化工自吸泵試車故障分析及安裝建議

史曉燕

（中國(guó)成達(dá)工程有限公司，四川成都 610041）

0 引言

自吸泵在石油化工、市政、農(nóng)業(yè)、船舶等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，常用于輸送污水坑（池）、罐車和地下貯槽（罐）的液體。自吸泵是指泵處于吸上情況下，首次灌泵停車后再次啟動(dòng)時(shí)，能允許泵自身完成再次灌泵過程的一種泵。實(shí)質(zhì)是無(wú)需額外措施，在泵腔內(nèi)存在氣體的情況下，能夠連續(xù)排氣并輸送液體直至泵腔內(nèi)的氣體全部排出并充滿輸送液體。這種類型的泵不需要使用噴射器、真空泵和底閥即可完成自吸。自吸過程在泵腔內(nèi)完成：首次灌泵并啟動(dòng)泵后，入口管路處高速旋轉(zhuǎn)的葉輪造成腔體內(nèi)部分真空，入口管路中的空氣被引入至真空區(qū)，在泵體的吸液室內(nèi)與液體混合。之后，氣液混合物的流速隨之減慢，空氣從排氣口排出，未夾雜空氣的液體因其密度大于夾雜空氣的液體密度，在重力作用下，未夾雜空氣的液體再次返回吸液室，等待與更多的空氣進(jìn)行混合，如此反復(fù)循環(huán)，直至入口管路的空氣全部排出泵腔，整個(gè)自吸過程完成[1]。

1 自吸泵試車故障分析

1.1 故障現(xiàn)象

某化工項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)安裝一臺(tái)自吸泵（ZX 系列），輸送介質(zhì)為硝酸鈉溶液，流量Q=40 m3/h，揚(yáng)程H=102 m，自吸高度要求2.5 m。據(jù)用戶反映，施工單位在單機(jī)試車階段開車3～4 次，每次啟泵幾分鐘后出口壓力會(huì)突然陡降，出口管路僅有少量液體輸出，而且出口壓力陡降期間噪聲明顯很大，只好被迫停車。

1.2 故障分析

從現(xiàn)場(chǎng)描述情況分析，這是典型的入口壓力不夠，入口管路有大量氣體存在，導(dǎo)致入口處有汽蝕現(xiàn)象發(fā)生。施工方單機(jī)試車所用介質(zhì)為水，密度與輸送介質(zhì)（硝酸鈉溶液）相當(dāng)。之后實(shí)地驗(yàn)證，讓施工單位將單機(jī)試車過程重新還原，發(fā)現(xiàn)確實(shí)存在施工方描述的現(xiàn)象，從泵出口閥關(guān)閉至壓力升至設(shè)計(jì)出口壓力期間，慢慢加大出口閥門開度時(shí)，出口壓力只能短時(shí)間維持，幾分鐘后便會(huì)陡降，后幾乎降至零點(diǎn)，并伴隨著刺耳的噪聲，最終被迫停車。

此次試車過程中首先排除了人為操作失誤的可能性；其次，根據(jù)理論分析，通過目測(cè)出口管路的水流速，判斷其明顯達(dá)不到設(shè)計(jì)流量。根據(jù)正常H-Q 性能曲線，如Q↓，則H↑，ΔP↑，（P2-P1）↑，其中P2是出口壓力，P1是入口壓力；在P2保持不變的前提下P1↓，說明入口管道阻力降很大，這樣會(huì)嚴(yán)重降低泵的有效汽蝕余量（NPSHA），極易在泵入口發(fā)生汽蝕。

經(jīng)仔細(xì)查看現(xiàn)場(chǎng)安裝情況（圖1），發(fā)現(xiàn)泵入口管道采用的是偏心異徑管，但施工單位誤將偏心的異徑管方向裝反。該泵為吸上工況，偏心異徑管本應(yīng)安裝為頂平，但實(shí)際上卻裝成了底平，導(dǎo)致管路中有大量的氣體進(jìn)入，并有一部分氣體無(wú)法完全排出，形成氣囊。緊急通知施工方整改，整改完成后即刻再次試車，泵的運(yùn)行效果明顯好轉(zhuǎn)，出口流速明顯增大，但運(yùn)行約十多分鐘后，出口壓力保證1 MPa（10 bar）左右的情況下，出口閥依然不能開大，出口管路液體流速較小。

經(jīng)仔細(xì)詢問，施工單位表示該泵入口管路末端還加裝了底閥。因該泵為自吸泵，不需要配置底閥，底閥的存在反而會(huì)增加入口阻力降。將底閥拆除后試車，效果非常明顯，出口壓力保持穩(wěn)定的情況下，出口管路液體流速加大并能保證滿管出液。由此單機(jī)試車成功。

另外，因單機(jī)試車時(shí)擔(dān)心池中水太臟會(huì)導(dǎo)致泵體進(jìn)入異物損傷泵的通流部件，故加裝了臨時(shí)過濾器?，F(xiàn)場(chǎng)拆除法蘭將臨時(shí)過濾器取下后發(fā)現(xiàn)，臨時(shí)過濾器的濾網(wǎng)非常細(xì)密，估計(jì)為30～40目。因介質(zhì)是干凈的，正常開車后臨時(shí)過濾器必須拆除。而且，因兩個(gè)池子對(duì)應(yīng)一臺(tái)泵，為便于切換，入口管路設(shè)置了截止閥，截止閥的設(shè)置也是增加入口阻力降的因素之一。

