胡華貴

（神華榆林能源化工有限公司，陜西榆林 719302）

離心泵氣蝕的產(chǎn)生及在設(shè)計(jì)操作中的措施

胡華貴

（神華榆林能源化工有限公司，陜西榆林 719302）

在單機(jī)試車和實(shí)際操作中，由于各種原因，離心泵往往會(huì)發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。為了防止氣蝕的發(fā)生，通過單機(jī)試車所出現(xiàn)的問題結(jié)合理論知識(shí)，分析在各種使用條件下泵的允許氣蝕余量、允許吸上高度分別與有效氣蝕余量和吸入管道能量損失之間的關(guān)系，利用流體力學(xué)知識(shí)闡述氣蝕產(chǎn)生的條件以及影響氣蝕產(chǎn)生的因素，以在設(shè)計(jì)過程中確定或校核泵的安裝高度，并從中提出防止氣蝕產(chǎn)生的方法和氣蝕產(chǎn)生時(shí)設(shè)計(jì)操作過程中應(yīng)對(duì)的措施。

離心泵；氣蝕；蒸氣壓；措施

Abstract：In the stand-alone test and the actual operation，due to various reasons，centrifugal pumps tend to cavitation phenomenon.In order to prevent the occurrence of cavitation，this paper analyzes the allowable cavitation margin of the pump under various conditions of use through the problems arising from the stand-alone test，and allows the suction height to be equal to the effective erosion allowance and the energy loss of the suction pipe The use of fluid mechanics to explain the conditions of cavitation and the factors that affect the formation of cavitation in the design process to determine or check the pump installation height.And from the proposed method to prevent cavitation and cavitation generated when the design process to deal with the measures.

Key words：centrifugal pump；cavitation；vapor pressure；measure

離心泵以其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、基礎(chǔ)小、可與原動(dòng)機(jī)直接相連、流量均勻、價(jià)格低廉、故障少、使用維修方便、便于管理等優(yōu)點(diǎn)，在石油化工行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。如何正確使用和維護(hù)離心泵是關(guān)系到化工廠能否正常運(yùn)行和提高其經(jīng)濟(jì)效益的一項(xiàng)重要工作。由于氣蝕是損壞離心泵及機(jī)封、軸承等主要部件的最主要的因素，所以在設(shè)計(jì)安裝和日常生產(chǎn)階段提出如何對(duì)氣蝕的防止是提高其使用壽命的最佳途徑。

1 氣蝕現(xiàn)象及危害

1.1 氣蝕現(xiàn)象

離心泵工作時(shí)，液體的壓強(qiáng)隨著從泵入口向葉輪入口而下降，從而在葉片附近形成某些低壓區(qū)。此后葉輪作功液體壓強(qiáng)又很快上升。若處于低壓區(qū)的液體壓力低于輸送條件下液體的飽和蒸氣壓，液體便開始汽化并產(chǎn)生氣泡。如果壓力繼續(xù)降低，氣泡和產(chǎn)生氣泡的區(qū)域就會(huì)逐漸增多和擴(kuò)大；同時(shí)溶解在液體中的某些氣體也會(huì)在壓力下降的情況下形成氣泡。當(dāng)這些氣泡隨液體流向高壓區(qū)時(shí)，在高壓的作用下它們會(huì)迅速凝結(jié)、破裂消失。在氣泡消失的瞬間，氣泡周圍的液體以極高的速度進(jìn)入并占據(jù)氣泡消失所形成的區(qū)域。并伴有局部高溫、高壓、水擊現(xiàn)象，表現(xiàn)為噪聲、劇烈振動(dòng)和對(duì)流道材料的侵蝕等現(xiàn)象稱為氣蝕[1]。

1.2 氣蝕危害

當(dāng)氣泡不太多、氣蝕不嚴(yán)重時(shí)，它對(duì)泵的運(yùn)行還不至于產(chǎn)生明顯的影響。但當(dāng)氣泡大量產(chǎn)生、氣蝕持續(xù)發(fā)展時(shí)，就會(huì)帶來嚴(yán)重的后果。主要有以下幾方面：

（1）產(chǎn)生震動(dòng)和噪音。氣泡潰滅時(shí)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的水擊，發(fā)出“劈劈啪啪”的聲音，并引起泵的振動(dòng)，造成泵不能正常工作[2]。

（2）對(duì)流道部件的侵蝕。葉輪局部地方在巨大沖擊力的反復(fù)作用下，材料表面疲勞，從點(diǎn)蝕到蜂窩狀或海綿狀，嚴(yán)重的表面被蝕透、穿透使葉片受到損壞。

（3）氣蝕得不到控制，機(jī)泵持續(xù)震動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)封受震動(dòng)靜環(huán)破碎，介質(zhì)外漏，在化工企業(yè)構(gòu)成嚴(yán)重的安全隱患，可能引起著火爆炸事故發(fā)生。

