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技術(shù)文章/Technical articles
服務(wù)工程師談離心泵汽蝕及現(xiàn)場成功案例
2021-08-23 11:21:58力士霸泵業(yè)
摘　要：以服務(wù)工程師的視角，詳細(xì)介紹了離心泵幾種常見的汽蝕類型、汽蝕危害及現(xiàn)場改善汽蝕的常用措施。結(jié)合實際工程應(yīng)用，重點介紹了一種通過“吸入口補(bǔ)氣”的方法來減輕/消除汽蝕的成功案例，僅供同行們參考。

關(guān)鍵詞：離心泵   汽蝕   危害   措施   吸入口補(bǔ)氣


00-前言


汽蝕是離心泵運(yùn)行過程中較常見的問題，會引起泵振動和噪音的增加、性能的下降和造成零部件的嚴(yán)重?fù)p壞。

本篇不探討汽蝕的專業(yè)理論知識，僅嘗試用相對通俗的文字，詳細(xì)介紹離心泵幾種常見的汽蝕類型、汽蝕的危害、現(xiàn)場改善汽蝕的常用措施。并結(jié)合實際工程應(yīng)用，將重點介紹一種通過“吸入口補(bǔ)氣”的方法來減輕/消除汽蝕的成功案例，與大家分離。

注：本文內(nèi)容主要摘自于荏原機(jī)械（中國）有限公司焦工（焦偉才）編寫的“EMC市政水利服務(wù)工程師培訓(xùn)知識-汽蝕篇”。焦工不僅具有非常豐富的生產(chǎn)和制造經(jīng)驗，同時還具有非常豐富的設(shè)備現(xiàn)場應(yīng)用和服務(wù)經(jīng)驗。他的不少解決問題的理念、方法比較獨特，值得同行們學(xué)習(xí)和參考。

01-汽蝕的種類


從發(fā)生部位來看，汽蝕可以分為：葉面汽蝕、間隙汽蝕、粗糙汽蝕、空腔汽蝕、回流汽蝕。

1.1 葉面汽蝕

是指發(fā)生汽蝕現(xiàn)象時，氣泡的形成和破滅基本上都發(fā)生在葉片的正反面，也稱為翼型汽蝕，這是離心泵汽蝕的主要形式。當(dāng)泵安裝過高時，即使泵在設(shè)計工況下運(yùn)行，在葉片進(jìn)出口的背面也易出現(xiàn)低壓區(qū)：

1）當(dāng)泵在大流量工況下運(yùn)行時，葉片前緣正面發(fā)生脫流和漩渦，產(chǎn)生負(fù)壓，有可能引起葉片正面發(fā)生汽蝕。

2）當(dāng)泵在小流量工況下運(yùn)行時，葉片的背面產(chǎn)生漩渦，出現(xiàn)低壓區(qū)，從而致使葉片背面產(chǎn)生汽蝕。

1.2 間隙汽蝕

是指當(dāng)液體流經(jīng)狹小通道或間隙時，引起過流部件局部流速升高、壓力下降到汽化壓力時所形成的汽蝕。

在離心泵殼體耐磨環(huán)與葉輪外緣（蓋板）之間的間隙處，在葉輪進(jìn)、出口兩側(cè)的壓差（特別是較大壓差）作用下，出口側(cè)液體高速回流，造成局部壓降，引起汽蝕（見圖1）。


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圖1   離心泵耐磨環(huán)間隙汽蝕

軸流泵葉片外緣與泵殼之間很小的間隙內(nèi)，在葉片正、反面壓差的作用下，也會因間隙中液體的反向流速大，造成局部壓降，在泵殼對應(yīng)葉片外緣部位引起汽蝕，并在轉(zhuǎn)輪體與葉片外緣部位形成一條蜂窩麻面汽蝕帶（見圖2）。

