單元應重點加以關注。

3）利用上述分析的過程和結果還可對今后離心泵的安裝、設計提供依據；對已安裝的離心泵是否會產生氣蝕進行校核，為今后泵的檢修、更換和安裝提供思路和方法。

[1] 天津大學化工原理教研室.化工原理 上冊[M].天津：天津科學技術出版社，1987.

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Centrifugal Pump Cavitation is Generated with the Measures in the Design Operation

Hu Hua-gui

TH311

B

1003–6490（2017）09–0086–03

2017–06–27

胡華貴（1983—），男，江西上饒人，工程師，主要從事化工水處理及儲運工作。