汽蝕比轉(zhuǎn)速對(duì)離心泵性能與可靠性影響的探討

姜雪江

（中國(guó)石化揚(yáng)子石化分公司煉油廠設(shè)備管理科，江蘇 南京210048）

離心泵的汽蝕比轉(zhuǎn)速又稱為吸入比轉(zhuǎn)速，是衡量離心泵對(duì)內(nèi)部回流敏感程度的一個(gè)指標(biāo)，關(guān)系到離心泵的吸入水力與吸入性能，其值的大小影響離心泵的允許工作區(qū)與優(yōu)先工作區(qū)的寬窄，關(guān)系到離心泵的選型與采購(gòu)成本，同時(shí)對(duì)離心泵的效率與可靠性產(chǎn)生影響。通常對(duì)汽蝕比轉(zhuǎn)速設(shè)定限值目的是盡量選用高效率泵，同時(shí)防止泵振動(dòng)超標(biāo)、汽蝕等故障，選擇合適的汽蝕比轉(zhuǎn)速的泵，是保證泵組或泵送系統(tǒng)平穩(wěn)高效、可靠性運(yùn)行的前提。

現(xiàn)國(guó)內(nèi)外泵設(shè)計(jì)專著或離心泵的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中，只是給出了汽蝕比轉(zhuǎn)速的定義及計(jì)算公式，部分設(shè)計(jì)專著中對(duì)于汽蝕比轉(zhuǎn)速與泵的抗汽蝕性能、泵效率及可靠性之間的關(guān)系有簡(jiǎn)單描述，至于其值的大小對(duì)離心泵全流量范圍內(nèi)的性能（如允許工作區(qū)域的寬窄）及設(shè)備可靠性的影響并未作詳細(xì)論述。在石化流程工業(yè)中，離心泵汽蝕比轉(zhuǎn)速值的大小卻真實(shí)影響到離心泵的選用成本、泵全流量范圍內(nèi)的性能及泵全壽命周期內(nèi)的安全可靠性?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)院、工程公司或用戶普遍根據(jù)UOP規(guī)范、SH/T3139或SH/T3140標(biāo)準(zhǔn)及有關(guān)項(xiàng)目規(guī)定（如Q/SH-0700-2008）對(duì)所選泵的汽蝕比轉(zhuǎn)速設(shè)定一個(gè)上限值，并且以此籠統(tǒng)判斷一臺(tái)泵的設(shè)計(jì)或選用是否合理；如所選泵的汽蝕比轉(zhuǎn)速值超過(guò)限定值范圍時(shí)，便不被認(rèn)可或直接不可選用。這樣簡(jiǎn)單的理解及執(zhí)行方式可能不合理或不嚴(yán)謹(jǐn)，有必要對(duì)汽蝕比轉(zhuǎn)速對(duì)離心泵性能與可靠性的影響進(jìn)行討論，進(jìn)而正確理解汽蝕比轉(zhuǎn)速，靈活合理地選用離心泵。

1 汽蝕比轉(zhuǎn)速的定義、單位換算及泵吸入性能

1.1 API 610標(biāo)準(zhǔn)第11版附錄A對(duì)汽蝕比轉(zhuǎn)速的定義

汽蝕比轉(zhuǎn)速S是離心泵在最大直徑葉輪和在給定轉(zhuǎn)速下，以最佳效率點(diǎn)的流量來(lái)計(jì)算，是一個(gè)與泵吸入性能相關(guān)的指數(shù)（或指標(biāo)），汽蝕比轉(zhuǎn)速用以下公式計(jì)算：

式中：S=汽蝕比轉(zhuǎn)速，無(wú)量綱（m3/s，m）；N=轉(zhuǎn)速，r/min（即rpm）；Q=葉輪每側(cè)進(jìn)口的流量，m3/s；NPSH3=泵必需汽蝕余量，m。

用國(guó)際單位制（公制）得到的汽蝕比轉(zhuǎn)速乘以系數(shù)51.64即得到美制單位的汽蝕比轉(zhuǎn)速，此時(shí)可采用符號(hào)Nss表示，美制的Nss同樣為無(wú)量綱。

公式中Q為泵最大直徑葉輪、給定轉(zhuǎn)速下、最佳效率點(diǎn)的流量；當(dāng)為單吸葉輪時(shí)，Q為總流量，當(dāng)為雙吸入葉輪時(shí)，Q為總流量的一半；NPSH3為泵給定轉(zhuǎn)速及最佳效率點(diǎn)流量下、最大葉輪直徑所對(duì)應(yīng)的（揚(yáng)程下降3%）泵必需汽蝕余量。