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圖2   軸流泵葉片間隙汽蝕

1.3 粗糙汽蝕

是指液體流經(jīng)泵殼內(nèi)凹凸不平的粗糙過流部件表面時，在凸出物下游產(chǎn)生漩渦，引起局部壓力降低、導(dǎo)致汽蝕。

泵過流部件在鑄造和加工時，形成的表面不平、砂眼、氣孔等都可能引起局部流態(tài)突然變化而造成汽蝕。

1.4 空腔汽蝕

是指在泵的進(jìn)口處，由于進(jìn)水條件不好或淹沒深度不夠，在吸入室產(chǎn)生螺旋狀的漩渦帶。當(dāng)漩渦帶中心壓力降低到汽化壓力時也會引起汽蝕，并伴有強(qiáng)烈的振動發(fā)生。

1.5 回流汽蝕

通常來說，發(fā)生汽蝕的前提條件是NPSHa<NPSHr，即裝置汽蝕余量小于泵的必需汽蝕余量。但卻有一種特例，在NPSHa>NPSHr時也會發(fā)生汽蝕，即回流汽蝕。由于它出現(xiàn)在低于設(shè)計流量點運(yùn)行時，因此也稱為小流量汽蝕。

當(dāng)泵送流量太小或入口壓力太高時，就會發(fā)生回流現(xiàn)象。當(dāng)泵送流量太小時，內(nèi)部回流發(fā)生在葉輪的入口；當(dāng)泵入口壓力太高時，內(nèi)部回流發(fā)生在葉輪出口處。內(nèi)部回流致使液體流速的增加直至汽化產(chǎn)生汽泡，然后在周圍較高壓力下破裂。當(dāng)吸入口發(fā)生內(nèi)部回流時，在泵的吸入口周圍會發(fā)出不規(guī)則的噼噼啪啪的噪音，并伴有高強(qiáng)度的爆震聲。

回流汽蝕一般可以通過以下方法進(jìn)行改善：

1）提高泵的輸出流量。
2）在泵的入口和出口之間加裝旁路（該方法在實際應(yīng)用中客戶很難接受）。
3）優(yōu)化葉輪的結(jié)構(gòu)（減小葉輪入口面積）。

02-汽蝕的危害


2.1 性能下降、管路損壞

汽蝕會導(dǎo)致泵的性能明顯降低。通常對于離心泵來說，當(dāng)入口壓力降低到某種程度時，其性能會急劇下降，該現(xiàn)象也叫汽蝕斷裂。汽蝕也會使流體內(nèi)部出現(xiàn)不穩(wěn)定性，這些不穩(wěn)定性會導(dǎo)致流量和壓力的振蕩，在振動的助推下，可能會引起泵及其進(jìn)出口管路損壞（見圖3）。


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圖3   汽蝕引起壓力脈動（振蕩）導(dǎo)致管路疲勞損壞

筆者曾經(jīng)見過一臺空調(diào)系統(tǒng)冷卻泵，安裝在地下三層，由于冷卻塔到泵入口之間的管路上一只閥門損壞，導(dǎo)致入口流量不足引起的汽蝕，汽蝕產(chǎn)生的壓力振蕩引起了管路的共振，在該大廈七層管道振幅達(dá)到最大，同時發(fā)出刺耳共鳴聲。由于及時查找到原因，修復(fù)閥門后汽蝕現(xiàn)象和管路振動消除，未造成大的損失。

2.2 嚴(yán)重?fù)p傷泵的過流部件

汽蝕會導(dǎo)致零部件表面的破壞，汽泡破裂時周圍液體產(chǎn)生極高的沖擊壓力（壓力峰值）可達(dá)49 MPa，當(dāng)這種汽蝕液力強(qiáng)度大于材料抵抗這種沖擊能力時，就會導(dǎo)致局部的壁面材料疲勞失效和表面材料脫落，汽蝕發(fā)生的同時伴隨化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。汽蝕初期材料的腐蝕及塑性變形產(chǎn)生的凹坑尺寸約10 μm～50 μm，特別是一些耐蝕性較差的材料在長期汽蝕作用下會出現(xiàn)馬蜂窩狀結(jié)構(gòu)。

