離心泵汽蝕現(xiàn)象分析及防汽蝕技術(shù)研究

蔣昕

（利歐集團(tuán)浙江泵業(yè)有限公司，浙江 臺(tái)州 317500）

在原油的冶煉、各類液體的提取加工過(guò)程中，離心泵都有著非常廣泛的應(yīng)用。作為一種常見(jiàn)的傳動(dòng)機(jī)械運(yùn)輸裝置，對(duì)其定期維護(hù)和保養(yǎng)，有助于延長(zhǎng)離心泵的壽命及使用可靠性。但是，在實(shí)際使用過(guò)程中，汽蝕現(xiàn)象作為一種常見(jiàn)的安全問(wèn)題，頻繁存在于液體原油離心泵的運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)其日常維護(hù)、維修管理等帶來(lái)不必要的麻煩。對(duì)此，有效地防止離心泵的汽蝕，不僅能夠使裝置運(yùn)行得更穩(wěn)定，而且能夠延長(zhǎng)離心泵的使用壽命。

1 汽蝕理論

在離心泵運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)葉輪傳輸臂之間的葉片在離心力的作用下會(huì)做出一定的徑向運(yùn)行，同時(shí)會(huì)做出相應(yīng)的圓周運(yùn)動(dòng)。當(dāng)泵內(nèi)的流體從葉輪位置轉(zhuǎn)向泵殼時(shí)，在葉輪的中心位置會(huì)形成一個(gè)低壓區(qū)，此時(shí)，入口處閥門的液體會(huì)在大氣壓的推動(dòng)下經(jīng)過(guò)吸入管吸入泵體中，只要葉輪持續(xù)工作，那么液體就會(huì)不斷地被吸入管吸收后排出，從而達(dá)到液體運(yùn)輸?shù)哪康摹Ｔ诠ぷ鬟^(guò)程中，離心泵會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲，從而導(dǎo)致?lián)P程、流量和工作效率的下降，在進(jìn)行檢修時(shí)，我們通常可以發(fā)現(xiàn)葉片的進(jìn)口位置出現(xiàn)明顯的損壞或出現(xiàn)麻點(diǎn)，這些均是由汽蝕現(xiàn)象造成的，如圖1為汽蝕現(xiàn)象的形成原理圖。

圖1 汽蝕現(xiàn)象形成原理圖

圖1顯示的是汽蝕在流動(dòng)區(qū)會(huì)形成一個(gè)低壓的溢流區(qū)，在離心泵入口流出的氣體沒(méi)有充分獲取葉輪內(nèi)部的定量流動(dòng)能量，因此，此時(shí)葉輪并沒(méi)有將外界的熱量直接導(dǎo)入。同時(shí)，葉輪的壓力密度低于規(guī)定液體的氣化溢流，這時(shí)葉輪就會(huì)不斷地產(chǎn)生汽蝕閥和空化閥的現(xiàn)象。氣泡的氣化過(guò)程最終結(jié)果是會(huì)產(chǎn)生很多液體氣泡，當(dāng)這些氣泡蒸汽進(jìn)入低溫及高壓區(qū)的時(shí)候?qū)?huì)迅速破裂，周

圍的氣泡也會(huì)迅速地填充到原來(lái)氣泡的空穴中，從而產(chǎn)生一種巨大的冷凝液體沖擊力。當(dāng)液體重新凝結(jié)后會(huì)形成汽沫液體，汽泡也會(huì)由此消失，在汽泡的破裂過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)極小的一部分汽泡是以附著在導(dǎo)流器組件上的形態(tài)，出現(xiàn)破裂后凝結(jié)形成汽泡液體，這部分汽泡液體就會(huì)像無(wú)數(shù)圓柱形的錘子擊打金屬表面，進(jìn)一步對(duì)金屬表面造成較為嚴(yán)重的汽蝕。

2 汽蝕參數(shù)