例：某泵設(shè)計(jì)定型后其汽蝕比轉(zhuǎn)速為一個(gè)常數(shù)，不以其實(shí)際操作流量變化而改變，并由泵設(shè)計(jì)制造商在性能曲線圖中給出。

1.2 國(guó)內(nèi)及德國(guó)、英國(guó)等歐洲國(guó)家對(duì)汽蝕比轉(zhuǎn)速的定義

國(guó)內(nèi)早期部分標(biāo)準(zhǔn)或文獻(xiàn)中采用符號(hào)C表示汽蝕比轉(zhuǎn)速，計(jì)算公式：

公式中，C為泵最大直徑葉輪、給定轉(zhuǎn)速下、最佳效率點(diǎn)的流量；當(dāng)為單吸葉輪時(shí)，Q為總流量，當(dāng)為雙吸入葉輪時(shí)，Q為總流量的一半；NPSHr為泵給定轉(zhuǎn)速及最佳效率點(diǎn)流量下、最大葉輪直徑所對(duì)應(yīng)的泵必需汽蝕余量。用國(guó)際單位制（公制）得到的汽蝕比轉(zhuǎn)速乘以系數(shù)9.21即得到美制單位的汽蝕比轉(zhuǎn)速。

德國(guó)、英國(guó)等歐洲國(guó)家對(duì)汽蝕比轉(zhuǎn)速的定義是根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 12723規(guī)定來(lái)計(jì)算，采用符號(hào)為Nss，公式與式（1）中公制單位計(jì)算相同，只是對(duì)汽蝕比轉(zhuǎn)速賦予了量綱，單位為r/min；式中NPSH3是泵給定轉(zhuǎn)速、最佳效率點(diǎn)流量和第一級(jí)最大葉輪（多級(jí)泵）直徑下，揚(yáng)程下降3%時(shí)的泵必需汽蝕余量，這一點(diǎn)上歐洲標(biāo)準(zhǔn)對(duì)汽蝕比轉(zhuǎn)速的定義更嚴(yán)謹(jǐn)。

1.3 汽蝕比轉(zhuǎn)速的各單位指數(shù)換算

標(biāo)準(zhǔn)公制單位S=汽蝕比轉(zhuǎn)速，無(wú)量綱（m3/s，m）（后綴：代表式（1）計(jì)算公式中流量以m3/s；NPSH3以米（m）代入計(jì)算）。

通用公制單位S汽蝕比轉(zhuǎn)速（m3/h，m）=S（m3/s，m）*60（代表式（1）計(jì)算公式中流量以m3/h；NPSH3以米（m）代入）。

美制單位的汽蝕比轉(zhuǎn)速Nss（USGPM，ft）＝S（m3/s，m）*51.64（代表式（1）計(jì)算公式中流量以USGPM加侖/分鐘；NPSH3以ft英寸代入）。

國(guó)內(nèi)早期汽蝕比轉(zhuǎn)速C＝汽蝕比轉(zhuǎn)速，無(wú)量綱（m3/h，m）（代表式（2）計(jì)算公式中流量以m3/h；NPSHr以米（m）代入）。

德國(guó)、英國(guó)等歐洲國(guó)家的汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)Nss為有量綱（r/min）（計(jì)算公式中流量以m3/s；NPSH3以米（m）代入計(jì)算）。

例：某泵設(shè)計(jì)定型后其汽蝕比轉(zhuǎn)速S（m3/s，m）=213；換算成S（m3/h，m）=213*60=12780；換算成美制單位的汽蝕比轉(zhuǎn)速Nss（USGPM，ft）＝213*51.64≈11000；換算為C（m3/h，m）=213*5.62≈1200；反之也然。

如以德國(guó)、英國(guó)等歐洲國(guó)家的汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)Nss表示即為213r/min。

在實(shí)際工程應(yīng)該中由設(shè)計(jì)院、工程公司或用戶統(tǒng)一規(guī)定一個(gè)汽蝕比轉(zhuǎn)速單位指數(shù)，應(yīng)該由泵制造商在性能曲線或API 610等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表中以統(tǒng)一單位指數(shù)給出，以免數(shù)據(jù)的混淆與不對(duì)等。

