間隙汽蝕對高壓多級離心泵的影響分析

成 科，岳維亮，胡四兵，杜振明，王振偉

（1.中國石油化工股份有限公司 洛陽分公司，河南洛陽 471012；2.大連利歐華能泵業有限公司，遼寧大連 116000；3.合肥通用機械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

高壓多級離心泵葉輪級數多、進出口壓差大、轉速高于或等于2極轉速，裝置對該類泵都有著長周期穩定運行要求，對可靠性和穩定性要求極高［1］。因此，高壓多級離心泵摩擦副間隙要求嚴格，而間隙汽蝕現象在高壓多級離心泵應用中，極容易造成間隙的破壞，對設備長周期穩定運行有著重要的影響。

1 高壓多級離心泵汽蝕現象

化工裝置中眾多高壓多級離心泵的應用維修，經常存在臥式多級離心泵摩擦副嚴重磨損，平衡機構汽蝕剝蝕的現象。圖1（a）所示為節流軸套（該軸套應用于前后壓降1 025 m，介質溫度為380 ℃的渣油透平工況）汽蝕破壞，可以看到軸套表面產生了嚴重的剝離現象。圖1（b）所示為高壓鍋爐給水泵（總揚程1 315 m，單級揚程187.9 m）平衡盤前軸套產生壓降過程中產生的汽蝕氣孔；圖1（c）為其導葉部位汽蝕產生的破壞；圖1（d）為其葉輪前口環汽蝕產生的氣孔，該泵首級葉輪未發生汽蝕現象，說明入口壓力大于介質汽化壓力。圖1（e）為高壓鍋爐給水泵（總揚程1 860 m，單級揚程186 m）第7級中段（與導葉反導葉片貼合面）汽蝕產生的嚴重破壞。

圖1 常見汽蝕腐蝕Fig.1 Common cavitation damage

在眾多高壓多級離心泵入口壓力接近介質汽化壓力工況下，泵拆解后普遍存在以上現象。泵現場運行時軸系振動大，直接體現在軸承箱體部位振動相比出廠測試振動值加大（或存在高于水聯運時振動），由于多級泵平衡機構普遍靠近非驅動側，非驅動側振動普遍大于驅動側，非驅動側密封使用壽命明顯低于驅動側；一些化工裝置部分多級離心泵振動監測頻譜顯現為高頻振動，并且振動頻率范圍較寬無明顯規律；帶有軸振動監測的可以明顯看出軸運行軌跡不同心，如圖2所示。渣油加氫液力透平軸系振動監測6個月軸振動變化，同側軸振動值差值最大超過12 μm，軸心軌跡明顯紊亂，拆機后軸套出現圖1（a）間隙汽蝕破壞現象。

圖2 渣油加氫液力透平軸系振動監測運行6個月軸振動變化Fig.2 Shaft vibration of residue hydrotreating hydraulic turbine for 6 months

2 間隙汽蝕過程分析

高壓多級離心泵出口壓力較高，如圖3所示，L為間隙長度，h為徑向單邊間隙，D為環形間隙直徑，P1為高壓側壓力，P2為低壓側壓力。平衡機構節流間隙非常小，平衡鼓結構一般單側間隙為h=0.1～0.2 mm左右，平衡盤軸向間隙一般在 0.2～0.3 mm 之間［2］，節流高低壓差 P1-P2可達10～35 MPa。介質從高壓側進入間隙后，在壓差的作用下產生軸向速度，同時由于介質的黏性作用，轉子部件高速旋轉帶動介質產生圓周運動，且隨流動介質速度不斷增大，介質壓力不斷降低，直到降到溫度所對應的飽和壓力時，介質無法保持液體狀態，要發生由液相到氣相的相變，介質發生汽蝕流動現象［3］。

圖3 環形間隙示意Fig.3 Schematic diagram of annular clearance

圖4示出了間隙內介質的流動狀態，當介質壓力未降到溫度所對應的飽和壓力時，流動以單相液體的形式；當氣液相間的壓力差滿足汽泡產生所需的力學條件時，初期開始產生較少汽泡，溶解在介質中的氣體由于擴散而進入汽泡中，將助長汽泡的成長，且隨著壓力持續降低，汽泡的份額逐漸增加［4］。一部分汽泡在軸套的表面形成空穴，液體高速填充空穴，發生互相撞擊而形成水擊，使節流軸套壁面受到沖蝕破壞，即發生了固定汽蝕。圖1（a）～（c）所示各摩擦副間隙表面的汽蝕現象基本上與上述分析相符。

