間隙汽蝕對高壓多級離心泵的影響分析

成 科，岳維亮，胡四兵，杜振明，王振偉

（1.中國石油化工股份有限公司 洛陽分公司，河南洛陽 471012；2.大連利歐華能泵業(yè)有限公司，遼寧大連 116000；3.合肥通用機械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

高壓多級離心泵葉輪級數(shù)多、進出口壓差大、轉(zhuǎn)速高于或等于2極轉(zhuǎn)速，裝置對該類泵都有著長周期穩(wěn)定運行要求，對可靠性和穩(wěn)定性要求極高［1］。因此，高壓多級離心泵摩擦副間隙要求嚴格，而間隙汽蝕現(xiàn)象在高壓多級離心泵應用中，極容易造成間隙的破壞，對設備長周期穩(wěn)定運行有著重要的影響。

1 高壓多級離心泵汽蝕現(xiàn)象

化工裝置中眾多高壓多級離心泵的應用維修，經(jīng)常存在臥式多級離心泵摩擦副嚴重磨損，平衡機構汽蝕剝蝕的現(xiàn)象。圖1（a）所示為節(jié)流軸套（該軸套應用于前后壓降1 025 m，介質(zhì)溫度為380 ℃的渣油透平工況）汽蝕破壞，可以看到軸套表面產(chǎn)生了嚴重的剝離現(xiàn)象。圖1（b）所示為高壓鍋爐給水泵（總揚程1 315 m，單級揚程187.9 m）平衡盤前軸套產(chǎn)生壓降過程中產(chǎn)生的汽蝕氣孔；圖1（c）為其導葉部位汽蝕產(chǎn)生的破壞；圖1（d）為其葉輪前口環(huán)汽蝕產(chǎn)生的氣孔，該泵首級葉輪未發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，說明入口壓力大于介質(zhì)汽化壓力。圖1（e）為高壓鍋爐給水泵（總揚程1 860 m，單級揚程186 m）第7級中段（與導葉反導葉片貼合面）汽蝕產(chǎn)生的嚴重破壞。

圖1 常見汽蝕腐蝕Fig.1 Common cavitation damage

在眾多高壓多級離心泵入口壓力接近介質(zhì)汽化壓力工況下，泵拆解后普遍存在以上現(xiàn)象。泵現(xiàn)場運行時軸系振動大，直接體現(xiàn)在軸承箱體部位振動相比出廠測試振動值加大（或存在高于水聯(lián)運時振動），由于多級泵平衡機構普遍靠近非驅(qū)動側(cè)，非驅(qū)動側(cè)振動普遍大于驅(qū)動側(cè)，非驅(qū)動側(cè)密封使用壽命明顯低于驅(qū)動側(cè)；一些化工裝置部分多級離心泵振動監(jiān)測頻譜顯現(xiàn)為高頻振動，并且振動頻率范圍較寬無明顯規(guī)律；帶有軸振動監(jiān)測的可以明顯看出軸運行軌跡不同心，如圖2所示。渣油加氫液力透平軸系振動監(jiān)測6個月軸振動變化，同側(cè)軸振動值差值最大超過12 μm，軸心軌跡明顯紊亂，拆機后軸套出現(xiàn)圖1（a）間隙汽蝕破壞現(xiàn)象。

圖2 渣油加氫液力透平軸系振動監(jiān)測運行6個月軸振動變化Fig.2 Shaft vibration of residue hydrotreating hydraulic turbine for 6 months

2 間隙汽蝕過程分析

高壓多級離心泵出口壓力較高，如圖3所示，L為間隙長度，h為徑向單邊間隙，D為環(huán)形間隙直徑，P1為高壓側(cè)壓力，P2為低壓側(cè)壓力。平衡機構節(jié)流間隙非常小，平衡鼓結構一般單側(cè)間隙為h=0.1～0.2 mm左右，平衡盤軸向間隙一般在 0.2～0.3 mm 之間［2］，節(jié)流高低壓差 P1-P2可達10～35 MPa。介質(zhì)從高壓側(cè)進入間隙后，在壓差的作用下產(chǎn)生軸向速度，同時由于介質(zhì)的黏性作用，轉(zhuǎn)子部件高速旋轉(zhuǎn)帶動介質(zhì)產(chǎn)生圓周運動，且隨流動介質(zhì)速度不斷增大，介質(zhì)壓力不斷降低，直到降到溫度所對應的飽和壓力時，介質(zhì)無法保持液體狀態(tài)，要發(fā)生由液相到氣相的相變，介質(zhì)發(fā)生汽蝕流動現(xiàn)象［3］。