為了便于分析比較以下文中所涉及的汽蝕比轉(zhuǎn)速S均以通用公制單位表述（m3/h，m）。

1.4 泵吸入能量的定義與汽蝕比轉(zhuǎn)速

泵吸入能量大小即泵的吸入能力的大小表示泵抗汽蝕能力的好壞，確定離心泵吸入能量是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，目前尚未開(kāi)發(fā)出能全面準(zhǔn)確地將所有的因素均考慮到且聯(lián)系在一起的方程式或關(guān)系式，只是采用泵行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的下式計(jì)算：

離心泵的吸入能量＝葉輪入口直徑（m）×泵轉(zhuǎn)速（rpm）×汽蝕比轉(zhuǎn)速×泵送介質(zhì)的比重。 （3）

公式表明葉輪入口直徑影響泵的吸入能量，通常兩臺(tái)相似性能參數(shù)的泵，如葉輪入口直徑大的泵，此泵的吸入能量就高，吸入性能好，抗汽蝕性能就好。

公式表明當(dāng)同類泵入口幾何尺寸相似和轉(zhuǎn)速相等時(shí)，汽蝕比轉(zhuǎn)速值越大，表示泵的吸入能量大，泵吸入能力好，即抗汽蝕性能越好；因而葉輪入口直徑、汽蝕比轉(zhuǎn)速S值的大小是現(xiàn)代離心泵設(shè)計(jì)優(yōu)化中重要關(guān)注點(diǎn)。

2 汽蝕比轉(zhuǎn)速限值S≯12780（m3/h，m）

上世紀(jì)60年代到80年代，由于離心泵葉輪的設(shè)計(jì)手段有限，泵設(shè)計(jì)人員普遍采用加大葉輪入口直徑的方法來(lái)改善泵的吸入性能，但是人們對(duì)增大葉輪入口直徑后可能帶來(lái)的泵效率下降、故障概率上升、設(shè)備可靠性下降等負(fù)面影響卻不得而知。

1981年，德國(guó)學(xué)者Warren Fraser發(fā)表了《通過(guò)加大葉輪入口直徑所帶來(lái)的后果》的論文成為了泵行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)加大葉輪入口直徑可以降低泵的必需汽蝕余量，防止泵的汽蝕故障，此時(shí)可以選用更小型泵，同時(shí)良好的泵吸入性能允許使用小的泵入口管線等，兩者同時(shí)降低采購(gòu)與工程投資成本，這些原因致使用戶早期片面關(guān)注一次性投資成本，而忽視了后期泵運(yùn)行可靠性及全壽命周期成本，此后許多泵用戶針對(duì)Warren的論文進(jìn)行反思。

1982年，德國(guó)學(xué)者Jerry Hallam發(fā)表了其在Amoco Texas City煉油廠歷經(jīng)5年對(duì)工廠內(nèi)480臺(tái)各工況流程泵的可靠性研究的技術(shù)總結(jié)論文，這是一個(gè)里程碑意義的學(xué)術(shù)研究。他發(fā)現(xiàn)泵的運(yùn)行可靠性與汽蝕比轉(zhuǎn)速S明顯相關(guān)，特別是當(dāng)所選泵的汽蝕比轉(zhuǎn)速S＞213（m3/s，m）或公制12780（m3/h，m）時(shí)，這部分泵出現(xiàn)故障的概率是較低汽蝕比轉(zhuǎn)速泵的兩倍。圖1顯示的為汽蝕比轉(zhuǎn)速與泵故障概率之間的關(guān)系。

圖1 汽蝕比轉(zhuǎn)速與故障概率之間的關(guān)系

因而Hallam認(rèn)為汽蝕比轉(zhuǎn)速S≯213（m3/s，m）或公制12780（m3/h，m）應(yīng)作為選用離心泵的一個(gè)限定值。此學(xué)術(shù)研究得到石油和天然氣同行的認(rèn)可，在此后的許多年中，此限值成為國(guó)際、國(guó)內(nèi)石油和天然氣行業(yè)內(nèi)離心泵選型的一個(gè)硬性限制，且以某種規(guī)范形式而被廣泛引用。如UOP規(guī)范中5-11-7中，機(jī)泵類選型技術(shù)條款中有關(guān)泵的汽蝕比轉(zhuǎn)速的規(guī)定就參考此限值，在石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中同樣借用此限定指標(biāo)。

3 不同規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及不同泵設(shè)計(jì)制造商對(duì)汽蝕比轉(zhuǎn)速限值的規(guī)定

自上世紀(jì)80年代開(kāi)始UOP、石化行業(yè)及不同的泵設(shè)計(jì)與制造廠商開(kāi)始關(guān)注泵的汽蝕比轉(zhuǎn)速的大小，由于行業(yè)或著重點(diǎn)不同，對(duì)其限值的規(guī)定各不相同，現(xiàn)摘要解讀。