圖4 間隙內介質流動狀態Fig.4 Medium flow state in the clearance

為了更加清晰地了解汽蝕過程，采用了某多級離心泵平衡鼓結構，以不同葉輪級數的壓差條件下CFD流體仿真進行數值模擬，對間隙汽蝕現象進行可視化分析［5］。

2.1 計算模型與邊界條件

多級離心泵節流間隙模型為環形縫隙，直徑為180 mm，長度為150 mm，單邊間隙為0.2 mm。采用網格劃分軟件對間隙模型進行網格劃分，最終生成網格數為2 443 500個，節點數為2 697 805個，如圖9所示。采用有限體積法對控制方程進行離散，對流相使用二階迎風格式離散，擴散項選用中心差分格式［6］。計算域的進口定義壓力分別設定為 2.5，5.0，10.0，15.0 和 20.0 MPa，出口處壓力為常壓。壁面條件采用無滑移固壁條件，并使用標準壁面函數法確定固體附近流動。

圖5 節流間隙CFD模型Fig.5 CFD model of the throttling clearance

流體介質為100 ℃水，先對流場進行穩態計算，得到流場的結果作為氣液兩相計算的初始條件。

2.2 CFD仿真分析

節流間隙內汽泡體積分數分布如圖6所示。由圖可知，隨著間隙兩側壓差的增加，間隙內汽蝕區域范圍逐漸擴大；間隙壓差在5 MPa以下，產生汽蝕區間較小；超過10 MPa以后，間隙內汽泡占據較大空間，并且在間隙內存在一定軸向長度的氣液兩相流流動距離。這也就可以解釋實際運行時，軸高速旋轉過程中造成一定的汽泡潰滅，導致摩擦副表面的沖蝕。

圖6 不同間隙壓差時汽泡體積分數Fig.6 Bubble volume fraction under the diffierent clearance pressure

3 間隙汽蝕對泵部件的影響分析

3.1 對泵汽蝕的影響以及對流道內部蝸殼破壞

對于前后壓差超過10 MPa的平衡機構，低壓側充滿了大量的氣液兩相流（或氣液固三相流），過流面積沒有發生變化，但是汽化后的氣液兩相流體積會增大很多，這時流體就具備流速高的特點。氣液兩相流體通過平衡管高速進入泵吸水室內，此時雖然壓力大于汽化壓力，但是汽泡的潰滅需要一定時間，因流速快，汽泡尚未破滅就已經隨著流體進入到多級泵后幾級的流道內，隨著壓力逐級增加，汽蝕的汽泡在導葉里流速相對低的部位潰滅，即發生游離狀態的非規律性汽蝕狀態，在金屬表面呈現蜂巢狀［7-15］。此即為泵入口壓力大于介質汽化壓力，卻存在非首級葉輪汽蝕的現象，并且汽蝕發生在多級泵的中間或靠后的流道內的原因，如圖1（c）所示的導葉汽蝕現象；壓力越高或者更容易汽化的介質工況汽蝕會分布在多級泵多個流道內，嚴重的會對導葉和中段產生嚴重的沖蝕，如圖1（d）。如果介質中含有固體顆粒，在氣體析出的過程中會夾雜固體顆粒，此時對間隙的影響會加大，存在著沖蝕與磨蝕，如圖1（a）所示。這種在氣液固或固液兩相流工況極為明顯，煤化工裝置中濕法脫硫的硫單質、煤氣化裝置的高溫灰水內的灰渣、渣油加氫液力透平的出口側析出未液化的油渣等固體顆粒等對摩擦副的影響就極為明顯。此即為很多該類現場頻譜監測出現高頻、寬范圍、無規律振動現象的原因。

3.2 對轉子軸系徑向穩定性的破壞

對整個軸系摩擦副進行分析，因臥式節段導葉式多級離心泵轉子撓度的存在，導致動、靜摩擦副圓周方向間隙不均勻，而設計過程中要保證撓度最低位置有一定間隙，以保證轉動過程中不會接觸。然而，在工作過程中，摩擦副圓周方向間隙不同，導致泄漏量以及產生的壓降不同，造成局部壓降氣體析出量高，析出的氣體會隨著高速旋轉，導致汽泡在小間隙位置高壓潰滅，對轉子徑向產生沖擊，而這就造成了轉子軸心軌跡的不同心，如圖2所示，在設備運行初期，摩擦副間隙尚未破壞時，振動偏小，隨著沖蝕的累積，逐漸破壞了原有的小間隙對轉子的約束能力，導致振動加大，尤其是摩擦副材料選擇不正確或表面硬化不合理的時候，這種影響極為嚴重，如圖1（a）～（c）所示。

間隙汽蝕造成摩擦副破壞，嚴重降低了泵效率，對轉子徑向產生高頻沖擊，對高壓多級離心泵運行穩定性產生很大影響。同時，尤其是平衡機構的低壓端大量氣體析出造成的轉子軸向沖擊較大，嚴重時會對連接零件造成嚴重沖蝕，而且，極易造成臨近的機械密封的高頻壓力波動，降低了密封的使用壽命。

