離心泵汽蝕現象分析及防汽蝕技術研究

2023-01-15 13:01:46蔣昕

中國設備工程 2023年1期

蔣昕

（利歐集團浙江泵業有限公司，浙江臺州 317500）

在原油的冶煉、各類液體的提取加工過程中，離心泵都有著非常廣泛的應用。作為一種常見的傳動機械運輸裝置，對其定期維護和保養，有助于延長離心泵的壽命及使用可靠性。但是，在實際使用過程中，汽蝕現象作為一種常見的安全問題，頻繁存在于液體原油離心泵的運行過程中，對其日常維護、維修管理等帶來不必要的麻煩。對此，有效地防止離心泵的汽蝕，不僅能夠使裝置運行得更穩定，而且能夠延長離心泵的使用壽命。

1 汽蝕理論

在離心泵運行過程中，通過葉輪傳輸臂之間的葉片在離心力的作用下會做出一定的徑向運行，同時會做出相應的圓周運動。當泵內的流體從葉輪位置轉向泵殼時，在葉輪的中心位置會形成一個低壓區，此時，入口處閥門的液體會在大氣壓的推動下經過吸入管吸入泵體中，只要葉輪持續工作，那么液體就會不斷地被吸入管吸收后排出，從而達到液體運輸的目的。在工作過程中，離心泵會產生振動與噪聲，從而導致揚程、流量和工作效率的下降，在進行檢修時，我們通?？梢园l現葉片的進口位置出現明顯的損壞或出現麻點，這些均是由汽蝕現象造成的，如圖1為汽蝕現象的形成原理圖。

圖1 汽蝕現象形成原理圖

圖1顯示的是汽蝕在流動區會形成一個低壓的溢流區，在離心泵入口流出的氣體沒有充分獲取葉輪內部的定量流動能量，因此，此時葉輪并沒有將外界的熱量直接導入。同時，葉輪的壓力密度低于規定液體的氣化溢流，這時葉輪就會不斷地產生汽蝕閥和空化閥的現象。氣泡的氣化過程最終結果是會產生很多液體氣泡，當這些氣泡蒸汽進入低溫及高壓區的時候將會迅速破裂，周

圍的氣泡也會迅速地填充到原來氣泡的空穴中，從而產生一種巨大的冷凝液體沖擊力。當液體重新凝結后會形成汽沫液體，汽泡也會由此消失，在汽泡的破裂過程中，會出現極小的一部分汽泡是以附著在導流器組件上的形態，出現破裂后凝結形成汽泡液體，這部分汽泡液體就會像無數圓柱形的錘子擊打金屬表面，進一步對金屬表面造成較為嚴重的汽蝕。

2 汽蝕參數

在汽蝕過程中，離心泵中的壓力一般集中于葉輪進口附近的K點附近，發生汽蝕的標志為PK＜PV，因此，汽蝕形成的一個充分必要條件是PK=PV，所以按照這個理論，要避免發生汽蝕現場就要滿足PK＞PV。由于在實際生產過程中K點很難監測，因此，在實際生產中通常通過控制離心泵的吸入界面S-S的壓強以防止發生汽蝕現象的發生。另外，壓強與離心泵自身的結構有關同時還與吸入裝置息息相關，具體的汽蝕參數表現為必須汽蝕余量及有效汽蝕余量NPSHa，其中有效汽蝕余量NPSHa是指液體在經過吸入管路到達泵入口時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有關，與離心泵的組成結構無關。

圖2 離心泵的吸入裝置

圖3 離心泵的汽蝕性能曲線

3 離心泵汽蝕產生的原因

介質的狀態在不同工況下是可以相互轉化的，氣態可以轉變為液態，液態也可以在一定條件下轉化為汽態，在一定的壓力溫度下，液體的分子可以轉變為氣體分子，此過程在物理學上稱為汽化。產生這一物理現象的原因很多，最主要的有以下4點：第一，離心泵的進口系統中的液體被加溫，導致離心泵的入口溫度上升；第二，離心泵中的流量過低，造成離心泵體內液體的升溫不正常，液體從泵體的葉輪中獲取能量，從而引起液體的汽化；第三，大流量的進入導致葉輪的進口速度急劇增加，引起離心泵的進口到葉輪及進口管路中的壓力增大；第四，離心泵系統的變化導致壓力減小或進口管路堵塞。

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

在出現汽蝕后，離心泵葉輪內的交介質能量交換會受到干擾，此時，離心泵的流量-揚程曲線、流量-軸功率曲線及流量-效率曲線會出現明顯的下降，導致過流器件損壞，從葉片的入口位置蔓延到葉片的出口位置，從最開始的麻點、蜂窩狀的溝槽形狀到最后的葉輪穿孔甚至破裂；并且，此時的離心泵會產生一定程度的內部噪音及氣泡振動潰滅引起的噪音，在嚴重的時候甚至能聽到類似鞭炮的響聲，離心泵機組的進一步振動會加劇更多的氣泡潰滅，在相互作用下會發生汽蝕共振現象。另外，離心泵汽蝕會造成其性能的下降，導致流體傳遞過程中能量轉換受到干擾，在嚴重的時候甚至會直接中斷離心泵的工作導致設備停機。

5 離心泵防汽蝕技術的應用

5.1 提高離心泵的自身抗汽蝕性能

在設計過程中，應合理優化改善葉輪的幾何形態和整體結構。離心泵葉片齒輪的幾何結構對于離心泵的對抗防御運動具有重要作用，在設計階段合理優化葉片齒輪的幾何結構能有效地抵抗防御影響，在對其幾何結構改變后能從根本上解決汽蝕導致的設備老化等問題，主要的設計改造方向包括：第一，通過對離心泵葉輪的前驅動進口蓋板半徑以及進口曲率進行調整，對齒輪驅動進行延伸法改進以達到邊緣延伸的目的，進一步提高葉輪的硬化侵蝕度；第二，可以通過設計優化葉輪葉片蓋板中的內腔壁厚提升抗汽蝕；第三，設計初始通過優化葉輪的進口驅動蓋板位置的內徑達到減少汽蝕的概率；第四，設計選用材料時，采用防蝕材料及抗壓材料，能達到既有效防止汽蝕延長離心泵壽命又能達到抗壓的效果，離心泵本體采用的材料其化學、物理性質越穩定則說明抗壓和防汽蝕的保護性能效果越好。

5.2 優化離心泵安裝、使用和運行參數

（1）在運行過程中，對離心泵的轉速進行調整可以一定程度上避免離心泵后期發生汽蝕的概率。

（2）可以通過在吸入管路的設計初期減少管道附件數量，增大吸入管道管徑以及降低吸入管道內的水力流速等方法達到降低離心泵管道阻力的目的。

（3）在使用的過程中，要加強對離心泵的運維管理，在操作上要多加注意對離心泵的規范操作，避免由于人為因素的操作不當引起的離心泵汽蝕問題；在操作過程中要確保離心泵是在可靠的區間內運行的，在離心泵的流量較大時容易誘發汽蝕現象，因此，在使用過程中要定期進行設備流量的檢測，同時離心泵的啟停時間不能過長。在進行離心泵的啟動動作中，為了降低啟動電流，一般情況會關閉出口閥門的啟動模型，但是如果出口閥門關閉時間較長，會導致機械熱量損失，使得離心泵內傳輸的液體溫度上升從而誘發汽蝕，對此應避免離心泵在運行過程中轉速過高。