服務(wù)工程師談離心泵汽蝕及現(xiàn)場(chǎng)成功案例
2021-08-23 11:21:58力士霸泵業(yè)
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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(chǎng)改善汽蝕的常用措施,。結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用,，重點(diǎn)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(huì)引起泵振動(dòng)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(shí),，僅嘗試用相對(duì)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(chǎng)改善汽蝕的常用措施。并結(jié)合實(shí)際工程
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(chǎng)改善汽蝕的常用措施。結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用,，重點(diǎn)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
汽蝕是離心泵運(yùn)行過程中較常見的問題,，會(huì)引起泵振動(dòng)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(shí),，僅嘗試用相對(duì)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(chǎng)改善汽蝕的常用措施,。并結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，將重點(diǎn)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(guó)）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(shí)-汽蝕篇”。焦工不僅具有非常豐富的生產(chǎn)和制造經(jīng)驗(yàn),，同時(shí)還具有非常豐富的設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和服務(wù)經(jīng)驗(yàn),。他的不少解決問題的理念、方法比較獨(dú)特,，值得同行們學(xué)習(xí)和參考,。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,。是指發(fā)生汽蝕現(xiàn)象時(shí)，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(shí),，即使泵在設(shè)計(jì)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(shí)，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(shí),，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,。是指當(dāng)液體流經(jīng)狹小通道或間隙時(shí),，引起過流部件局部流速升高、壓力下降到汽化壓力時(shí)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）。
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(huì)因間隙中液體的反向流速大,，造成局部壓降,，在泵殼對(duì)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）,。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(shí),，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(shí)，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。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(shí)也會(huì)引起汽蝕,，并伴有強(qiáng)烈的振動(dòng)發(fā)生,。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(shí)也會(huì)發(fā)生汽蝕,，即回流汽蝕,。由于它出現(xiàn)在低于設(shè)計(jì)流量點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，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(shí),，就會(huì)發(fā)生回流現(xiàn)象。當(dāng)泵送流量太小時(shí),，內(nèi)部回流發(fā)生在葉輪的入口,；當(dāng)泵入口壓力太高時(shí)，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(shí),，在泵的吸入口周圍會(huì)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,。2）在泵的入口和出口之間加裝旁路（該方法在實(shí)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）,。汽蝕會(huì)導(dǎo)致泵的性能明顯降低,。通常對(duì)于離心泵來說,，當(dāng)入口壓力降低到某種程度時(shí),，其性能會(huì)急劇下降,，該現(xiàn)象也叫汽蝕斷裂。汽蝕也會(huì)使流體內(nèi)部出現(xiàn)不穩(wěn)定性,，這些不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致流量和壓力的振蕩,，在振動(dòng)的助推下，可能會(huì)引起泵及其進(jìn)出口管路損壞（見圖3）,。
圖3 汽蝕引起壓力脈動(dòng)（振蕩）導(dǎo)致管路疲勞損壞
筆者曾經(jīng)見過一臺(tái)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(shí)發(fā)出刺耳共鳴聲,。由于及時(shí)查找到原因，修復(fù)閥門后汽蝕現(xiàn)象和管路振動(dòng)消除,，未造成大的損失,。汽蝕會(huì)導(dǎo)致零部件表面的破壞，汽泡破裂時(shí)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(shí),，就會(huì)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(shí)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(zhǎng)期汽蝕作用下會(huì)出現(xiàn)馬蜂窩狀結(jié)構(gòu)。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(dòng),，從而激發(fā)了振動(dòng)和噪聲,。汽蝕噪聲頻率一般為10 kHz～100 kHz，而回流及壓力脈動(dòng)引起的汽蝕噪聲頻率在幾百Hz左右,，人耳對(duì)此特別敏感,。同時(shí)汽蝕也會(huì)激發(fā)振動(dòng)，汽蝕產(chǎn)生振動(dòng)的主要頻率一般在1 kHz左右。根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn),，汽蝕除了噪聲比較大,，還體現(xiàn)在振動(dòng)指標(biāo)上，如泵的底座剛度不足和管路支撐不良將會(huì)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(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的振動(dòng)現(xiàn)象,，但在泵體上通過振動(dòng)測(cè)量,，汽蝕產(chǎn)生的振動(dòng)頻率中高頻分量占主導(dǎo)，振動(dòng)的加速度值相較振動(dòng)位移和振動(dòng)速度要高,。1）改進(jìn)泵的吸入口設(shè)計(jì)
通過對(duì)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,。
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(jì)參數(shù)）,。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）,。
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(dòng)損失,。但正沖角不宜過大,，否則影響效率。
實(shí)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),。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(shí),，需要考慮吸上高度和介質(zhì)溫度的關(guān)系,。4）減小泵前吸入管路上的流動(dòng)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(duì)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(duì)主液流的影響、提高泵的抗汽蝕能力,。6）經(jīng)驗(yàn)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(huì)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(gè)補(bǔ)氣量多少合適,、如何準(zhǔn)確計(jì)量補(bǔ)氣量等不易控制，結(jié)合筆者的實(shí)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(chǎng)調(diào)節(jié)時(shí)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(shí)再將針閥回調(diào)一點(diǎn),，減少一點(diǎn)進(jìn)氣量，觀察運(yùn)行一段時(shí)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(shí)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,。
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(shí)，泵的汽蝕性能會(huì)下降,。常近時(shí)教授對(duì)自來水行業(yè)用泵研究發(fā)現(xiàn),，我國(guó)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(jì)算高度上至少降低4.2米,。這一點(diǎn)在市政行業(yè)值得重視,。2012年某水廠節(jié)能改造項(xiàng)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí),，汽蝕噪聲消失,，判斷泵在1398 m3/h時(shí)發(fā)生了汽蝕。1）嘗試對(duì)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)了解、并與各相關(guān)方分析后認(rèn)為：現(xiàn)場(chǎng)屬于改造項(xiàng)目,，吸入管路（直徑偏?。┕茏栎^大，泵偏大流量點(diǎn)運(yùn)行,。對(duì)葉輪重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),，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(gè)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(yàn)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(jì)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。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(shí)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(yàn)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(duì)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)際汽蝕問題時(shí),，只有根據(jù)具體的選型,、選材和使用現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)。上述2個(gè)“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(shí)，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(shí),，需要考慮現(xiàn)場(chǎng)是否具有所需的穩(wěn)定的氣源。對(duì)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(dòng)和侵蝕損壞,。但是,，當(dāng)氣體含量達(dá)到6 %時(shí)，普通離心泵就可能會(huì)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,。
1. Dieter-Heinz Hellmann 《離心泵大全》 清華大學(xué)出版社
2. 常近時(shí) 《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(cè)》（第三版） 中國(guó)石化出版社
4. 古里希 《離心泵》（第三版）機(jī)械工業(yè)出版社