在汽蝕過(guò)程中，離心泵中的壓力一般集中于葉輪進(jìn)口附近的K點(diǎn)附近，發(fā)生汽蝕的標(biāo)志為PK＜PV，因此，汽蝕形成的一個(gè)充分必要條件是PK=PV，所以按照這個(gè)理論，要避免發(fā)生汽蝕現(xiàn)場(chǎng)就要滿足PK＞PV。由于在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中K點(diǎn)很難監(jiān)測(cè)，因此，在實(shí)際生產(chǎn)中通常通過(guò)控制離心泵的吸入界面S-S的壓強(qiáng)以防止發(fā)生汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生。另外，壓強(qiáng)與離心泵自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)同時(shí)還與吸入裝置息息相關(guān)，具體的汽蝕參數(shù)表現(xiàn)為必須汽蝕余量及有效汽蝕余量NPSHa，其中有效汽蝕余量NPSHa是指液體在經(jīng)過(guò)吸入管路到達(dá)泵入口時(shí)的能頭高于氣化壓力的能頭，NPSHa的大小與管路中的流量及管路的參數(shù)有關(guān)，與離心泵的組成結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。

圖2 離心泵的吸入裝置

圖3 離心泵的汽蝕性能曲線

3 離心泵汽蝕產(chǎn)生的原因

介質(zhì)的狀態(tài)在不同工況下是可以相互轉(zhuǎn)化的，氣態(tài)可以轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，液態(tài)也可以在一定條件下轉(zhuǎn)化為汽態(tài)，在一定的壓力溫度下，液體的分子可以轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w分子，此過(guò)程在物理學(xué)上稱為汽化。產(chǎn)生這一物理現(xiàn)象的原因很多，最主要的有以下4點(diǎn)：第一，離心泵的進(jìn)口系統(tǒng)中的液體被加溫，導(dǎo)致離心泵的入口溫度上升；第二，離心泵中的流量過(guò)低，造成離心泵體內(nèi)液體的升溫不正常，液體從泵體的葉輪中獲取能量，從而引起液體的汽化；第三，大流量的進(jìn)入導(dǎo)致葉輪的進(jìn)口速度急劇增加，引起離心泵的進(jìn)口到葉輪及進(jìn)口管路中的壓力增大；第四，離心泵系統(tǒng)的變化導(dǎo)致壓力減小或進(jìn)口管路堵塞。

圖4 離心泵的特性曲線

圖5 離心泵安裝示意圖

4 離心泵汽蝕造成的危害

在出現(xiàn)汽蝕后，離心泵葉輪內(nèi)的交介質(zhì)能量交換會(huì)受到干擾，此時(shí)，離心泵的流量-揚(yáng)程曲線、流量-軸功率曲線及流量-效率曲線會(huì)出現(xiàn)明顯的下降，導(dǎo)致過(guò)流器件損壞，從葉片的入口位置蔓延到葉片的出口位置，從最開(kāi)始的麻點(diǎn)、蜂窩狀的溝槽形狀到最后的葉輪穿孔甚至破裂；并且，此時(shí)的離心泵會(huì)產(chǎn)生一定程度的內(nèi)部噪音及氣泡振動(dòng)潰滅引起的噪音，在嚴(yán)重的時(shí)候甚至能聽(tīng)到類似鞭炮的響聲，離心泵機(jī)組的進(jìn)一步振動(dòng)會(huì)加劇更多的氣泡潰滅，在相互作用下會(huì)發(fā)生汽蝕共振現(xiàn)象。另外，離心泵汽蝕會(huì)造成其性能的下降，導(dǎo)致流體傳遞過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換受到干擾，在嚴(yán)重的時(shí)候甚至?xí)苯又袛嚯x心泵的工作導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)。

