循環(huán)水泵汽蝕原因分析及防止措施

雒進(jìn)明，鐘秋宏

（中國石油蘭州石化設(shè)備維修公司，甘肅蘭州 730060）

0 引言

某煉廠循環(huán)水裝置循環(huán)水泵為單級(jí)懸臂離心泵，型號(hào)為LZA150-250B，設(shè)計(jì)參數(shù)：流量400 m3/h，揚(yáng)程64 m，入口壓力0.1 MPa，出口壓力0.7 MPa，可用汽蝕余量5.5 mm，轉(zhuǎn)速2900 r/min，水位高1.8 m。此泵是煉廠循環(huán)水輸送的關(guān)鍵設(shè)備，自投用以來，多次發(fā)生由于泵強(qiáng)烈振動(dòng)而造成的停車事故，經(jīng)解體檢查，排除軸承、對(duì)中等檢修質(zhì)量因素，發(fā)現(xiàn)造成振動(dòng)停車的主要原因是汽蝕。

1 汽蝕的產(chǎn)生

離心泵在運(yùn)行過程中，由于葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，使泵的入口處壓力降低，當(dāng)吸入口處壓力小于被輸送液體的飽和蒸汽壓時(shí)，液體將會(huì)汽化產(chǎn)生氣泡，這些氣泡隨液體一起進(jìn)入葉輪流道中，由于旋轉(zhuǎn)的葉輪對(duì)液體做功，使液體能量逐漸增加，液體的壓力又逐漸升高，液體中的氣泡受壓破裂，氣泡四周的液體質(zhì)點(diǎn)以很高的速度運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)相互撞擊，在瞬間產(chǎn)生很高的壓力和很強(qiáng)的水擊波連續(xù)打擊葉輪表面，金屬表面逐漸因疲勞破壞，在葉片上產(chǎn)生蜂窩狀的小塊剝落（圖1）。在所產(chǎn)生的氣泡中，還有一些活潑氣體，如氧氣，借助氣泡凝結(jié)時(shí)所放出的熱量，對(duì)葉輪產(chǎn)生化學(xué)、電化學(xué)腐蝕與機(jī)械剝蝕，加快了葉輪的損壞速度。

2 汽蝕現(xiàn)象帶來的危害

（1）汽蝕現(xiàn)象會(huì)影響離心泵的使用性能。汽蝕現(xiàn)象對(duì)循環(huán)水泵使用性能所造成的影響是長期累積的結(jié)果，因?yàn)槠g現(xiàn)象的發(fā)生初始時(shí)期，對(duì)離心泵使用性能的影響并不明顯，因此難以發(fā)現(xiàn)其存在，而往往當(dāng)察覺到汽蝕現(xiàn)象的存在時(shí)，實(shí)際上其已經(jīng)對(duì)離心泵的工作部件造成了一段時(shí)間的破壞，大量的氣泡潰滅將離心泵的傳送通塞堵塞，其工作效率、揚(yáng)程、流量都會(huì)有非常明顯的變化。通過對(duì)離心泵發(fā)生汽蝕時(shí)的性能曲線進(jìn)行分析（圖2），圖2中N是軸功率，可以看出，汽蝕發(fā)生時(shí)，循環(huán)水泵的效率η、揚(yáng)程H（m）、流量Q（m3/h）曲線均會(huì)明顯驟降（圖2中虛線部分)）。

圖1 汽蝕葉輪

（2）汽蝕現(xiàn)象會(huì)影響循環(huán)水泵的正常工作。當(dāng)循環(huán)水泵中出現(xiàn)了汽蝕現(xiàn)象時(shí)，由于氣泡的破裂而導(dǎo)致液體與葉輪流道之間以及液體相互之間出現(xiàn)猛烈的撞擊，這種撞擊除發(fā)出很大噪聲之外，還會(huì)引發(fā)離心泵的劇烈振動(dòng)，進(jìn)而會(huì)迫使離心泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 離心泵發(fā)生汽蝕時(shí)的性能曲線

（3）汽蝕現(xiàn)象會(huì)影響過流部件。在循環(huán)水泵的汽蝕現(xiàn)象發(fā)生當(dāng)中，傳送通道的金屬表面會(huì)受到一定的撞擊，并且伴有電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，這對(duì)于離心泵的過流部件而言，是極為惡劣的。在汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生初始階段，過流部件的金屬表面會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的眾多麻點(diǎn)，隨著使用時(shí)間的增加，汽蝕現(xiàn)象逐漸加劇，使得過流部件金屬表面的腐蝕現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，甚至還會(huì)出現(xiàn)穿孔、破裂現(xiàn)象，帶來不可預(yù)估的嚴(yán)重后果。

3 泵的汽蝕余量、吸上真空度Hs

3.1 汽蝕余量

（1）汽蝕余量。為了使泵在運(yùn)行中不發(fā)生汽蝕，泵在進(jìn)口處的液體就必須所具有超過輸送介質(zhì)汽化壓力的富裕壓力，就是汽蝕余量。

（2）臨界汽蝕余量NPSH3。在規(guī)定流量下，泵的第一級(jí)揚(yáng)程下降3%時(shí)的汽蝕余量值。

（3）必需汽蝕余量NPSHR。對(duì)于給定的泵，在規(guī)定轉(zhuǎn)速、流量和輸送液體的條件下，泵達(dá)到規(guī)定性能的最小汽蝕余量值。必需汽蝕余量NPSHR是由汽蝕試驗(yàn)得到的臨界汽蝕余量值NPSH3加上容差系數(shù)，見式（1）和式（2）。A，C為容差系數(shù)，對(duì)于2級(jí)試驗(yàn)精度A=6%，C=0.3 m；對(duì)于1級(jí)精度A=3%，C=0.15 m。