3.1 UOP規(guī)范

在石油化工行業(yè)中，UOP的規(guī)范得到廣泛接受與引用，其現(xiàn)行的規(guī)定：

石油化工用流程離心泵的汽蝕比轉(zhuǎn)速S不得高于13000（m3/h，m）（與Hallam的研究結(jié)論12780（m3/h，m）相近）。當(dāng)泵送介質(zhì)為水或水含量超過(guò)50%的溶液，并且泵單個(gè)葉輪功率超過(guò)75kW時(shí)，汽蝕比轉(zhuǎn)速S不得高于11000（m3/h，m）；對(duì)于高速整體齒輪箱驅(qū)動(dòng)的泵（如OH6型，俗稱高速泵），汽蝕比轉(zhuǎn)速S達(dá)到27000（m3/h，m）同樣可以接受，對(duì)于部分特殊工況的工藝流程泵，選用已經(jīng)成熟且有多年良好應(yīng)用成功經(jīng)驗(yàn)的高汽蝕比轉(zhuǎn)速泵是可以的，說(shuō)明UOP規(guī)范是靈活開(kāi)放的。

3.2 中石化有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定

對(duì)于選用不帶誘導(dǎo)輪的離心泵，在“Q/SH-0700-2008”“SH/T3139-2011以及SH/T3140-2011”等離心泵技術(shù)規(guī)范中明確表示：應(yīng)避免選擇在規(guī)定的操作條件下有可能產(chǎn)生回流問(wèn)題的泵，對(duì)于不帶誘導(dǎo)輪的泵，其汽蝕比轉(zhuǎn)速S應(yīng)小于或等于12780（m3/h，m）。當(dāng)S大于12780（m3/h，m）時(shí)，如果賣方有足夠數(shù)據(jù)證明其可靠性，可提供替代設(shè)計(jì)，但應(yīng)經(jīng)買方批準(zhǔn)。說(shuō)明在石化行業(yè)對(duì)離心泵的汽蝕比轉(zhuǎn)速的規(guī)定更為嚴(yán)格。

3.3 著名泵設(shè)計(jì)、制造商的規(guī)定或理念

3.3.1 Sulzer公司

Sulzer作為國(guó)際著名的石化流程泵設(shè)計(jì)、制造商對(duì)于不同型式（OH/BB/VS）的離心泵分別給出了汽蝕比轉(zhuǎn)速的限值范圍，表示為：低值-中值-最高值。

（1）軸向吸入泵（端吸泵如OH2的ZE或OHH系列泵）：11400-13800-16200（m3/h，m）。

（2）軸穿過(guò)葉輪入口的泵（如BB2/BB4/BB3/BB5/VS6，如CD8/BBS/TTMC或BBTD等）。

中等穿軸型泵：10200-12000-14400（m3/h，m）。

單級(jí)揚(yáng)程250m的多級(jí)泵：900-10800-13200（m3/h，m）。

（3）帶誘導(dǎo)輪的特殊泵：21000-30000-42000（m3/h，m）。

現(xiàn)國(guó)內(nèi)許多泵廠的OH1/OH2/BB2/VS6泵型采用了Sulzer的水力設(shè)計(jì)型譜，許多產(chǎn)品還停留在復(fù)制Sulzer公司API 610第六或第七版本的上世紀(jì)八九十年代技術(shù)，與現(xiàn)在Sulzer最新技術(shù)存在較大差異，故而用戶在選用時(shí)更需泵制造商提供準(zhǔn)確計(jì)算的汽蝕比轉(zhuǎn)速值。

3.3.2 KSB公司

KSB作為國(guó)際著名的綜合型泵設(shè)計(jì)、制造廠商，其標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和制造的通用型離心泵，為了改善吸入性能，其汽蝕比轉(zhuǎn)速的平均值通常設(shè)定為12000（m3/h，m），高值限定為14400（m3/h，m），而對(duì)于特殊的鍋爐給水、前置泵、凝結(jié)水泵，為了降低泵的必需汽蝕余量NPSH3確保泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不發(fā)生汽蝕（氣穴），汽蝕比轉(zhuǎn)速可能高出最高限值，這是作為電力行業(yè)高能泵的主力商獨(dú)有的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)。

3.3.3 ITT公司

ITT作為國(guó)際著名著重于化工行業(yè)的泵設(shè)計(jì)、制造廠商，其離心泵的汽蝕比轉(zhuǎn)速范圍為5800-14270（m3/h，m），中間值為10460（m3/h，m）。