4 解決方案

針對以上問題，可以通過特殊結構設計與合理的摩擦副表面硬化處理方案來降低或改善間隙汽蝕對摩擦副造成的影響。

結構設計過程中，使摩擦副動靜環圓周間隙均勻以及摩擦副表面結構特殊設計（例如反螺旋槽結構）有利于改善間隙汽蝕或降低間隙汽蝕對摩擦副的破壞。摩擦副表面噴涂或者鍍鉻雖可以提高表面硬度，但是間隙汽蝕造成的高頻沖擊，極易使噴涂層與鍍鉻層脫落；馬氏體鋼采用淬火的方式，奧氏體不銹鋼或者雙相鋼宜采用堆焊硬化層的方式提高表面硬度。

除了材料與結構設計細節上的關注，針對高壓多級離心泵間隙汽蝕從根本上的解決方案是降低間隙前后壓差，尤其是平衡機構前后壓差，同時提高摩擦副動靜環的同心度，則可以從本質上提高使用壽命，針對不同工況特點，可不同選擇。

4.1 介質易汽化帶有固體顆粒的高壓工況

因降壓過程極容易產生氣液固三相流，對摩擦副的破壞增大，極不利于長周期穩定運行。進出口壓力差超過5 MPa時，不宜采用節段導葉式非自平衡結構多級泵，適合采用自平衡結構多級泵，這樣可以減少平衡結構的壓降是揚程的50%，很大程度降低間隙汽蝕產生的氣液固三相流造成的沖蝕和磨蝕。

4.2 介質易汽化不含固體顆粒的高壓工況

當介質易汽化（入口壓力與汽化壓力相差很小）不存在磨蝕時可分以下幾種情況進行分析。

（1）進出口最高壓差低于10 MPa的臥式多級泵，平衡管最小過流面積不小于間隙面積5～6倍時［16］，可以采用節段式導葉非自平衡多級離心泵；進出口最高壓差10～15 MPa的臥式多級泵，宜采用自平衡多級離心泵，從而可以減少平衡機構約50%的間隙汽泡量，結構上基本具備長周期使用需求，如一定要采用非自平衡多級離心泵，則建議平衡管不與泵入口直接相連，而是與泵入口連接的吸入儲罐頂部連接（注意安全操作上要相應進行完善），這樣可避免平衡機構間隙汽蝕出的氣體影響泵的運行穩定性。

（2）進出口最高壓差15～20 MPa的臥式多級離心泵，最好采用自平衡多級離心泵，如果采用非升速泵型，則適合采用雙殼體內芯水平剖分自平衡多級離心泵，可以做到摩擦副動靜同心，維修便利，可實現快速維修，如果采用齒輪箱或變頻電機升速泵，可在泵設計干態剛性軸的前提下，選用非自平衡節段臥式多級離心泵（平衡管與吸入罐連接）。從長周期穩定運行角度，自平衡多級泵要優于非自平衡多級泵，從長周期穩定運行與便于維護角度，內芯水平剖分自平衡多級泵要優于節段式自平衡多級泵。

（3）進出口最高壓差超過20 MPa的臥式多級離心泵，無論升速與否，均適宜采用內芯水平剖分自平衡結構多級離心泵。同時無論哪種結構，都要加大平衡管過流面積，以減少平衡腔低壓側積氣，降低壓力波動對軸向穩定性的影響。

根據以上解決方案方法，對中石化某公司渣油加氫液力透平原進口透平設備進行了重新研制替換，更換后的軸系運行振動監測如圖7所示，運行6個月，軸系振動初期振動最大20 μm，經過短期的磨合后，振動逐漸變小，不超過15 μm，兩側軸振動保持穩定，同側軸振動一直保持偏差最大值不超過2 μm，兩側振動偏差最大不超過5 μm，軸系振動軌跡明顯驅動側與非驅動側趨于同心，運行效果得到明顯改善。

圖7 更換設備后軸系運行振動情況Fig.7 Operation vibration of shafting after equipment replacement

5 結論

（1）間隙汽蝕會造成摩擦副的破壞，一些苛刻工況會造成內部流道的汽蝕，對泵運行穩定性造成嚴重破壞。

（2）數值模擬結果表明，壓差超過10 MPa時間隙汽蝕影響比較明顯，這與大量泵的檢維修結果相匹配。因此，對進出口壓差超過10 MPa的高壓多級離心泵，采用自平衡型多級離心泵可以減小平衡機構壓差，降低間隙汽蝕氣體析出量；采用內芯水平剖分自平衡多級離心泵可以從本質上提高高壓多級離心泵的長周期運行穩定性。