圖3 環(huán)形間隙示意Fig.3 Schematic diagram of annular clearance

圖4示出了間隙內(nèi)介質(zhì)的流動狀態(tài)，當介質(zhì)壓力未降到溫度所對應的飽和壓力時，流動以單相液體的形式；當氣液相間的壓力差滿足汽泡產(chǎn)生所需的力學條件時，初期開始產(chǎn)生較少汽泡，溶解在介質(zhì)中的氣體由于擴散而進入汽泡中，將助長汽泡的成長，且隨著壓力持續(xù)降低，汽泡的份額逐漸增加［4］。一部分汽泡在軸套的表面形成空穴，液體高速填充空穴，發(fā)生互相撞擊而形成水擊，使節(jié)流軸套壁面受到?jīng)_蝕破壞，即發(fā)生了固定汽蝕。圖1（a）～（c）所示各摩擦副間隙表面的汽蝕現(xiàn)象基本上與上述分析相符。

圖4 間隙內(nèi)介質(zhì)流動狀態(tài)Fig.4 Medium flow state in the clearance

為了更加清晰地了解汽蝕過程，采用了某多級離心泵平衡鼓結構，以不同葉輪級數(shù)的壓差條件下CFD流體仿真進行數(shù)值模擬，對間隙汽蝕現(xiàn)象進行可視化分析［5］。

2.1 計算模型與邊界條件

多級離心泵節(jié)流間隙模型為環(huán)形縫隙，直徑為180 mm，長度為150 mm，單邊間隙為0.2 mm。采用網(wǎng)格劃分軟件對間隙模型進行網(wǎng)格劃分，最終生成網(wǎng)格數(shù)為2 443 500個，節(jié)點數(shù)為2 697 805個，如圖9所示。采用有限體積法對控制方程進行離散，對流相使用二階迎風格式離散，擴散項選用中心差分格式［6］。計算域的進口定義壓力分別設定為 2.5，5.0，10.0，15.0 和 20.0 MPa，出口處壓力為常壓。壁面條件采用無滑移固壁條件，并使用標準壁面函數(shù)法確定固體附近流動。

圖5 節(jié)流間隙CFD模型Fig.5 CFD model of the throttling clearance

流體介質(zhì)為100 ℃水，先對流場進行穩(wěn)態(tài)計算，得到流場的結果作為氣液兩相計算的初始條件。

2.2 CFD仿真分析

節(jié)流間隙內(nèi)汽泡體積分數(shù)分布如圖6所示。由圖可知，隨著間隙兩側(cè)壓差的增加，間隙內(nèi)汽蝕區(qū)域范圍逐漸擴大；間隙壓差在5 MPa以下，產(chǎn)生汽蝕區(qū)間較??；超過10 MPa以后，間隙內(nèi)汽泡占據(jù)較大空間，并且在間隙內(nèi)存在一定軸向長度的氣液兩相流流動距離。這也就可以解釋實際運行時，軸高速旋轉(zhuǎn)過程中造成一定的汽泡潰滅，導致摩擦副表面的沖蝕。

圖6 不同間隙壓差時汽泡體積分數(shù)Fig.6 Bubble volume fraction under the diffierent clearance pressure