3.3.4 EBARA公司

EBARA作為國(guó)際著名的綜合型泵設(shè)計(jì)、制造廠商，秉承了日本機(jī)械設(shè)計(jì)傳統(tǒng)理念偏向追求高效率，其同行業(yè)相類似泵的汽蝕比轉(zhuǎn)速會(huì)小一些，但犧牲了部分抗汽蝕性能，其石化流程泵的汽蝕比轉(zhuǎn)速的范圍為：

（1）OH2（如UCW型）范圍:7000-14000（m3/h，m），低值≤4000（m3/h，m）、高值≥15500（m3/h，m）。

（2）BB2（如KS、R2D型）范圍:8000-14500（m3/h，m）。

從這幾家泵設(shè)計(jì)、制造廠商對(duì)汽蝕比轉(zhuǎn)速的限定范圍來(lái)分析，許多泵的最高汽蝕比轉(zhuǎn)速值已經(jīng)超出了UOP等規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

3.4 API 610（11版）對(duì)泵的汽蝕比轉(zhuǎn)速相關(guān)的規(guī)定與描述

API 610（11版）條款“6.1.9泵的汽蝕比轉(zhuǎn)速應(yīng)按照附錄A（公式（1））進(jìn)行計(jì)算，如有規(guī)定，限制為詢價(jià)數(shù)據(jù)表上所述的值?！苯庾x表明：對(duì)泵的汽蝕比轉(zhuǎn)速的限值由設(shè)計(jì)院或工程公司規(guī)定或用戶規(guī)定，API 610沒(méi)有具體強(qiáng)制限定值。提醒和建議用戶在選擇離心泵時(shí)需特別關(guān)注泵的汽蝕比轉(zhuǎn)速值，如所選泵由于汽蝕比轉(zhuǎn)速的因素而影響到泵的操作范圍不滿足規(guī)范或數(shù)據(jù)表的要求以及影響到泵的效率時(shí)需特別提出或標(biāo)注說(shuō)明。

4 汽蝕比轉(zhuǎn)速與泵其他參數(shù)的關(guān)系以及對(duì)泵性能的影響

前面簡(jiǎn)述了汽蝕比轉(zhuǎn)速的定義以及其限值的來(lái)歷與相關(guān)規(guī)定，下面詳細(xì)討論汽蝕比轉(zhuǎn)速與泵部分參數(shù)的關(guān)系及對(duì)離心泵吸入性能、效率、全流量工作區(qū)等方面的影響。

4.1 汽蝕比轉(zhuǎn)速與泵必須汽蝕余量NSHP3的關(guān)系

根據(jù)計(jì)算公式（1），如同樣結(jié)構(gòu)形式（如OH2或BB2）同樣設(shè)計(jì)流量的離心泵，如果必須汽蝕余量NSHP3越大，其汽蝕比轉(zhuǎn)速越低；如果NSHP3的要求高（值低），對(duì)應(yīng)泵的汽蝕比轉(zhuǎn)速就會(huì)大，必須汽蝕余量NSHP3與汽蝕比轉(zhuǎn)速成反比。

4.2 汽蝕比轉(zhuǎn)速對(duì)泵效率的影響

為了改善離心泵的吸入性能，降低泵必須汽蝕余量NSHP3，泵設(shè)計(jì)人員普遍通過(guò)加大葉輪入口直徑（D1）的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)（參考公式（3）），這種設(shè)計(jì)方法在國(guó)內(nèi)離心泵的設(shè)計(jì)或工程應(yīng)用中仍在應(yīng)用。

在相同葉輪軸徑、相似流程、葉輪口環(huán)徑向間隙（如圖2中A與B、C與D之間間隙）相同的情況下，葉輪的入口直徑（D）大，其吸入面積越大，相對(duì)其必需汽蝕余量NSHP3就小，泵吸入性能就好，其吸入比轉(zhuǎn)數(shù)就高（參考公式（1））；同樣葉輪吸入口環(huán)處的間隙面積越大，泵運(yùn)行中內(nèi)泄漏回流量增大，泵容積損失就大，導(dǎo)致泵效率降低。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，間隙面積導(dǎo)致容積損失增加，可降低泵效率3至5個(gè)百分點(diǎn)或更多。

圖2 雙吸BB2泵葉輪入口口徑與吸入口環(huán)間隙示意圖

在實(shí)際應(yīng)用中高汽蝕比轉(zhuǎn)速的高速泵效率都不是很高，大約只有40%。以下為Sulzer公司ZE系列OH2型出口徑50泵效率對(duì)比，汽蝕比轉(zhuǎn)速高的泵效率低一些，見(jiàn)表1。

