化工裝置中離心泵氣蝕問題分析

楊世杰

（煙臺(tái)泰和新材料股份有限公司，山東煙臺(tái) 264006）

0 引言

離心泵具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、流量穩(wěn)定、揚(yáng)程高、操作簡單、后期維護(hù)成本低的特點(diǎn)，在石油化工、煤化工、鋼鐵冶煉等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用空間。根據(jù)不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工程設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)需求，可以有針對性地安裝不同性能的離心泵。很多大型化工裝置，在原料處理環(huán)節(jié)、產(chǎn)品分離環(huán)節(jié)和輔助料輸送環(huán)節(jié)，都離不開離心泵的使用。大規(guī)模使用離心泵的化工生產(chǎn)都面臨以下復(fù)雜情況。

（1）化工生產(chǎn)大多需要連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，有時(shí)為提高裝置負(fù)荷，完成年度生產(chǎn)計(jì)劃通常需要提高各個(gè)物料的進(jìn)料量，這也提高了離心泵的工作負(fù)荷。

（2）很多化工生產(chǎn)涉及到的物料種類非常復(fù)雜，以石油化工生產(chǎn)為例，其輸送的原料就包括汽柴油、硫化油、氫氣等。輸送的輔助料包括高溫氣體、高溫?fù)Q熱油等，輸送的物料性質(zhì)復(fù)雜多樣，面對的輸送條件也不同。這些情況會(huì)影響到離心泵的使用性能、壽命和效率。離心泵的氣蝕故障是離心泵工作中最常見的故障之一，本文根據(jù)化工生產(chǎn)操作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)離心泵氣蝕相關(guān)文獻(xiàn)，調(diào)研企業(yè)離心泵氣蝕故障實(shí)例，總結(jié)梳理化工生產(chǎn)過程中離心泵的氣蝕問題。

1 離心泵工作原理

離心泵設(shè)備型號眾多，但是工作原理大同小異。大多數(shù)離心泵主要由泵殼、中心泵軸、軸承、密封墊圈、軸向力平衡系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)葉輪等部分組成，核心設(shè)備是固定泵殼和高速旋轉(zhuǎn)的葉片。通常離心泵都固定有4～10 片彎曲的旋轉(zhuǎn)葉片。離心泵開始工作時(shí)，連接離心泵的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備帶動(dòng)離心泵軸旋轉(zhuǎn)，連接軸的葉片高速旋轉(zhuǎn)，葉片將沿其圓周切線方向?qū)σ后w做功，帶動(dòng)葉片與泵殼之間的液體高速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)液體受到旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用時(shí)，就會(huì)從葉輪中心不斷向外運(yùn)動(dòng)并不斷獲得機(jī)械動(dòng)能，在離心力和壓差作用下，液體經(jīng)過葉輪出口時(shí)會(huì)不斷向外運(yùn)動(dòng)進(jìn)入泵殼。進(jìn)入到泵殼后，液體流動(dòng)速度下降，一部分機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)換為靜壓能，并進(jìn)入離心泵流出管道。

2 氣蝕的概念及產(chǎn)生原因

根據(jù)離心泵工作原理，離心泵對入口管線處的液體物料吸入的方式是基于入口管線壓力和葉輪中心的壓力差來實(shí)現(xiàn)的。但是，當(dāng)離心泵入口管線的壓力低于液體工作環(huán)境下的飽和蒸汽壓時(shí)，輸送的液體物料就會(huì)迅速汽化產(chǎn)生大量氣泡，并且隨著入口管線的壓力不斷下降，形成的氣泡尺寸和速度不斷變大、變快，同時(shí)受到壓力變化影響，溶解在液體物料中的部分液體也會(huì)析出，在液體中形成氣泡。無論哪種氣泡，當(dāng)這些氣泡被卷吸到離心泵葉輪中心時(shí)，受到泵殼內(nèi)高壓區(qū)壓力的作用又會(huì)破碎。在氣泡破碎瞬間，會(huì)產(chǎn)生大量的液體碰撞，帶動(dòng)周圍液體不斷撞擊、腐蝕流經(jīng)的離心泵零件。這些離心泵金屬零件經(jīng)過長時(shí)間液體的高頻率撞擊和腐蝕，會(huì)產(chǎn)生金屬疲勞、性能衰退的情況，進(jìn)而引發(fā)離心泵性能缺陷。這一系列因液體汽化、氣泡破碎、液體撞擊所帶來的離心泵金屬零件受損的情況稱為氣蝕現(xiàn)象。離心泵產(chǎn)生氣蝕主要有以下原因。

（1）不同材料制備出的離心泵抗氣蝕能力不同，通常不銹鋼合金制造成的離心泵抗氣蝕能力較強(qiáng)。

（2）制造離心泵時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致離心泵的允許汽蝕余量曲線斜率過高，降低了離心泵的抗氣蝕能力。

