王威（中國石化海南煉油化工有限公司）

化工循環(huán)水泵汽蝕原因分析與改進(jìn)

王威（中國石化海南煉油化工有限公司）

針對循環(huán)水系統(tǒng)循環(huán)水泵長期存在的現(xiàn)場泵體噪聲高、振動(dòng)偏大、效率偏低、葉輪磨損等問題，經(jīng)過分析，設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的汽蝕是造成以上問題的主要原因。通過對葉輪進(jìn)口沖角進(jìn)行核算，采取增大葉輪入口直徑、優(yōu)化葉輪進(jìn)口沖角等方式對葉輪進(jìn)行改造，并結(jié)合改善葉輪流道光滑度的方法，提出了有效改進(jìn)葉輪汽蝕的方案。改造后實(shí)際運(yùn)行效果及拆檢情況證明，泵抗汽蝕能力明顯提高，泵體振動(dòng)值最高下降1.5 mm/s，泵效率由72%提高至80%。在葉輪材質(zhì)不變、流量不變、不增加有效汽蝕余量的基礎(chǔ)上，通過對葉輪的改造，有效提升機(jī)泵抗汽蝕能力，同時(shí)達(dá)到減振和節(jié)能提效的目的。

雙吸離心泵；振動(dòng)；效率；汽蝕；葉輪進(jìn)口沖角

某公司化工循環(huán)水系統(tǒng)循環(huán)冷水泵采用600S-75ATJ型離心泵，為全廠化工循環(huán)水系統(tǒng)提供壓力源，調(diào)節(jié)循環(huán)水系統(tǒng)壓力。該泵形式為單級(jí)雙吸軸向中開離心泵，泵體兩端支撐，吸入口和吐出口與泵殼的下半部分由灰鐵（HT250）樹脂砂鑄造，葉輪采用雙吸、閉式，選用1Cr13不銹鋼。該泵于2006年投用，一直存在噪聲大、振動(dòng)大、故障頻繁等問題，嚴(yán)重影響了工藝操作和裝置安全運(yùn)行；為此，筆者針對該泵的問題進(jìn)行了全面分析，并提出改造措施。

1 循環(huán)水泵運(yùn)行存在問題

本臺(tái)循環(huán)冷水泵具有大流量、大葉輪直徑、大功率等特點(diǎn)，其主要參數(shù)見表1。該泵在運(yùn)行過程中存在的問題如下所述。

1）多次拆檢水泵的過程中均發(fā)現(xiàn)葉輪根部有較多汽蝕孔，葉輪穿孔導(dǎo)致水泵效率長期偏低。在流量為3833 m3/h、出口調(diào)節(jié)閥開度為75%的工況下的泵運(yùn)行參數(shù)見表2。流量采用武漢天剛超聲波流量計(jì)測量，型號(hào)為WTG-100P；溫度測量采用FLUKE溫度儀測量，型號(hào)為62MAX；振動(dòng)采用Riovibro測振儀測量，型號(hào)為VM63a；電流、流量、出口壓力均采用DCS計(jì)數(shù)。

表1 泵主要參數(shù)

表2 循環(huán)冷水泵運(yùn)行參數(shù)

2）振動(dòng)偏大導(dǎo)致軸承損壞頻繁，且泵運(yùn)行時(shí)具有較大的雜音，嚴(yán)重影響了整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)安全運(yùn)行（表3）。

表3 循環(huán)冷水泵正常工況下振動(dòng)參數(shù) mm/s

2 故障原因分析

2.1 運(yùn)行情況

由表2可知，水泵目前的運(yùn)行效率低于額定效率10%以上，管道阻力、管網(wǎng)壓力、電流的增加（軸承損壞、聯(lián)軸器故障等原因造成）及水泵汽蝕等原因都會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行效率降低，故需對水泵拆檢情況做進(jìn)一步分析。