表1 Sulzer公司ZE系列OH2泵效率

4.3 汽蝕比轉(zhuǎn)速對(duì)泵全流量工作區(qū)的影響

API 610（11版）中條款：“6.1.8通常最小連續(xù)穩(wěn)定流量（一般為泵在最佳效率點(diǎn)時(shí)流量的30%左右）隨汽蝕比轉(zhuǎn)速的增加而增加?！闭f(shuō)明汽蝕比轉(zhuǎn)速高的泵通常最小連續(xù)穩(wěn)定流量就大；對(duì)于高壓多級(jí)泵如最小流量大，相對(duì)來(lái)說(shuō)由于最小流量線回流損失，導(dǎo)致泵送系統(tǒng)效率降低；對(duì)于無(wú)需最小流量線的泵，其允許工作區(qū)就窄些。

API 610（11版）中條款：“6.1.12人們充分認(rèn)識(shí)到：低汽蝕比轉(zhuǎn)速可能導(dǎo)致優(yōu)先工作區(qū)流量范圍無(wú)法超過(guò)BEP（泵最佳效率點(diǎn)）的105%-110%”。說(shuō)明汽蝕比轉(zhuǎn)速過(guò)低會(huì)導(dǎo)致泵優(yōu)先工作區(qū)流量范圍過(guò)窄無(wú)法超過(guò)BEP（最佳效率點(diǎn)）的105%-110%的規(guī)范要求。

以上顯示汽蝕比轉(zhuǎn)速越高，泵的允許工作區(qū)越窄，但其優(yōu)先工作區(qū)或高效區(qū)不會(huì)變窄；低汽蝕比轉(zhuǎn)速的泵通常導(dǎo)致泵優(yōu)先工作區(qū)過(guò)窄。

5 汽蝕比轉(zhuǎn)速對(duì)離心泵振動(dòng)變化、汽蝕等影響

利用基于風(fēng)險(xiǎn)－失效模式與影響分析（FMEA）以及根本原因RCA等故障分析工具，對(duì)離心泵故障與可靠性綜合分析發(fā)現(xiàn)：離心泵最主要的失效故障為振動(dòng)超標(biāo)、汽蝕（氣穴）。

泵振動(dòng)大多為泵的水力振動(dòng)，由于泵在偏離最佳效率點(diǎn)運(yùn)行、泵送介質(zhì)發(fā)生汽化（抽空）、泵葉輪葉片太靠近蝸舌（cutwater）、內(nèi)部回流等原因所引起。對(duì)于高汽蝕比轉(zhuǎn)速的泵，當(dāng)其在最高效率點(diǎn)附近運(yùn)行時(shí)，葉輪入口處介質(zhì)的流動(dòng)較為穩(wěn)定和均勻。而當(dāng)流量不足或泵偏離最高效率點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，將會(huì)在葉輪的吸入口和吐出口產(chǎn)生內(nèi)部回流、增加能量損失，導(dǎo)致泵的振動(dòng)明顯增大。同樣汽蝕比轉(zhuǎn)速越大，導(dǎo)致內(nèi)部回流的流量也越大，即泵的最小連續(xù)穩(wěn)定流量也越大。當(dāng)泵偏離最高效率點(diǎn)運(yùn)行時(shí)進(jìn)入最小流量工況的幾率大，泵振動(dòng)超標(biāo)的可能性就大。

低汽蝕比轉(zhuǎn)速泵的必須汽蝕余量NSHP3大，對(duì)裝置有效汽蝕余量NPSHa的要求高，當(dāng)工藝流程中工藝參數(shù)變化、調(diào)整運(yùn)行或管路特性變化導(dǎo)致裝置有效汽蝕余量NPSHa變化，泵容易發(fā)生汽蝕或?qū)е抡駝?dòng)增加，影響泵的運(yùn)行可靠性。

正如API 610（11版）中條款所述：“6.9.3.1離心泵的振動(dòng)隨流量而變化，通常在最佳效率點(diǎn)流量附近其值最小，并且隨著流量的增大或減小而增加。從最佳效率點(diǎn)流量起，振動(dòng)隨流量的變化取決于泵的能量密度、比轉(zhuǎn)速及汽蝕比轉(zhuǎn)速。通常，振動(dòng)的變化隨能量密度、比轉(zhuǎn)速和汽蝕比轉(zhuǎn)速的增加而增加”。