2.3 產(chǎn)生振動和噪音

在汽泡凝結(jié)縮小、破裂的瞬間，汽泡周圍的液體將高速填充（汽泡凝結(jié)破裂形成的）空穴，產(chǎn)生了壓力脈動，從而激發(fā)了振動和噪聲。汽蝕噪聲頻率一般為10 kHz～100 kHz，而回流及壓力脈動引起的汽蝕噪聲頻率在幾百Hz左右，人耳對此特別敏感。同時汽蝕也會激發(fā)振動，汽蝕產(chǎn)生振動的主要頻率一般在1 kHz左右。

根據(jù)筆者經(jīng)驗，汽蝕除了噪聲比較大，還體現(xiàn)在振動指標(biāo)上，如泵的底座剛度不足和管路支撐不良將會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性共振；泵安裝后底座用混凝土進(jìn)行灌注，管路的支撐剛度足夠，一般不會導(dǎo)致強(qiáng)烈的振動現(xiàn)象，但在泵體上通過振動測量，汽蝕產(chǎn)生的振動頻率中高頻分量占主導(dǎo)，振動的加速度值相較振動位移和振動速度要高。

03-改善汽蝕性能的常用措施


3.1 提高離心泵本身抗汽蝕性能的措施

1）改進(jìn)泵的吸入口設(shè)計


  • 通過對葉輪的修磨，增大過流面積；

  • 增大葉輪蓋板進(jìn)口段的曲率半徑，減小液流急劇加速與降壓；

  • 適當(dāng)減少葉片進(jìn)口的厚度，并將葉片進(jìn)口修圓（打磨葉片頭部，削尖，以減少進(jìn)口沖擊損失，降低進(jìn)口沖角的敏感性，必需汽蝕余量可以下降0.5米左右），使其接近流線形，也可以減少繞流葉片頭部的加速與降壓；

  • 提高葉輪和葉片進(jìn)口部分表面光潔度以減小阻力損失；

  • 將葉片進(jìn)口邊向葉輪進(jìn)口延伸，使液流提前接受做功，提高壓力。



2）增加前置誘導(dǎo)輪

使液流在前置誘導(dǎo)輪中提前做功，以提高液流壓力（該方案需要改變結(jié)構(gòu)、需重新校核各種設(shè)計參數(shù)）。

3）采用雙吸葉輪

增加葉輪進(jìn)口面積、降低進(jìn)口液體流速（流速降低，壓力增加）。

4）采用稍大的正沖角


  • 以增大葉片進(jìn)口角，減小葉片進(jìn)口處的彎曲，減小葉片阻塞，從而增大進(jìn)口面積；

  • 改善大流量下的工作條件，以減少流動損失。但正沖角不宜過大，否則影響效率。



5）采用低轉(zhuǎn)速的泵

轉(zhuǎn)速越低，NPSHr越小。

6）采用抗汽蝕的材料

實踐證明，材料的強(qiáng)度、硬度、韌性越高，化學(xué)穩(wěn)定性越好，抗汽蝕的性能越強(qiáng)。

3.2 提高裝置汽蝕余量的措施

1）增加泵前貯液罐中液面的壓力，以提高有效汽蝕余量。

2）降低吸上裝置中泵的安裝高度，尤其輸送介質(zhì)為熱水時，需要考慮吸上高度和介質(zhì)溫度的關(guān)系。

3）將吸上裝置改為倒灌裝置。

4）減小泵前吸入管路上的流動損失。如在要求范圍盡量縮短管路，采用合適的吸入管路管徑和過濾器過濾面積（如有）以降低管路中的流速，減少彎管和閥門數(shù)量，盡量加大閥門開度等。

5）如果間隙汽蝕嚴(yán)重，可采取在葉輪上打平衡孔的辦法來減少泄漏流速，以減輕汽蝕程度。葉片上的平衡孔對葉輪進(jìn)口注入液流起著破壞干擾作用，平衡孔的面積應(yīng)不小于密封環(huán)間隙面積的5倍，以減小泄漏流速，從而減小對主液流的影響、提高泵的抗汽蝕能力。