（3）離心泵設(shè)計(jì)壓力、泵前管線輸送壓力和輸送液體性質(zhì)不匹配，例如，輸送油品時(shí)，油品的飽和蒸汽壓受到溫度變化影響非常大，一旦工藝參數(shù)發(fā)生變化，很容易在離心泵內(nèi)產(chǎn)生氣蝕。

（4）離心泵開機(jī)使用前需要灌泵，使得離心泵內(nèi)充滿帶輸送的液體。如果離心泵開機(jī)前沒有做好灌泵工作，會(huì)使離心泵內(nèi)含有一定體積氣體，為氣蝕提供場所。

（5）工藝管線參數(shù)設(shè)置不合理或離心泵安裝高度過高，導(dǎo)致離心泵吸入物料的阻力過大，離心泵葉輪對泵前管線物料的卷吸能力不足。

（6）離心泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)備工作不穩(wěn)定，導(dǎo)致離心泵運(yùn)行過程中產(chǎn)生大幅度流量變化或葉輪轉(zhuǎn)速變化，造成液體流動(dòng)狀態(tài)變化明顯。

3 氣蝕產(chǎn)生的危害

氣蝕發(fā)生時(shí)，首先是葉輪內(nèi)部的液體物料內(nèi)部和表面處產(chǎn)生大量氣泡，葉輪截留面變小，影響液體物料運(yùn)輸?shù)倪B續(xù)性，離心泵的揚(yáng)程、流量和效率均受到影響。當(dāng)含有氣泡的液體物料進(jìn)入高壓泵后，氣泡破碎引發(fā)周圍液體高速、無規(guī)則地向泵殼四周散去，不斷撞擊泵殼內(nèi)的各種金屬零件，侵蝕金屬零件表面，產(chǎn)生表層脫落、裂紋、腐蝕的情況。這些危害表現(xiàn)在離心泵設(shè)備上，體現(xiàn)在以下方面。

（1）機(jī)械損傷。氣泡破碎帶來的高速液體不斷沖擊泵殼內(nèi)部的各種機(jī)械零件，容易產(chǎn)生各種金屬機(jī)械損傷。微觀結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)長期處于氣蝕狀態(tài)的泵殼內(nèi)部零件表面存在大量蜂窩、溝壑形狀傷痕。嚴(yán)重時(shí)，金屬零件受沖擊產(chǎn)生金屬碎片，碎片會(huì)造成殼體損傷。

（2）電化學(xué)腐蝕。告訴液體撞擊泵殼內(nèi)部零件產(chǎn)生大量摩擦熱，引發(fā)物料中氣體產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，加劇金屬零件損傷，產(chǎn)生化學(xué)腐蝕。如果化學(xué)腐蝕發(fā)生在精密的閥芯部位，對離心泵的損傷是致命的。

（3）振動(dòng)和噪聲。氣泡破碎產(chǎn)生高速液體的流速、流動(dòng)方向是不規(guī)則的，高頻率撞擊到零件后會(huì)產(chǎn)生規(guī)則的振動(dòng)，改變?nèi)~輪和泵殼之間的協(xié)調(diào)性，導(dǎo)致葉輪軸分布對稱性發(fā)生變化，使得電機(jī)軸受交變應(yīng)力，導(dǎo)致葉輪軸承和中心軸使用性能受損。

（4）降低性能。產(chǎn)生氣蝕后，離心泵的輸送流量、揚(yáng)程、出口壓力、效率都會(huì)下降，離心泵使用壽命也會(huì)縮短，造成企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失。

4 氣蝕的防護(hù)及改善措施

4.1 調(diào)整吸入系統(tǒng)的裝置條件

為使工程設(shè)計(jì)人員清楚了解各種離心泵的使用性能，使企業(yè)在實(shí)際使用過程中有效避免氣蝕情況的出現(xiàn)，離心泵的生產(chǎn)廠家在離心泵銘牌上都會(huì)標(biāo)注對應(yīng)離心泵的允許氣蝕余量和允許吸上真空度。這兩個(gè)指標(biāo)都是衡量評判工藝生產(chǎn)過程中工藝參數(shù)是否會(huì)對此離心泵產(chǎn)生氣蝕的重要參考指標(biāo)，也是工程設(shè)計(jì)設(shè)備選型工作重要參考指標(biāo)。對于出廠的成品離心泵，其結(jié)構(gòu)組成、空間構(gòu)造、材料選型等方面都是固定的，影響離心泵使用過程中的氣蝕情況主要依賴于工藝參數(shù)。