以下為API 610（11版）有關(guān)流量與振動(dòng)關(guān)系曲線、泵振動(dòng)測(cè)量位置示意圖。

圖3 流量與振動(dòng)的關(guān)系

圖4 臥式泵上測(cè)量振動(dòng)的位置

自2012年開(kāi)始，EBARA、Sulzer等公司對(duì)某大型石化廠的近200多臺(tái)流程泵的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用與故障處理進(jìn)行收集與統(tǒng)計(jì)，特別是對(duì)高汽蝕比轉(zhuǎn)速泵的振動(dòng)、汽蝕故障進(jìn)行跟蹤與匯總，其中，高汽蝕比轉(zhuǎn)速（S＞12780（m3/h，m）18臺(tái)泵在小流量下運(yùn)行時(shí)振動(dòng)變大或超標(biāo)，汽蝕比轉(zhuǎn)速（S≤12780（m3/h，m）14臺(tái)泵由于汽蝕等原因振動(dòng)超標(biāo)或過(guò)流部件早期損壞。2012年以來(lái)的故障統(tǒng)計(jì)情況詳見(jiàn)表2。

OH2與BB2泵的振動(dòng)測(cè)量位置如圖5與圖6所示：

圖5

圖6

振動(dòng)判定標(biāo)準(zhǔn)參考API 610規(guī)定及GB/T 6075.7-2015的標(biāo)準(zhǔn)，功率≤200kW振動(dòng)允許值：不超過(guò)4.0mm/s（B區(qū)）；功率＞200kW振動(dòng)允許值：不超過(guò)5.0mm/s（B區(qū)）。

對(duì)其中各兩個(gè)位號(hào)OH2與BB2型泵進(jìn)行改進(jìn)前后振動(dòng)測(cè)量對(duì)比如表3、表4所示。

表3 某一OH2型ZE80-3315泵振動(dòng)監(jiān)測(cè)記錄（出廠編號(hào)SL201409600）

表4 某一BB2型KSM系列振動(dòng)監(jiān)測(cè)記錄（出廠編號(hào)GR120005001）

對(duì)表2中的18臺(tái)由于小流量下振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題采取改進(jìn)措施：其中17臺(tái)（其中一個(gè)位號(hào)通過(guò)更換葉輪）對(duì)葉輪入口空間尺寸或入口角度進(jìn)行修正，主要是降低了入口回流，改進(jìn)后振動(dòng)符合標(biāo)準(zhǔn)。

表2 實(shí)際測(cè)量值和計(jì)算值的偏差 單位:mm

表2 某石化聯(lián)合廠主要流程離心泵可靠性情況統(tǒng)計(jì)

對(duì)14臺(tái)泵由于汽蝕等原因的泵通過(guò)改變裝置管路特性、調(diào)整運(yùn)行參數(shù)等改進(jìn)措施，振動(dòng)均達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

6 汽蝕比轉(zhuǎn)速限值的規(guī)定建議及高汽蝕比轉(zhuǎn)速泵的改善措施

根據(jù)API 610對(duì)于離心泵汽蝕比轉(zhuǎn)速的建議，汽蝕比轉(zhuǎn)速限值不是原則性的規(guī)定或強(qiáng)制性要求，只是提醒和建議用戶在選擇離心泵時(shí)需特別關(guān)注泵的汽蝕比轉(zhuǎn)速值，如所選泵由于汽蝕比轉(zhuǎn)速的因素而影響到泵的操作范圍不滿足規(guī)范或數(shù)據(jù)表的要求，以及影響到泵的效率與安全可靠性時(shí)，需特別提出或標(biāo)注說(shuō)明。故在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于汽蝕比轉(zhuǎn)速限值規(guī)定的執(zhí)行建議如下：

（1）對(duì)汽蝕比轉(zhuǎn)速值的具體規(guī)定UOP規(guī)范、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等各不相同，存在差異，但有一點(diǎn)是相同的，其中值大約為S≤12780（m3/h，m），并且在石油化工行業(yè)仍以此值作為規(guī)定執(zhí)行。針對(duì)純化工流程工業(yè)對(duì)泵必需汽蝕余量NSHP3要求不高的流程泵（如ANSI或ISO泵）盡量選擇低汽蝕比轉(zhuǎn)速的泵，以降低購(gòu)置成本與提高整個(gè)工廠運(yùn)行效率，汽蝕比轉(zhuǎn)速值限制在9800（m3/h，m）以內(nèi)，在石化流程工業(yè)首先必須保證泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不發(fā)生汽蝕（氣穴），即泵的必須汽蝕余量NPSH3要盡量低一些，重點(diǎn)考慮的是設(shè)備可靠性與低維修保養(yǎng)成本，原則上汽蝕比轉(zhuǎn)速S≤12780（m3/h，m）。對(duì)于NPSHa（裝置有效汽蝕余量）低或抗汽蝕要求高的特殊工況泵，所選泵的汽蝕比轉(zhuǎn)速泵可能大于12780（m3/h，m），但是它仍符合API610的標(biāo)準(zhǔn)，并且使用壽命及平穩(wěn)性很好，有良好的使用業(yè)績(jī)，同樣可以放心選用。