為了實(shí)際驗(yàn)證正常開車狀態(tài)下泵的運(yùn)行情況，最終將臨時(shí)過濾器拆除后再次進(jìn)行了單機(jī)試車。顯然，此次更進(jìn)一步改善了泵的出水量。

圖1 自吸泵安裝現(xiàn)場(chǎng)

2 自吸泵安裝建議

根據(jù)工程設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工及試車情況，提出以下安裝建議：

（1）自吸泵的最大吸上高度取決于當(dāng)?shù)卮髿鈮海ê０胃叨扔绊懀┖捅玫男?。如果輸送介質(zhì)的比重大于1，計(jì)算有效吸上高度時(shí)還應(yīng)除以比重。如果液體的蒸汽壓較高，那么在高真空情況下，入口管路處還會(huì)發(fā)生汽化。當(dāng)然，輸送這些介質(zhì)時(shí)吸上高度也會(huì)相應(yīng)降低[2]。選型設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)反復(fù)核查泵的有效汽蝕余量以決定泵的最大吸上高度。

（2）入口管路須避免安裝底閥和止回閥。底閥的局部阻力系數(shù)ζ 通過查閱流體力學(xué)相關(guān)手冊(cè)為10，止回閥的局部阻力系數(shù)ζ 接近4，因此造成的入口阻力降非常大，不利于液體的吸上。而往往在工程設(shè)計(jì)中，通常會(huì)將自吸泵視作普通離心泵，均在入口管路設(shè)置底閥，其實(shí)對(duì)于自吸泵而言，這是非常錯(cuò)誤的做法，應(yīng)在今后的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中避免。

（3）應(yīng)盡可能減少入口管路的彎頭，盡量控制在1～2 個(gè)。彎頭越多，入口阻力損失越大，會(huì)導(dǎo)致有效汽蝕余量降低，引起入口管路的汽化。

（4）入口管路不宜太長(zhǎng)。入口管路太長(zhǎng)不僅會(huì)增加沿程阻力損失，而且會(huì)導(dǎo)致泵的吸上時(shí)間變長(zhǎng)。因?yàn)樽晕梦菏覂?nèi)儲(chǔ)存的液體量有限，長(zhǎng)時(shí)間的自吸空轉(zhuǎn)將導(dǎo)致泵內(nèi)液體發(fā)熱溫度升高，以致使真空度不能繼續(xù)上升，從而限制了自吸時(shí)間[3]。如果布置上無(wú)法縮短入口管路，安裝自吸泵時(shí)應(yīng)盡量靠近水平管路的起始處而不是末端。

（5）入口管路應(yīng)盡量減少切斷閥的使用，以避免更多的入口阻力損失。

（6）入口管路不應(yīng)設(shè)置永久過濾器，為避免開車時(shí)有異物進(jìn)入泵腔造成泵的損壞，可采用臨時(shí)過濾器，待正式開車后，須將臨時(shí)過濾器拆除。

（7）泵的出口管路必須設(shè)置排氣口，以使整個(gè)自吸過程中保證泵腔和入口管路內(nèi)的空氣全部排出。單機(jī)試車時(shí)，可適當(dāng)打開出口閥進(jìn)行開閥啟動(dòng)試車，而非像離心泵一樣關(guān)閥啟動(dòng)試車，因自吸泵內(nèi)啟動(dòng)前泵內(nèi)無(wú)壓力，葉輪旋轉(zhuǎn)阻力矩和所耗功率很小，適當(dāng)打開出口閥可有利于排氣[3]。

（8）入口管路的設(shè)計(jì)不允許產(chǎn)生高點(diǎn)，高點(diǎn)的存在會(huì)導(dǎo)致空氣積聚以致影響自吸。譬如，試車故障分析案例中因異徑管的安裝錯(cuò)誤導(dǎo)致入口管路出現(xiàn)高點(diǎn)，形成了氣囊。

（9）出口管路的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮自吸泵停車后出口管路有足夠的液體返回泵的吸液室，以便為下次自吸過程做好準(zhǔn)備。因此，出口管路不應(yīng)設(shè)置90°彎頭，而且出口止回閥和隔離閥與出口法蘭之間的管路容積應(yīng)與吸液室的容積保持一致。

（10）自吸時(shí)間與泵的規(guī)格大小、葉輪直徑以及入口管徑及長(zhǎng)度有關(guān)。泵的規(guī)格大小和葉輪直徑由制造廠根據(jù)泵的性能參數(shù)而定，入口管路的管徑應(yīng)與泵吸入口口徑一致。管徑越大，排出氣體量增加，從而導(dǎo)致自吸時(shí)間變長(zhǎng)。當(dāng)然，管徑適當(dāng)放大，管路的入口阻力損失會(huì)適當(dāng)減小。但對(duì)于自吸泵而言，從自吸時(shí)間的影響因素分析，建議入口管路的管徑與泵吸入口口徑一致，管道專業(yè)在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，可不考慮設(shè)置異徑管。

4 結(jié)語(yǔ)

本文旨在說明化工自吸泵的設(shè)計(jì)、安裝和試車均不同于普通離心泵，設(shè)計(jì)選型正確的前提下，應(yīng)特別注意系統(tǒng)、管道設(shè)計(jì)以及合理安裝的重要性，否則將會(huì)出現(xiàn)自吸泵無(wú)法自吸或自吸能力無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果的情況。