化工裝置中離心泵氣蝕問題分析

楊世杰

（煙臺泰和新材料股份有限公司，山東煙臺 264006）

0 引言

離心泵具有設備結構簡單、流量穩定、揚程高、操作簡單、后期維護成本低的特點，在石油化工、煤化工、鋼鐵冶煉等領域具有廣泛應用空間。根據不同結構特點、工程設計和工藝參數需求，可以有針對性地安裝不同性能的離心泵。很多大型化工裝置，在原料處理環節、產品分離環節和輔助料輸送環節，都離不開離心泵的使用。大規模使用離心泵的化工生產都面臨以下復雜情況。

（1）化工生產大多需要連續運轉，有時為提高裝置負荷，完成年度生產計劃通常需要提高各個物料的進料量，這也提高了離心泵的工作負荷。

（2）很多化工生產涉及到的物料種類非常復雜，以石油化工生產為例，其輸送的原料就包括汽柴油、硫化油、氫氣等。輸送的輔助料包括高溫氣體、高溫換熱油等，輸送的物料性質復雜多樣，面對的輸送條件也不同。這些情況會影響到離心泵的使用性能、壽命和效率。離心泵的氣蝕故障是離心泵工作中最常見的故障之一，本文根據化工生產操作經驗，總結離心泵氣蝕相關文獻，調研企業離心泵氣蝕故障實例，總結梳理化工生產過程中離心泵的氣蝕問題。

1 離心泵工作原理

離心泵設備型號眾多，但是工作原理大同小異。大多數離心泵主要由泵殼、中心泵軸、軸承、密封墊圈、軸向力平衡系統、旋轉葉輪等部分組成，核心設備是固定泵殼和高速旋轉的葉片。通常離心泵都固定有4～10 片彎曲的旋轉葉片。離心泵開始工作時，連接離心泵的電動驅動設備帶動離心泵軸旋轉，連接軸的葉片高速旋轉，葉片將沿其圓周切線方向對液體做功，帶動葉片與泵殼之間的液體高速旋轉。當液體受到旋轉產生的離心力作用時，就會從葉輪中心不斷向外運動并不斷獲得機械動能，在離心力和壓差作用下，液體經過葉輪出口時會不斷向外運動進入泵殼。進入到泵殼后，液體流動速度下降，一部分機械動能轉換為靜壓能，并進入離心泵流出管道。

2 氣蝕的概念及產生原因

根據離心泵工作原理，離心泵對入口管線處的液體物料吸入的方式是基于入口管線壓力和葉輪中心的壓力差來實現的。但是，當離心泵入口管線的壓力低于液體工作環境下的飽和蒸汽壓時，輸送的液體物料就會迅速汽化產生大量氣泡，并且隨著入口管線的壓力不斷下降，形成的氣泡尺寸和速度不斷變大、變快，同時受到壓力變化影響，溶解在液體物料中的部分液體也會析出，在液體中形成氣泡。無論哪種氣泡，當這些氣泡被卷吸到離心泵葉輪中心時，受到泵殼內高壓區壓力的作用又會破碎。在氣泡破碎瞬間，會產生大量的液體碰撞，帶動周圍液體不斷撞擊、腐蝕流經的離心泵零件。這些離心泵金屬零件經過長時間液體的高頻率撞擊和腐蝕，會產生金屬疲勞、性能衰退的情況，進而引發離心泵性能缺陷。這一系列因液體汽化、氣泡破碎、液體撞擊所帶來的離心泵金屬零件受損的情況稱為氣蝕現象。離心泵產生氣蝕主要有以下原因。

（1）不同材料制備出的離心泵抗氣蝕能力不同，通常不銹鋼合金制造成的離心泵抗氣蝕能力較強。

（2）制造離心泵時，結構設計不合理，導致離心泵的允許汽蝕余量曲線斜率過高，降低了離心泵的抗氣蝕能力。

（3）離心泵設計壓力、泵前管線輸送壓力和輸送液體性質不匹配，例如，輸送油品時，油品的飽和蒸汽壓受到溫度變化影響非常大，一旦工藝參數發生變化，很容易在離心泵內產生氣蝕。

（4）離心泵開機使用前需要灌泵，使得離心泵內充滿帶輸送的液體。如果離心泵開機前沒有做好灌泵工作，會使離心泵內含有一定體積氣體，為氣蝕提供場所。

（5）工藝管線參數設置不合理或離心泵安裝高度過高，導致離心泵吸入物料的阻力過大，離心泵葉輪對泵前管線物料的卷吸能力不足。

（6）離心泵驅動電機設備工作不穩定，導致離心泵運行過程中產生大幅度流量變化或葉輪轉速變化，造成液體流動狀態變化明顯。

3 氣蝕產生的危害

氣蝕發生時，首先是葉輪內部的液體物料內部和表面處產生大量氣泡，葉輪截留面變小，影響液體物料運輸的連續性，離心泵的揚程、流量和效率均受到影響。當含有氣泡的液體物料進入高壓泵后，氣泡破碎引發周圍液體高速、無規則地向泵殼四周散去，不斷撞擊泵殼內的各種金屬零件，侵蝕金屬零件表面，產生表層脫落、裂紋、腐蝕的情況。這些危害表現在離心泵設備上，體現在以下方面。

（1）機械損傷。氣泡破碎帶來的高速液體不斷沖擊泵殼內部的各種機械零件，容易產生各種金屬機械損傷。微觀結構觀察發現長期處于氣蝕狀態的泵殼內部零件表面存在大量蜂窩、溝壑形狀傷痕。嚴重時，金屬零件受沖擊產生金屬碎片，碎片會造成殼體損傷。