（4）氣蝕的震動(dòng)影響軸承的使用壽命，嚴(yán)重情況造成軸承架破損，接著軸承滾珠破損，軸承震動(dòng)增大，嚴(yán)重情況下，軸承溫度持續(xù)升高，軸承箱著火。

（5）泵性能突然下降。泵發(fā)生氣蝕時(shí)，使流體介質(zhì)連續(xù)性遭到破壞，泵的揚(yáng)程、流量、效率都會(huì)顯著下降，導(dǎo)致泵不能連續(xù)正常工作。

2 氣蝕的產(chǎn)生

2.1 允許氣蝕余量Δh與允許吸上高度HS的確定

離心泵銘牌上標(biāo)明的氣蝕余量Δh是在常溫下用清水測(cè)得的。Δh系指在額定排量下，為保證泵的正常工作，在泵的入口處液體必須具有的高于其蒸氣壓的能量，以克服泵入口處的能量損失[3]。國際上普遍稱此為需要的凈正吸上水頭，用NPSHa（Net Positive Suction Head Required）表示，泵入口處的絕對(duì)壓力與氣蝕余量Δh的關(guān)系：

式中：pr為泵入口處液體的絕對(duì)壓力，Pa；λ為所輸液體的重度，N/m；3V為泵入口處液體的平均速度，m/s；pv為所輸液體在該處的飽和蒸氣壓，Pa。

氣蝕余量主要取決于泵的結(jié)構(gòu)，與吸入管路無關(guān)，而根據(jù)離心泵生產(chǎn)廠家提供的樣本還可以發(fā)現(xiàn)，同一臺(tái)離心泵在不同的操作流量下，其氣蝕余量并不相同（見表1），同一臺(tái)離心泵流量越大氣蝕余量也越大。以上結(jié)論對(duì)不同型號(hào)離心泵同樣成立（見表2）。由于它反應(yīng)液流從泵入口到葉片處能量降低值，所以氣蝕余量越小泵吸入性能越好，越不易發(fā)生汽蝕，即抗氣蝕性能越好[4]。

表1 離心泵流量與氣蝕余量關(guān)系

表2 不同型號(hào)的離心泵流量與氣蝕余量關(guān)系

圖1 離心泵吸液示意圖

有時(shí)在泵的銘牌上也用允許吸上高度（吸入真空度）HS來表示泵的吸入性能。HS系指在額定排量下大氣壓pa為101 325Pa時(shí)，抽吸20℃清水，為保證泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)所允許的最大吸上高度。由于受到泵內(nèi)最低壓強(qiáng)無法確定，所以往往是測(cè)泵入口處的壓強(qiáng)再考慮一定的安全量，即為泵允許的最低絕對(duì)壓強(qiáng)，以p1表示。因此HS表達(dá)式為：

式中HS為離心泵的允許吸上高度，m液柱；pa為大氣壓力，Pa；p1為泵入口處允許最低絕對(duì)壓強(qiáng)，Pa；λ為被輸送液體的重度，N/m3。

HS與Δh之間的關(guān)系為：

式中pv為輸送液體的飽和蒸氣壓，Pa；V為輸送液體的速度，m/s；Δh為泵允許氣蝕余量，m。

由于實(shí)際與試驗(yàn)所輸送的介質(zhì)、使用地海拔（吸入靜液面上壓強(qiáng)）往往都不同。所以在確定、校核泵的安裝高度時(shí)就必須對(duì)允許氣蝕余量或允許吸上高度進(jìn)行換算。因?yàn)楸脷馕g余量只與泵的結(jié)構(gòu)、輸送介質(zhì)的黏度、流量有關(guān)[5]。所以對(duì)使用環(huán)境下泵氣蝕余量的換算可由“離心泵性能換算諾模圖”查出換算系數(shù)KΔh；從而得出使用環(huán)境下泵氣蝕余量：

由式（3）在試驗(yàn)條件下

使用條件下的吸上高度：

式中H′S為使用條件下泵允許吸上高度，m；P′a為使用條件泵入口靜液面上壓強(qiáng)（對(duì)于儲(chǔ)油罐可近似地取當(dāng)?shù)卮髿鈮骸?duì)于壓力容器取該壓力容器的操作壓力），Pa；P′v為使用條件下輸送介質(zhì)的飽和蒸氣壓力，Pa；λs為使用條件下輸送介質(zhì)的重度，N/m3；Δhs為使用條件下氣蝕余量（由4式換算得），m；由式（5）、式（6）可得出在泵樣本上提供的允許吸上高度換算實(shí)際使用條件下的允許吸上高度的計(jì)算公式：