4.1.1 允許氣蝕余量

為避免離心泵發(fā)生氣蝕，工作狀態(tài)下的離心泵氣蝕余量NHSHα必須滿足式（1）。

式中 NHSHα——離心泵工作狀態(tài)下的汽蝕余量

NHSHr——離心泵固有的汽蝕余量

PA——離心泵吸入罐上壓力

PV——工作狀態(tài)下液體物料的飽和蒸汽壓

ρ——液體物料在工作狀態(tài)下的密度

Zg——離心泵安裝高度

ΣhA-S——葉輪卷吸液體的阻力損失

根據(jù)式（1）可知，提高NHSHα可以采取以下措施。增大PA，從公式來看，PA越大，NHSHα越大。根據(jù)離心泵工作原理，足夠大的PA可以有效避免流體因溫度過高而發(fā)生汽化，產(chǎn)生氣泡?，F(xiàn)場操作經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，除了離心泵前壓力過低會(huì)導(dǎo)致氣蝕以外，離心泵葉輪氣蝕轉(zhuǎn)速過高也會(huì)產(chǎn)生氣蝕；降低流體自身溫度，根據(jù)流體物理化學(xué)原理，流體的飽和蒸汽壓與溫度成正向關(guān)系，溫度越高流體的飽和蒸汽壓越高。因此，在固定離心泵前壓力情況下，溫度越高，離心泵越容易產(chǎn)生氣蝕。因此，在滿足工藝加工前提下，應(yīng)盡可能降低離心泵前后管線流體體相溫度。

4.1.2 允許吸上真空度

為避免離心泵發(fā)生氣蝕，工作狀態(tài)下的離心泵吸上真空度應(yīng)滿足式（2）。

式中 HS——離心泵工作狀態(tài)下的吸上真空度

CS——離心泵工作狀態(tài)下的入口速度

HSC——離心泵臨界吸上真空度

HSC=HS+0.3，其中0.3 為國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全余量。

從上述公式可以得出，要保證離心泵不發(fā)生氣蝕，就要盡可能降低HS，可以采取以下措施。

（1）降低安裝高度。保證安裝高度滿足Zg≤HSC-（Cs2/2g）+ΣhA-S。

（2）降低流速。在保證裝置進(jìn)料需求前提下，使用低流量工作狀態(tài)；在保證流量不變條件下，適當(dāng)增加泵前管線直徑，降低流速，或者在泵前管線增設(shè)旁路，調(diào)整入口管線物料流速。

（3）降低管路阻力。要對泵前管線進(jìn)行切換清理，降低管壁阻力，使用光滑的材料制備管道。

4.2 提高離心泵本身的抗氣蝕性能

調(diào)整離心泵的結(jié)構(gòu)和制造材料也可以提高離心泵抗氣蝕能力，降低自身氣蝕余量，可以采取以下措施。

（1）改變?nèi)肟诮Y(jié)構(gòu)。增加離心泵入口直徑，降低物料進(jìn)入離心泵的流速；增加葉片進(jìn)口沖角，降低壓力勢差系數(shù)；根據(jù)流體力學(xué)計(jì)算模擬和冷態(tài)模擬，考察離心泵內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)，設(shè)計(jì)新型葉片結(jié)構(gòu)，減少流體傳動(dòng)阻力。

（2）采用雙吸式葉輪。使用雙吸式葉輪離心機(jī)，在不改變物料流量的前提下，將每片葉輪通過的液體流量降低一半，相應(yīng)的葉輪入口流速也降低，降低了氣蝕出現(xiàn)的概率。

（3）選用抗氣蝕性能好的材料制造設(shè)備。使用高性能材料制造離心泵各種零件，可以提高離心泵面對氣蝕的抗性，維持離心泵的機(jī)械性能和使用壽命。目前材料工程開發(fā)出的具有高性能的材料有鎳鉻合金、不銹鋼2Cr13、稀土不銹鋼、鋁鐵青銅9-4 等。

（4）涂層工藝。為降低流體在離心泵處的傳質(zhì)阻力以及提高離心泵材料的抗腐蝕能力，可以對離心泵內(nèi)能夠接觸到流體的管道和零件進(jìn)行涂層，例如，環(huán)氧樹脂、石油瀝青、聚氨酯等。

5 結(jié)論

上述分析可以發(fā)現(xiàn)，為避免離心泵出現(xiàn)氣蝕故障，離心泵制造企業(yè)和化工生產(chǎn)企業(yè)要采取以下措施。

（1）從離心泵制造角度出發(fā)，提高離心泵本身的抗氣蝕能力。

（2）從工藝角度出發(fā)，保證離心泵有效氣蝕余量和吸上真空度滿足設(shè)備指標(biāo)要求。同時(shí)，現(xiàn)場也要加強(qiáng)巡檢、設(shè)備檢修、設(shè)備保養(yǎng)等輔助性工作，保證化工生產(chǎn)順利進(jìn)行。