（2）電化學腐蝕。告訴液體撞擊泵殼內部零件產生大量摩擦熱，引發物料中氣體產生電化學反應，加劇金屬零件損傷，產生化學腐蝕。如果化學腐蝕發生在精密的閥芯部位，對離心泵的損傷是致命的。

（3）振動和噪聲。氣泡破碎產生高速液體的流速、流動方向是不規則的，高頻率撞擊到零件后會產生規則的振動，改變葉輪和泵殼之間的協調性，導致葉輪軸分布對稱性發生變化，使得電機軸受交變應力，導致葉輪軸承和中心軸使用性能受損。

（4）降低性能。產生氣蝕后，離心泵的輸送流量、揚程、出口壓力、效率都會下降，離心泵使用壽命也會縮短，造成企業經濟損失。

4 氣蝕的防護及改善措施

4.1 調整吸入系統的裝置條件

為使工程設計人員清楚了解各種離心泵的使用性能，使企業在實際使用過程中有效避免氣蝕情況的出現，離心泵的生產廠家在離心泵銘牌上都會標注對應離心泵的允許氣蝕余量和允許吸上真空度。這兩個指標都是衡量評判工藝生產過程中工藝參數是否會對此離心泵產生氣蝕的重要參考指標，也是工程設計設備選型工作重要參考指標。對于出廠的成品離心泵，其結構組成、空間構造、材料選型等方面都是固定的，影響離心泵使用過程中的氣蝕情況主要依賴于工藝參數。

4.1.1 允許氣蝕余量

為避免離心泵發生氣蝕，工作狀態下的離心泵氣蝕余量NHSHα必須滿足式（1）。

式中 NHSHα——離心泵工作狀態下的汽蝕余量

NHSHr——離心泵固有的汽蝕余量

PA——離心泵吸入罐上壓力

PV——工作狀態下液體物料的飽和蒸汽壓

ρ——液體物料在工作狀態下的密度

Zg——離心泵安裝高度

ΣhA-S——葉輪卷吸液體的阻力損失

根據式（1）可知，提高NHSHα可以采取以下措施。增大PA，從公式來看，PA越大，NHSHα越大。根據離心泵工作原理，足夠大的PA可以有效避免流體因溫度過高而發生汽化，產生氣泡。現場操作經驗發現，除了離心泵前壓力過低會導致氣蝕以外，離心泵葉輪氣蝕轉速過高也會產生氣蝕；降低流體自身溫度，根據流體物理化學原理，流體的飽和蒸汽壓與溫度成正向關系，溫度越高流體的飽和蒸汽壓越高。因此，在固定離心泵前壓力情況下，溫度越高，離心泵越容易產生氣蝕。因此，在滿足工藝加工前提下，應盡可能降低離心泵前后管線流體體相溫度。

4.1.2 允許吸上真空度

為避免離心泵發生氣蝕，工作狀態下的離心泵吸上真空度應滿足式（2）。

式中 HS——離心泵工作狀態下的吸上真空度

CS——離心泵工作狀態下的入口速度

HSC——離心泵臨界吸上真空度

HSC=HS+0.3，其中0.3 為國家標準規定的安全余量。

從上述公式可以得出，要保證離心泵不發生氣蝕，就要盡可能降低HS，可以采取以下措施。

（1）降低安裝高度。保證安裝高度滿足Zg≤HSC-（Cs2/2g）+ΣhA-S。

（2）降低流速。在保證裝置進料需求前提下，使用低流量工作狀態；在保證流量不變條件下，適當增加泵前管線直徑，降低流速，或者在泵前管線增設旁路，調整入口管線物料流速。

（3）降低管路阻力。要對泵前管線進行切換清理，降低管壁阻力，使用光滑的材料制備管道。

4.2 提高離心泵本身的抗氣蝕性能

調整離心泵的結構和制造材料也可以提高離心泵抗氣蝕能力，降低自身氣蝕余量，可以采取以下措施。

（1）改變入口結構。增加離心泵入口直徑，降低物料進入離心泵的流速；增加葉片進口沖角，降低壓力勢差系數；根據流體力學計算模擬和冷態模擬，考察離心泵內流體流動狀態，設計新型葉片結構，減少流體傳動阻力。

（2）采用雙吸式葉輪。使用雙吸式葉輪離心機，在不改變物料流量的前提下，將每片葉輪通過的液體流量降低一半，相應的葉輪入口流速也降低，降低了氣蝕出現的概率。

（3）選用抗氣蝕性能好的材料制造設備。使用高性能材料制造離心泵各種零件，可以提高離心泵面對氣蝕的抗性，維持離心泵的機械性能和使用壽命。目前材料工程開發出的具有高性能的材料有鎳鉻合金、不銹鋼2Cr13、稀土不銹鋼、鋁鐵青銅9-4 等。

（4）涂層工藝。為降低流體在離心泵處的傳質阻力以及提高離心泵材料的抗腐蝕能力，可以對離心泵內能夠接觸到流體的管道和零件進行涂層，例如，環氧樹脂、石油瀝青、聚氨酯等。

5 結論

上述分析可以發現，為避免離心泵出現氣蝕故障，離心泵制造企業和化工生產企業要采取以下措施。

（1）從離心泵制造角度出發，提高離心泵本身的抗氣蝕能力。

（2）從工藝角度出發，保證離心泵有效氣蝕余量和吸上真空度滿足設備指標要求。同時，現場也要加強巡檢、設備檢修、設備保養等輔助性工作，保證化工生產順利進行。