（2）離心泵行業(yè)的各設(shè)計(jì)、制造商在現(xiàn)代離心泵設(shè)計(jì)優(yōu)化中，需重點(diǎn)關(guān)注汽蝕比轉(zhuǎn)速S值的大小，隨著科技的不斷進(jìn)步與發(fā)展，泵制造商通過(guò)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)以及先進(jìn)的水力設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)研發(fā)出適中的汽蝕比轉(zhuǎn)速值的高性能、高可靠性離心泵，供市場(chǎng)選擇。

（3）在實(shí)際工程應(yīng)用中由于NPSHa（裝置有效汽蝕余量）原因，以及現(xiàn)有工業(yè)制造水平的限制，只能選用高汽蝕比轉(zhuǎn)速泵，在實(shí)際應(yīng)用中需注意：

a.應(yīng)盡可能避免泵在最小連續(xù)流量工況下運(yùn)行，有可能在泵出口增設(shè)最小流量線。

b.對(duì)于需要滿足多變工況運(yùn)行的泵組，可采用變頻調(diào)速等，通過(guò)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)確保泵組處于高效區(qū)域運(yùn)行。

c.對(duì)于高汽蝕比轉(zhuǎn)速或超出規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)限值的泵，在出廠前應(yīng)該進(jìn)行全流量（最小連續(xù)流量到最大允許流量范圍）性能與機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，以確保振動(dòng)在可接受的范圍內(nèi)。

（4）對(duì)于高汽蝕比轉(zhuǎn)速泵的設(shè)計(jì)制造中改進(jìn)措施，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，改善泵吸入性能的方法還有以下幾種可供選擇：

a.葉輪設(shè)計(jì)時(shí)葉片向泵吸入口邊緣適當(dāng)延伸，相當(dāng)于增設(shè)了誘導(dǎo)輪。

b.后彎式葉片設(shè)計(jì)，以減小葉輪前緣的汽蝕。

c.采用扭曲型或三元葉輪設(shè)計(jì)，不僅可以增加泵的效率還可以進(jìn)一步改善泵吸入性能，特別是針對(duì)雙吸大型循環(huán)水泵。

d.優(yōu)化葉片前緣輪廓，如修正前緣輪廓采用拋物線型輪廓、減薄吸入側(cè)葉片的厚度、縮入式葉片等，可以有效限制葉片前緣的壓力峰值以及降低在變流量下運(yùn)行的汽蝕敏感程度，減少汽蝕。

e.利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)及先進(jìn)的水力設(shè)計(jì)軟件，如葉輪設(shè)計(jì)采用CFD模擬技術(shù)等，分析水力與葉片上最佳的壓力分布，保證葉片上各部位壓力分布均勻，減少發(fā)生汽蝕的幾率，保證葉輪具有最佳的性能。

f.對(duì)于電廠鍋爐給水及凝結(jié)水等特殊工況泵需經(jīng)過(guò)測(cè)量其汽蝕余量初生值（NSHPi）（即第一個(gè)汽蝕氣泡產(chǎn)生作為汽蝕開(kāi)始，測(cè)量出的泵必需汽蝕余量），精確選擇前置泵的揚(yáng)程，從而保證給水等主泵在全流量各工況下均不會(huì)發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。

7 結(jié)論

汽蝕比轉(zhuǎn)速是離心泵吸入性能相關(guān)的指數(shù)，汽蝕比轉(zhuǎn)速限值的規(guī)定影響到用戶對(duì)離心泵選擇成本與全壽命成本（LCC），需綜合實(shí)際工況、結(jié)合現(xiàn)代的工業(yè)制造水平和賣方的經(jīng)驗(yàn)合理靈活執(zhí)行。

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，改善泵吸性能的可選擇手段與方法更多，高汽蝕比轉(zhuǎn)速的泵在實(shí)際應(yīng)用中同樣穩(wěn)定可靠。