3 間隙汽蝕對泵部件的影響分析

3.1 對泵汽蝕的影響以及對流道內(nèi)部蝸殼破壞

對于前后壓差超過10 MPa的平衡機構，低壓側(cè)充滿了大量的氣液兩相流（或氣液固三相流），過流面積沒有發(fā)生變化，但是汽化后的氣液兩相流體積會增大很多，這時流體就具備流速高的特點。氣液兩相流體通過平衡管高速進入泵吸水室內(nèi)，此時雖然壓力大于汽化壓力，但是汽泡的潰滅需要一定時間，因流速快，汽泡尚未破滅就已經(jīng)隨著流體進入到多級泵后幾級的流道內(nèi)，隨著壓力逐級增加，汽蝕的汽泡在導葉里流速相對低的部位潰滅，即發(fā)生游離狀態(tài)的非規(guī)律性汽蝕狀態(tài)，在金屬表面呈現(xiàn)蜂巢狀［7-15］。此即為泵入口壓力大于介質(zhì)汽化壓力，卻存在非首級葉輪汽蝕的現(xiàn)象，并且汽蝕發(fā)生在多級泵的中間或靠后的流道內(nèi)的原因，如圖1（c）所示的導葉汽蝕現(xiàn)象；壓力越高或者更容易汽化的介質(zhì)工況汽蝕會分布在多級泵多個流道內(nèi)，嚴重的會對導葉和中段產(chǎn)生嚴重的沖蝕，如圖1（d）。如果介質(zhì)中含有固體顆粒，在氣體析出的過程中會夾雜固體顆粒，此時對間隙的影響會加大，存在著沖蝕與磨蝕，如圖1（a）所示。這種在氣液固或固液兩相流工況極為明顯，煤化工裝置中濕法脫硫的硫單質(zhì)、煤氣化裝置的高溫灰水內(nèi)的灰渣、渣油加氫液力透平的出口側(cè)析出未液化的油渣等固體顆粒等對摩擦副的影響就極為明顯。此即為很多該類現(xiàn)場頻譜監(jiān)測出現(xiàn)高頻、寬范圍、無規(guī)律振動現(xiàn)象的原因。

3.2 對轉(zhuǎn)子軸系徑向穩(wěn)定性的破壞

對整個軸系摩擦副進行分析，因臥式節(jié)段導葉式多級離心泵轉(zhuǎn)子撓度的存在，導致動、靜摩擦副圓周方向間隙不均勻，而設計過程中要保證撓度最低位置有一定間隙，以保證轉(zhuǎn)動過程中不會接觸。然而，在工作過程中，摩擦副圓周方向間隙不同，導致泄漏量以及產(chǎn)生的壓降不同，造成局部壓降氣體析出量高，析出的氣體會隨著高速旋轉(zhuǎn)，導致汽泡在小間隙位置高壓潰滅，對轉(zhuǎn)子徑向產(chǎn)生沖擊，而這就造成了轉(zhuǎn)子軸心軌跡的不同心，如圖2所示，在設備運行初期，摩擦副間隙尚未破壞時，振動偏小，隨著沖蝕的累積，逐漸破壞了原有的小間隙對轉(zhuǎn)子的約束能力，導致振動加大，尤其是摩擦副材料選擇不正確或表面硬化不合理的時候，這種影響極為嚴重，如圖1（a）～（c）所示。

間隙汽蝕造成摩擦副破壞，嚴重降低了泵效率，對轉(zhuǎn)子徑向產(chǎn)生高頻沖擊，對高壓多級離心泵運行穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響。同時，尤其是平衡機構的低壓端大量氣體析出造成的轉(zhuǎn)子軸向沖擊較大，嚴重時會對連接零件造成嚴重沖蝕，而且，極易造成臨近的機械密封的高頻壓力波動，降低了密封的使用壽命。

4 解決方案

針對以上問題，可以通過特殊結構設計與合理的摩擦副表面硬化處理方案來降低或改善間隙汽蝕對摩擦副造成的影響。

結構設計過程中，使摩擦副動靜環(huán)圓周間隙均勻以及摩擦副表面結構特殊設計（例如反螺旋槽結構）有利于改善間隙汽蝕或降低間隙汽蝕對摩擦副的破壞。摩擦副表面噴涂或者鍍鉻雖可以提高表面硬度，但是間隙汽蝕造成的高頻沖擊，極易使噴涂層與鍍鉻層脫落；馬氏體鋼采用淬火的方式，奧氏體不銹鋼或者雙相鋼宜采用堆焊硬化層的方式提高表面硬度。

除了材料與結構設計細節(jié)上的關注，針對高壓多級離心泵間隙汽蝕從根本上的解決方案是降低間隙前后壓差，尤其是平衡機構前后壓差，同時提高摩擦副動靜環(huán)的同心度，則可以從本質(zhì)上提高使用壽命，針對不同工況特點，可不同選擇。