5 離心泵防汽蝕技術(shù)的應(yīng)用

5.1 提高離心泵的自身抗汽蝕性能

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)合理優(yōu)化改善葉輪的幾何形態(tài)和整體結(jié)構(gòu)。離心泵葉片齒輪的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)于離心泵的對(duì)抗防御運(yùn)動(dòng)具有重要作用，在設(shè)計(jì)階段合理優(yōu)化葉片齒輪的幾何結(jié)構(gòu)能有效地抵抗防御影響，在對(duì)其幾何結(jié)構(gòu)改變后能從根本上解決汽蝕導(dǎo)致的設(shè)備老化等問(wèn)題，主要的設(shè)計(jì)改造方向包括：第一，通過(guò)對(duì)離心泵葉輪的前驅(qū)動(dòng)進(jìn)口蓋板半徑以及進(jìn)口曲率進(jìn)行調(diào)整，對(duì)齒輪驅(qū)動(dòng)進(jìn)行延伸法改進(jìn)以達(dá)到邊緣延伸的目的，進(jìn)一步提高葉輪的硬化侵蝕度；第二，可以通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化葉輪葉片蓋板中的內(nèi)腔壁厚提升抗汽蝕；第三，設(shè)計(jì)初始通過(guò)優(yōu)化葉輪的進(jìn)口驅(qū)動(dòng)蓋板位置的內(nèi)徑達(dá)到減少汽蝕的概率；第四，設(shè)計(jì)選用材料時(shí)，采用防蝕材料及抗壓材料，能達(dá)到既有效防止汽蝕延長(zhǎng)離心泵壽命又能達(dá)到抗壓的效果，離心泵本體采用的材料其化學(xué)、物理性質(zhì)越穩(wěn)定則說(shuō)明抗壓和防汽蝕的保護(hù)性能效果越好。

5.2 優(yōu)化離心泵安裝、使用和運(yùn)行參數(shù)

（1）在運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)離心泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整可以一定程度上避免離心泵后期發(fā)生汽蝕的概率。

（2）可以通過(guò)在吸入管路的設(shè)計(jì)初期減少管道附件數(shù)量，增大吸入管道管徑以及降低吸入管道內(nèi)的水力流速等方法達(dá)到降低離心泵管道阻力的目的。

（3）在使用的過(guò)程中，要加強(qiáng)對(duì)離心泵的運(yùn)維管理，在操作上要多加注意對(duì)離心泵的規(guī)范操作，避免由于人為因素的操作不當(dāng)引起的離心泵汽蝕問(wèn)題；在操作過(guò)程中要確保離心泵是在可靠的區(qū)間內(nèi)運(yùn)行的，在離心泵的流量較大時(shí)容易誘發(fā)汽蝕現(xiàn)象，因此，在使用過(guò)程中要定期進(jìn)行設(shè)備流量的檢測(cè)，同時(shí)離心泵的啟停時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)。在進(jìn)行離心泵的啟動(dòng)動(dòng)作中，為了降低啟動(dòng)電流，一般情況會(huì)關(guān)閉出口閥門的啟動(dòng)模型，但是如果出口閥門關(guān)閉時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械熱量損失，使得離心泵內(nèi)傳輸?shù)囊后w溫度上升從而誘發(fā)汽蝕，對(duì)此應(yīng)避免離心泵在運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)速過(guò)高。

5.3 CFD技術(shù)改善離心泵汽蝕性能

在實(shí)際使用過(guò)程中，由于工況不確定及多種復(fù)雜情況的存在，通過(guò)常規(guī)方案提升與優(yōu)化離心泵性能的效果有限，而通過(guò)CFD（臨床計(jì)算水泵流體力學(xué)）可以大幅度提高設(shè)備性能。其主要特點(diǎn)是可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與幾何模型形成一個(gè)直觀的計(jì)算模型（圖6），具有可靠性強(qiáng)、可視性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

圖6 離心泵汽蝕性能模型

6 結(jié)語(yǔ)

汽蝕現(xiàn)象是影響離心泵的使用壽命及正常運(yùn)行的主要因素，其對(duì)于泵體實(shí)際生產(chǎn)影響巨大。技術(shù)人員應(yīng)了解其發(fā)生機(jī)理，在實(shí)際過(guò)程中通過(guò)相關(guān)技術(shù)分析找到原因，制定相關(guān)的處理措施，以保證離心泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高工作效率。