2.2 拆檢情況

拆檢過程中發(fā)現(xiàn)：水泵兩端軸承及聯(lián)軸器完好，故排除因軸承、聯(lián)軸器損壞造成的振動(dòng)偏大及運(yùn)行效率降低；循環(huán)泵葉輪在每個(gè)葉輪進(jìn)口、葉片工作面靠近葉輪前蓋板的部分均有葉片穿孔現(xiàn)象（圖1），由最初現(xiàn)場拆檢情況排除因葉輪自身鑄造原因?qū)е碌南忍煨源┛住?/p>

圖1 葉輪損壞部位

根據(jù)葉片的破壞位置結(jié)合水泵運(yùn)行的聲音、效率初步分析，水泵葉輪處發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，從而導(dǎo)致以上故障。以下筆者將從汽蝕方面著手，嘗試對葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，探索解決故障現(xiàn)象的方法。

3 汽蝕原因分析

3.1 汽蝕概念

液體在一定溫度、壓力降低至該溫度下的汽化壓力時(shí)，液體便產(chǎn)生汽泡，經(jīng)過葉輪內(nèi)高壓區(qū)時(shí)，氣泡周圍的高壓液體致使氣泡急劇地縮小以至破裂。在氣泡凝結(jié)破裂的同時(shí)，液滴質(zhì)點(diǎn)以很高的速度填充空穴，并以很高的沖擊頻率打擊金屬表面，沖擊應(yīng)力可達(dá)幾百至幾千個(gè)大氣壓，沖擊頻率可達(dá)每秒數(shù)萬次。在水泵中產(chǎn)生氣泡和氣泡破裂，過流部件遭受到損壞乃至破壞的過程稱之為水泵的汽蝕過程[1]。

影響離心泵汽蝕的主要因素：

1）流體物理特性。主要包括所輸送流體的純凈度、pH值與電解質(zhì)濃度、溶解氣體量、溫度、運(yùn)動(dòng)黏度、氣化壓力及熱心學(xué)性質(zhì)等。

2）過流部件材質(zhì)特性。選用抗汽蝕性能良好材料，如不銹鋼、合金鑄鐵和高鎳合金等具有較好強(qiáng)度和韌性的材料制造過流部件，可以減輕汽蝕對過流部件的損傷，但無法根本性解決汽蝕產(chǎn)生的原因[2]。

3）離心泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要包含葉輪結(jié)構(gòu)和泵體結(jié)構(gòu)。

3.2 汽蝕余量

受裝置設(shè)計(jì)影響，本流程設(shè)計(jì)有效汽蝕余量為8.52 m，水泵的必需汽蝕余量為7 m；經(jīng)現(xiàn)場測量水池的液面高度僅僅比水泵中心線高出0.5 m，一般情況下可采取加高水池液位以消除汽蝕影響；但是裝置設(shè)計(jì)之初水池高度已經(jīng)固定，且裝置正在運(yùn)行中，如通過整體提高水池液位消除汽蝕，成本過高，暫時(shí)無法施行。

3.3 葉輪結(jié)構(gòu)對汽蝕的影響

對泵原葉輪的葉片沖角進(jìn)行了校核計(jì)算，核算結(jié)果見表4。分析結(jié)果認(rèn)為，600S-75ATJ型泵葉片在靠前蓋板有過大的負(fù)沖角，負(fù)沖角過大可能會(huì)引起液流進(jìn)入葉片時(shí)在葉片工作面上脫流，造成汽蝕破壞。初步認(rèn)為可從離心泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減小結(jié)構(gòu)方面對汽蝕的影響。

表4 葉片進(jìn)口沖角

從葉片進(jìn)口沖角的計(jì)算可看出，負(fù)沖角偏大造成了汽蝕，致使葉片穿孔破壞。從葉輪的損壞情況及校核計(jì)算可以說明，葉輪在運(yùn)行時(shí)發(fā)生了局部汽蝕，葉輪的局部汽蝕對循環(huán)泵的運(yùn)行參數(shù)無明顯影響。泵開始汽蝕時(shí)，對泵的汽蝕特性無明顯影響，此為潛在汽蝕；待汽蝕發(fā)展到一定程度，由于葉輪和液體的能量交換受到干擾和破壞，泵的流量、揚(yáng)程、效率等曲線下降。泵汽蝕實(shí)驗(yàn)是根據(jù)特性曲線的下降程度來確定泵的臨界汽蝕余量的[3]。泵在臨界點(diǎn)產(chǎn)生明顯汽蝕，若汽蝕再嚴(yán)重泵就不能正常工作，但并不能說明泵在此以前沒有一點(diǎn)汽蝕。循環(huán)冷水泵就是因?yàn)殚L期存在局部汽蝕但沒有影響到泵的外特性，日積月累后造成葉片汽蝕破壞。