6）經(jīng)驗表明，從汽蝕產(chǎn)生的機(jī)理出發(fā)，向吸入口補(bǔ)充適量的氣體可以破壞汽蝕發(fā)生的條件。但采用補(bǔ)氣防止泵的汽蝕，其技術(shù)性很強(qiáng)，只有補(bǔ)氣量、補(bǔ)氣位置和補(bǔ)氣方式恰當(dāng)，才能取得良好的效果。否則，會使泵的流量、揚(yáng)程和效率下降很多，甚至泵在運(yùn)行中出現(xiàn)斷流、引起不良后果。

鑒于這個補(bǔ)氣量多少合適、如何準(zhǔn)確計量補(bǔ)氣量等不易控制，結(jié)合筆者的實踐，建議補(bǔ)氣閥采用可以進(jìn)行流量調(diào)節(jié)的針閥，現(xiàn)場調(diào)節(jié)時可以通過汽蝕噪聲來判別：通過針閥調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，直至汽蝕噪聲降到最?。ㄓ械南到y(tǒng)可以完全消除噪聲，但有的系統(tǒng)僅能減小汽蝕噪聲，而不能完全消除），此時再將針閥回調(diào)一點，減少一點進(jìn)氣量，觀察運(yùn)行一段時間，直至在規(guī)定的各種運(yùn)行工況下均沒有發(fā)生性能異常為止，然后將針閥的開度鎖定。這種方法切忌將聲音降到最低！如果泵停止運(yùn)行時的入口壓力為正壓，則應(yīng)加裝一只止回閥以防泄漏，如圖4。


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        圖4   補(bǔ)氣法降低汽蝕噪聲接管示意圖   

7）有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，介質(zhì)中含有易揮發(fā)性氣體及沙粒等固體時，泵的汽蝕性能會下降。常近時教授對自來水行業(yè)用泵研究發(fā)現(xiàn)，我國城市供水的水中氯的含量一般在0.5 mg/L～1.3 mg/L，如果氯含量達(dá)到1.1 mg/L，初生汽蝕壓力與臨界汽蝕壓力約為0.3 mH2O～0.72 mH2O。為了確保泵不發(fā)生汽蝕，泵的吸上高度要在清水的計算高度上至少降低4.2米。這一點在市政行業(yè)值得重視。

04-汽蝕處理工程應(yīng)用案例


4.1 案例1

2012年某水廠節(jié)能改造項目，原SH型雙吸泵流量為1136 m3/h，揚(yáng)程為 36 m，電機(jī)配用功率200 kW。

根據(jù)實際運(yùn)行工況，改造后同樣選用雙吸泵，參數(shù)變更為流量1250 m3/h，揚(yáng)程22 m，電機(jī)配用功率132 kW。該泵實際運(yùn)行參數(shù)為：流量1398 m3/h，揚(yáng)程21 m，出口壓力0.19 MPa（G），入口壓力 -0.02 MPa（G），此時有明顯的汽蝕噪聲。通過調(diào)節(jié)閥門泵運(yùn)行在1200 m3/h時，汽蝕噪聲消失，判斷泵在1398 m3/h時發(fā)生了汽蝕。

1）嘗試對葉輪葉片進(jìn)行了修磨，汽蝕狀況僅有輕微的改善。

2）經(jīng)對現(xiàn)場進(jìn)行詳細(xì)了解、并與各相關(guān)方分析后認(rèn)為：現(xiàn)場屬于改造項目，吸入管路（直徑偏小）管阻較大，泵偏大流量點運(yùn)行。對葉輪重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，更換新葉輪后泵的運(yùn)行參數(shù)為：流量1430 m3/h，出口壓力0.19 MPa（G），入口壓力-0.015 MPa（G），流量稍有增加，但軸功率降低了約10 kW，汽蝕噪聲有所減輕，但依然較大。

