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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(chǎng)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(jiàn)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(guò)“吸入口補(bǔ)氣”的方法來(lái)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(guò)程中較常見(jiàn)的問(wèn)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(jiàn)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(guò)“吸入口補(bǔ)氣”的方法來(lái)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(wèn)題的理念、方法比較獨(dú)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(lái)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(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(guò)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。

1.2 間隙汽蝕

是指當(dāng)液體流經(jīng)狹小通道或間隙時(shí),引起過(guò)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(jiàn)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(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(jiàn)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(guò)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(guò)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。

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(méi)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。

1.5 回流汽蝕

通常來(lái)說(shuō),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。

回流汽蝕一般可以通過(guò)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(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)。

02-汽蝕的危害


2.1 性能下降、管路損壞

汽蝕會(huì)導(dǎo)致泵的性能明顯降低。通常對(duì)于離心泵來(lái)說(shuō),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(jiàn)圖3)。


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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(jiàn)過(guò)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。

2.2 嚴(yán)重?fù)p傷泵的過(guò)流部件

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)。

2.3 產(chǎn)生振動(dòng)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(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(guò)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。

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(jì)


  • 通過(guò)對(duì)葉輪的修磨,增大過(guò)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(jì)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(dòng)損失。但正沖角不宜過(guò)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(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)。

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(shí),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(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(guò)濾器過(guò)濾面積(如有)以降低管路中的流速,減少?gòu)澒芎烷y門數(shù)量,盡量加大閥門開(kāi)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(lái)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(guò)汽蝕噪聲來(lái)判別:通過(guò)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(méi)有發(fā)生性能異常為止,然后將針閥的開(kāi)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。


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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(shí),泵的汽蝕性能會(huì)下降。常近時(shí)教授對(duì)自來(lái)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。

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(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(guò)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(直徑偏小)管阻較大,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(kāi)孔,加裝一個(gè)球閥,通過(guò)球閥向吸入口補(bǔ)充空氣。開(kāi)始客戶不同意,經(jīng)過(guò)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(méi)有進(jìn)行過(guò)解體維修。

該案例表明:可以通過(guò)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(lái)解決汽蝕問(wèn)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(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(tīng)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)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)。

05-特別說(shuō)明


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。

【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(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



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