4.1 介質(zhì)易汽化帶有固體顆粒的高壓工況

因降壓過程極容易產(chǎn)生氣液固三相流，對摩擦副的破壞增大，極不利于長周期穩(wěn)定運行。進出口壓力差超過5 MPa時，不宜采用節(jié)段導葉式非自平衡結構多級泵，適合采用自平衡結構多級泵，這樣可以減少平衡結構的壓降是揚程的50%，很大程度降低間隙汽蝕產(chǎn)生的氣液固三相流造成的沖蝕和磨蝕。

4.2 介質(zhì)易汽化不含固體顆粒的高壓工況

當介質(zhì)易汽化（入口壓力與汽化壓力相差很?。┎淮嬖谀ノg時可分以下幾種情況進行分析。

（1）進出口最高壓差低于10 MPa的臥式多級泵，平衡管最小過流面積不小于間隙面積5～6倍時［16］，可以采用節(jié)段式導葉非自平衡多級離心泵；進出口最高壓差10～15 MPa的臥式多級泵，宜采用自平衡多級離心泵，從而可以減少平衡機構約50%的間隙汽泡量，結構上基本具備長周期使用需求，如一定要采用非自平衡多級離心泵，則建議平衡管不與泵入口直接相連，而是與泵入口連接的吸入儲罐頂部連接（注意安全操作上要相應進行完善），這樣可避免平衡機構間隙汽蝕出的氣體影響泵的運行穩(wěn)定性。

（2）進出口最高壓差15～20 MPa的臥式多級離心泵，最好采用自平衡多級離心泵，如果采用非升速泵型，則適合采用雙殼體內(nèi)芯水平剖分自平衡多級離心泵，可以做到摩擦副動靜同心，維修便利，可實現(xiàn)快速維修，如果采用齒輪箱或變頻電機升速泵，可在泵設計干態(tài)剛性軸的前提下，選用非自平衡節(jié)段臥式多級離心泵（平衡管與吸入罐連接）。從長周期穩(wěn)定運行角度，自平衡多級泵要優(yōu)于非自平衡多級泵，從長周期穩(wěn)定運行與便于維護角度，內(nèi)芯水平剖分自平衡多級泵要優(yōu)于節(jié)段式自平衡多級泵。

（3）進出口最高壓差超過20 MPa的臥式多級離心泵，無論升速與否，均適宜采用內(nèi)芯水平剖分自平衡結構多級離心泵。同時無論哪種結構，都要加大平衡管過流面積，以減少平衡腔低壓側(cè)積氣，降低壓力波動對軸向穩(wěn)定性的影響。

根據(jù)以上解決方案方法，對中石化某公司渣油加氫液力透平原進口透平設備進行了重新研制替換，更換后的軸系運行振動監(jiān)測如圖7所示，運行6個月，軸系振動初期振動最大20 μm，經(jīng)過短期的磨合后，振動逐漸變小，不超過15 μm，兩側(cè)軸振動保持穩(wěn)定，同側(cè)軸振動一直保持偏差最大值不超過2 μm，兩側(cè)振動偏差最大不超過5 μm，軸系振動軌跡明顯驅(qū)動側(cè)與非驅(qū)動側(cè)趨于同心，運行效果得到明顯改善。

圖7 更換設備后軸系運行振動情況Fig.7 Operation vibration of shafting after equipment replacement

5 結論

（1）間隙汽蝕會造成摩擦副的破壞，一些苛刻工況會造成內(nèi)部流道的汽蝕，對泵運行穩(wěn)定性造成嚴重破壞。

（2）數(shù)值模擬結果表明，壓差超過10 MPa時間隙汽蝕影響比較明顯，這與大量泵的檢維修結果相匹配。因此，對進出口壓差超過10 MPa的高壓多級離心泵，采用自平衡型多級離心泵可以減小平衡機構壓差，降低間隙汽蝕氣體析出量；采用內(nèi)芯水平剖分自平衡多級離心泵可以從本質(zhì)上提高高壓多級離心泵的長周期運行穩(wěn)定性。