3）建議在吸入管路開孔，加裝一個球閥，通過球閥向吸入口補(bǔ)充空氣。開始客戶不同意，經(jīng)過反復(fù)溝通，客戶同意試試，試驗后汽蝕噪聲雖未完全消除，但明顯減弱，達(dá)到客戶可接受水平。此后每年進(jìn)行回訪，直至2017年該泵運(yùn)行穩(wěn)定，沒有進(jìn)行過解體維修。

該案例表明：可以通過優(yōu)化葉輪設(shè)計降低泵的必須汽蝕余量，或吸入口適量補(bǔ)入空氣破壞汽蝕形成的條件等來解決汽蝕問題或減輕汽蝕程度。

4.2 案例2

某水廠用泵額定運(yùn)行參數(shù)為：流量4200 m3/h，揚(yáng)程34 m；實際運(yùn)行參數(shù)：流量為4300 m3/h，泵入口壓力-0.015 MPa（G），出口壓力0.336 MPa（G），泵的汽蝕余量NPSHr 為3.8 m。

理論上該泵不應(yīng)該發(fā)生汽蝕，但靠近泵體卻能聽到明顯的類似汽蝕的噼啪聲，為了驗證是否為汽蝕，試著打開該泵入口的排水閥，注入適量空氣，聲音立即消失，運(yùn)行十余分鐘后再次把排水閥關(guān)閉，聲音立即再次出現(xiàn)，由此可以判定為汽蝕。

通過對該泵輸送介質(zhì)（為水）的調(diào)查，其含氯濃度約為0.7 mg/L，根據(jù)上文汽蝕原因3.2節(jié) 7）分析，該泵處于輕微汽蝕狀態(tài)。使用了3.2節(jié)6）的方法處理后，汽蝕噪音基本消除了，該泵使用一年后客戶反饋運(yùn)行正常。

以上兩個案例均采用了吸入口補(bǔ)氣方法使汽蝕噪聲得到減輕或消除，但在實際工程應(yīng)用中也發(fā)生過由于填料函部位銹蝕，導(dǎo)致泵運(yùn)行時從填料部位吸入過多空氣而發(fā)生斷流的故障，因此在使用該方法前，需要仔細(xì)檢查（低吸入壓力泵）填料函、接管法蘭等處是否存在吸氣。

在遇到實際汽蝕問題時，只有根據(jù)具體的選型、選材和使用現(xiàn)場的運(yùn)行工況條件等進(jìn)行綜合分析，才能選擇出適當(dāng)?shù)慕鉀Q方法、并加以應(yīng)用，并不是每種方法都普適所有現(xiàn)場。

05-特別說明


上述2個“補(bǔ)氣減輕或消除汽蝕噪聲”的案例，都是用于低吸入壓力（泵吸入口壓力低于大氣壓力）工況。其實，該方法也適用于泵吸入口壓力高于大氣壓力的工況。只是在高于大氣壓力工況時，需要考慮現(xiàn)場是否具有所需的穩(wěn)定的氣源。

對于普通離心泵，可以處理夾帶少量氣體（1 %至2 %體積含量）的液體。液體中夾帶少量氣體可以緩沖汽蝕汽泡坍塌所產(chǎn)生的沖擊力，并可以減少由此產(chǎn)生的不良噪音、振動和侵蝕損壞。但是，當(dāng)氣體含量達(dá)到6 %時，普通離心泵就可能會產(chǎn)生汽蝕、氣阻等現(xiàn)象，并導(dǎo)致性能（流量、揚(yáng)程及效率）的急劇下降。

【參考文獻(xiàn)】


1. Dieter-Heinz Hellmann   《離心泵大全》   清華大學(xué)出版社

2. 常近時   《水輪機(jī)與水泵的空化與空蝕》科學(xué)出版社

3. 陳允中等譯   《泵手冊》（第三版）   中國石化出版社

4. 古里希   《離心泵》（第三版）機(jī)械工業(yè)出版社



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