4 處理措施

4.1 葉輪改進(jìn)方法

根據(jù)上述分析，葉輪葉片損壞主要是由于局部汽蝕所致，提高葉輪抗汽蝕性能從水力設(shè)計(jì)方面來說有以下幾種方法：

1）葉輪進(jìn)口直徑。在流量恒定的情況下，葉輪進(jìn)口處液流的絕對速度和相對速度都是吸入管徑的函數(shù)；因此，對于提高離心泵的抗汽蝕特性，葉輪進(jìn)口直徑存在一個(gè)最佳值。當(dāng)葉輪進(jìn)口直徑小于此最佳值時(shí)，隨著葉輪直徑增大，進(jìn)口處流速減小，從而提高離心泵抗汽蝕能力。

2）葉片進(jìn)口邊適當(dāng)向吸入口方向延伸，可使液體提早接受葉片的作用盡早獲得能量，且能增加葉片表面積，減小葉片工作面和背面的壓差[4]。另外，葉片前伸使進(jìn)口邊所在的半徑減小，從而使圓周速度和相對速度減小，提高泵的汽蝕性能。

3）設(shè)計(jì)合理的葉片進(jìn)口安放角。葉片進(jìn)口沖角，通常都大于進(jìn)口相對液流角，即 β1＞β2，正沖角Δβ=β1-β2。沖角值通常為Δβ=3°～10°，特殊情況可到15°。采用正沖角能提高抗汽蝕性能：①增大葉片進(jìn)口角 β1，可以減小葉片彎曲，增大葉片進(jìn)口過流面積，減小葉片排擠；而這些因素都將減小圓周速度和相對速度，提高泵的抗汽蝕性能；②采用正沖角，在設(shè)計(jì)流量下，液體在葉片進(jìn)口背面產(chǎn)生脫流；因?yàn)楸趁媸侨~片間流道的低壓側(cè)，該脫流引起的漩渦不易向高壓側(cè)擴(kuò)散，所以漩渦被控制在局部，對汽蝕影響較小。反之，負(fù)沖角時(shí)液體在葉片工作面上產(chǎn)生漩渦，該漩渦易于向低壓側(cè)擴(kuò)散，對汽蝕影響較大。③泵流量增加時(shí)，β2增大，采用正沖角可以避免泵在大流量下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)負(fù)沖角。

4）為了改善過流部件表面光滑度，盡量減少因流體阻力導(dǎo)致流體能量減小而產(chǎn)生的汽蝕，在葉輪表面以及泵體過流部件表面涂抹超滑金屬涂層。該涂層能使其表面光潔度增大，可提高流體機(jī)械運(yùn)行效率和抗氣蝕能力。

4.2 葉輪改進(jìn)設(shè)計(jì)

4.2.1 第一次改進(jìn)設(shè)計(jì)

降低葉輪入口流速，將葉輪進(jìn)口直徑由351 mm加大至383 mm，減小泵體口環(huán)厚度（399 mm加大至419 mm）；葉輪轂直徑和裝配尺寸保持不變。

新葉輪（6枚葉片）安裝后經(jīng)過現(xiàn)場測試，流量為3900 m3/h。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行后拆檢發(fā)現(xiàn)，循環(huán)水泵仍然有汽蝕現(xiàn)象（圖2），泵運(yùn)行時(shí)仍有較大雜音，所以根據(jù)情況進(jìn)行了第二次改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖2 第一次改造后涂層脫落