（4）可用汽蝕余量NPSHA?？捎闷g余量是在規(guī)定流量下由裝置條件確定下獲得的汽蝕余量值，見式（3）。

NPSHA——可用汽蝕余量

ps1——泵入口法蘭截面處的液體壓力，Pa

v——介質(zhì)在泵入口法蘭處的速度，m/s

pv——介質(zhì)在輸送溫度下的飽和蒸氣壓，Pa

ρ——介質(zhì)在輸送溫度下液體密度，kg/m3

g——重力加速度，m/s2

通過上述計(jì)算可知，為了使泵在運(yùn)行中不發(fā)生汽蝕，就必須滿足（4）式。

式（4）中B為安全裕量，為了確保泵運(yùn)行中不發(fā)生汽蝕，根據(jù)液體介質(zhì)的性質(zhì)及使用場(chǎng)合來確定。

即：①當(dāng)NPSHA數(shù)值大于NPSHR數(shù)值時(shí)，汽蝕現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生；②當(dāng)NPSHA數(shù)值小于NPSHR數(shù)值時(shí)，汽蝕現(xiàn)象會(huì)發(fā)生；③當(dāng)NPSHA數(shù)值等于NPSHR數(shù)值時(shí)，正好的汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生臨界點(diǎn)。

3.2 吸上真空度Hs

Hs——吸上真空高度

Hg——幾何安裝高度

Hw1——入口管線的水里損失

Hs——吸上真空高度，m

Hg——幾何安裝高度，m

v——介質(zhì)在泵入口法蘭處的速度，m/s

Hw1——入口管線的管路損失，m

由式（5）可知，當(dāng)泵安裝時(shí)，泵軸線離液面越大，泵入口的壓力越小，吸上真空度Hs也就越大。當(dāng)幾何安裝高度Hg大到一定值時(shí)，或入口壓力降到一定時(shí)，也即吸上真空高度Hs大到一定值時(shí)，泵將發(fā)生汽蝕。

為了泵運(yùn)行安全起見，必須留有0.3 m的容量差，允許吸上真空度［Hs］=Hsmax-0.3。為使泵在運(yùn)行中不發(fā)生汽蝕，必須滿足Hs≤［Hs］即（6）式。

計(jì)算中給出的允許吸上真空高度［Hs］是在大氣壓力為101 325 Pa（10.33 mH2O），液體溫度為常溫（T=20 ℃）下清水試驗(yàn)得到的，如果泵使用地點(diǎn)的大氣壓力、液體溫度或液體的汽化壓力不同時(shí)，允許吸上真空高度應(yīng)進(jìn)行修正，見式（7）。

［Hs］＇——泵實(shí)際使用地點(diǎn)的大氣壓力溫度和介質(zhì)情況下的允許吸上真空度

［Hs］——樣本上給出的允許吸上真空度

［Hs］＇——泵實(shí)際使用地點(diǎn)的大氣壓

［Hs］——樣本上給出的允許吸上真空度，m

pb——泵實(shí)際使用地點(diǎn)的大氣壓，kPa

pv——介質(zhì)在使用地點(diǎn)、輸送溫度下的飽和蒸氣壓，kPa

ρ——介質(zhì)在輸送溫度下密度，kg/m3

g——重力加速度，m/s2

4 預(yù)防循環(huán)水泵汽蝕的處理措施

（1）通過上述對(duì)循環(huán)水泵汽蝕原理分析可以得知，當(dāng)NPSHA值小于NPSHR值時(shí)，離心泵會(huì)產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，所以防止循環(huán)水泵汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生，則需要提升NPSHA或者降低NPSHR，具體實(shí)施可從4方面入手。

①對(duì)泵的吸入裝置與安裝位置進(jìn)行科學(xué)合理地設(shè)計(jì)，可適當(dāng)增強(qiáng)吸進(jìn)罐中的液面壓力，降低循環(huán)水泵的安裝高度，讓循環(huán)水泵入口的有效汽蝕余量NPSHA達(dá)到足夠大。②采取一定的措施，減少循環(huán)水泵吸入管道的阻力損失。③對(duì)循環(huán)水泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的改進(jìn)，使得必需汽蝕余量NPSHR能夠足夠小。④通過降低傳送介質(zhì)的溫度，從而達(dá)到防止液體在循環(huán)水泵中汽化。

（2）循環(huán)水泵選型改進(jìn)。①在確保流量、揚(yáng)程不變，減小機(jī)泵轉(zhuǎn)速，達(dá)到循環(huán)水泵抗汽蝕目的。②對(duì)循環(huán)水泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提升泵的抗汽蝕性能。

過對(duì)循環(huán)水泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的改進(jìn)去提升自身的抗汽蝕性能，這同樣是預(yù)防循環(huán)水泵產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象的有效措施。

（3）循環(huán)水泵材料改進(jìn)。①選用合金鑄鐵等抗汽蝕性能較好的材料，如鋁鐵青銅、鎳鉻合金等材料，減輕汽蝕的破壞程度，進(jìn)而提升循環(huán)水泵的使用壽命。②從工藝加工上，改善葉片表面的表面粗糙度、硬度，適當(dāng)加大葉輪入口直徑或者葉片入口邊寬度，以達(dá)到葉輪進(jìn)口流速減緩的目的。

5 結(jié)論

實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證效果見表1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證效果

該煉廠循環(huán)水裝置循環(huán)水泵存在設(shè)計(jì)選型錯(cuò)誤，將入口壓力設(shè)計(jì)為0.1 MPa現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的液位高度僅為1.8m，在2900 r/min轉(zhuǎn)速下，有效汽蝕余量NPSHA遠(yuǎn)小于必需汽蝕余量NPSHR，是發(fā)生汽蝕、造成振動(dòng)的根本原因。