4.2.2 第二次改進(jìn)設(shè)計(jì)

為了提高循環(huán)泵的汽蝕性能，降低葉輪入口流速（加大葉輪進(jìn)口直徑，將泵體密封環(huán)去除），葉輪進(jìn)口直徑加大至408 m；葉片數(shù)為6，改進(jìn)數(shù)據(jù)見表5。改進(jìn)葉輪安裝后經(jīng)過現(xiàn)場測試，流量為4257 m3/h。

表5 葉輪二次改進(jìn)設(shè)計(jì)的主要幾何參數(shù)

新葉輪累計(jì)運(yùn)行34 d后檢查，葉片本身完好，沒有汽蝕痕跡。根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行情況可得出，抗磨蝕能力明顯好于相同運(yùn)行時(shí)間的原葉輪。由此可見，在葉輪材質(zhì)不變，僅修改了葉輪進(jìn)口直徑，就可減小汽蝕對葉輪的影響，提高葉輪運(yùn)行壽命。

4.3 葉片進(jìn)口厚度

葉片的排擠作用使得進(jìn)口處流體速度增加而產(chǎn)生壓力損失。選擇較小的葉片進(jìn)口厚度，可以減少葉片對液流的沖擊，增大葉片進(jìn)口處的過流面積，減少葉片的排擠，從而降低葉片進(jìn)口的絕對速度和相對速度，提高泵的抗汽蝕性能。原葉輪葉片進(jìn)口厚度較大，平均厚度靠前蓋處為13 mm，新葉輪葉片進(jìn)口厚度分別為8 mm。

5 效果

本次分別對3臺(tái)泵改造前后數(shù)據(jù)進(jìn)行了測量，改造前后數(shù)據(jù)對比見表6、表7。

通過本次葉輪泵B/C/D改造前后的數(shù)據(jù)相比較后可以得出：改造后平均電流增加了6 A，泵的平均有效功率增加了89.1 kW；改造后泵的出口壓力由0.48 MPa變?yōu)?.52 MPa，泵的流量增加了300 m3/ h，出口壓力上升了0.04 MPa，泵的平均效率增加了6.38%；改造后在正常工況下機(jī)泵的振動(dòng)數(shù)據(jù)均有明顯下降。

表6 葉輪改造前后運(yùn)行數(shù)據(jù)比對

表7 葉輪改造前后振動(dòng)數(shù)據(jù)比對 mm/s

6 結(jié)論

本次葉輪經(jīng)過兩次改造，在不增加有效汽蝕余量的基礎(chǔ)上，通過將循環(huán)水泵葉輪進(jìn)口直徑由351 mm增加至408 mm、優(yōu)化葉輪進(jìn)口沖角、改善過流部件表面的光滑度等方法，達(dá)到了以下效果：在材質(zhì)、流量不變的情況下，通過改造避免誘發(fā)汽蝕，提高了葉輪本身的抗汽蝕能力，延長了葉輪的使用壽命；改造后機(jī)泵效率由72%提高至80%；改造后正常工況下泵運(yùn)行的振動(dòng)值最高下降1.5 mm/s，保證了裝置平穩(wěn)運(yùn)行。

[1]美國石油協(xié)會(huì).石油、石化和天然氣工業(yè)用離心泵：API 610—2010[S].美國石油學(xué)會(huì)，2010：37.

[2]薛敦松.石油化工廠設(shè)備檢修手冊：泵[M].2版.北京：中國石化出版社，2007：26-27.

[3]何川，郭立君.泵與風(fēng)機(jī)[M].北京：中國電力出版社，2008：94-107.

[4]陳敏恒，叢德滋，方圖南，等.化工原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：71-72.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.08.009

2017-06-01

（編輯 李發(fā)榮）

王威，2012年畢業(yè)于華東理工大學(xué)（過程裝備與控制工程專業(yè)），從事泵、風(fēng)機(jī)及特閥技術(shù)管理工作，E-mail：wangwei01. hnlh@sinopec.com，地址：海南省儋州市洋浦經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)中國石化海南煉油化工有限公司，578101。