式中HS為泵樣本上提供的允許吸上高度，m；V為泵樣本上允許高度對(duì)應(yīng)的流體流速，m/s；ΔKS為使用條件下氣蝕余量換算系數(shù)。

一般規(guī)定當(dāng)所輸液體的運(yùn)動(dòng)黏度大于60×10-6m2/s，采用

（7）式換算，如所輸液體運(yùn)動(dòng)黏度較小時(shí)計(jì)算仍然采用泵所給的氣蝕余量，即ΔKS=1[5]。

2.2 泵吸入管路有效氣蝕余量NPSHa與能量損失HS的確定

泵吸入系統(tǒng)給予泵的凈正吸入壓頭稱為泵系統(tǒng)有效的凈正吸入壓頭即NPSHa（Net positive Suction Head Avaiable）只與裝置系統(tǒng)有關(guān)系而與泵本身特性無關(guān)。有效氣蝕余量：

式中ΔZ為容器底部距基準(zhǔn)面與泵中心距基準(zhǔn)面的差值（相對(duì)于容器底部泵的安裝高度）m；hf為沿程摩阻，m；hj為局部摩阻，m。

圖2 泵吸入管路示意圖

由流體力學(xué)可知，泵吸入管路能量損失：

式中參數(shù)說明同上[6]；

2.3 發(fā)生氣蝕現(xiàn)象的條件

第一種：NPSHa>NPSHr（考慮一定的安全量一般情況下至少要大0.3m）；第二種：H′S>H。利用第一種或第二種關(guān)系結(jié)合上述公式就可以對(duì)泵的安裝高度進(jìn)行確定（容器底部與泵中心高差），同時(shí)還可以對(duì)已安裝的泵是否會(huì)發(fā)生氣蝕進(jìn)行校核。

3 氣蝕的應(yīng)對(duì)

按上述分析，針對(duì)在設(shè)計(jì)安裝階段防止氣蝕的發(fā)生和日常操作時(shí)的氣蝕發(fā)生，提出防止氣蝕發(fā)生的方法、措施。

3.1 在設(shè)計(jì)安裝階段對(duì)氣蝕的預(yù)防

從公式及影響各參數(shù)的條件可以得知在設(shè)計(jì)安裝階段對(duì)氣蝕預(yù)防的方法，在設(shè)計(jì)階段可從如下幾種方法來考慮。

（1）選擇抗氣蝕較強(qiáng)的泵，表現(xiàn)為氣蝕余量較小或允許吸上高度較大的泵；

（2）減小管路摩阻（增大泵入口管徑，減小泵入口管的沿程摩阻，盡量減少閥門、彎頭等部件，減小局部摩阻）；

（3）在設(shè)計(jì)計(jì)算確定泵的安裝高度時(shí)，應(yīng)考慮一定的安全余量，特別是對(duì)于烯烴、液化氣等液化烴泵，一定要考慮夏季高溫情況下的氣蝕余量，設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)該按照最差工況設(shè)計(jì)；

（4）有條件的情況下，對(duì)于罐區(qū)分別設(shè)置倒罐、抽底油泵與送料泵分離使高揚(yáng)程、大流量泵不發(fā)生氣蝕[7]；

（5）選擇采用雙吸式葉輪離心泵，選擇采用耐氣蝕的好材料；

（6）在大型高揚(yáng)程泵前設(shè)計(jì)安裝增壓前置泵；

（7）在滿足各種工藝參數(shù)的條件下，選擇低轉(zhuǎn)速或可調(diào)速電機(jī)降低泵的轉(zhuǎn)速；

（8）對(duì)于需要自啟動(dòng)的離心泵，還應(yīng)考慮在出口閥全開狀態(tài)、出口背壓為零、流量最大的工況下，離心泵不發(fā)生氣蝕；

（9）泵房盡量靠近設(shè)備布置，減少泵入口距離，降低泵吸入口磨阻；

（10）在需要自啟動(dòng)的離心泵，裝置氣蝕余量無法改變，泵氣蝕余量又無法滿足的情況下，在設(shè)計(jì)階段一定要采取其他措施，并在設(shè)計(jì)說明中敘述清楚例如：①設(shè)置壓力變送器控制自啟動(dòng)，將壓力設(shè)置在合適的范圍內(nèi)，用提高離心泵出口背壓的形式來保證氣蝕不發(fā)生；②在工藝允許的情況下，在機(jī)泵出口設(shè)置自動(dòng)控制閥門，自啟動(dòng)時(shí)關(guān)閉出口閥啟動(dòng)泵，做儀表延遲，待泵運(yùn)行正常后，緩慢開啟出口閥門，保證機(jī)泵在啟動(dòng)階段不發(fā)生氣蝕；③在工藝允許的情況下，在自啟動(dòng)泵出口設(shè)置自動(dòng)控制閥門或控制手閥，限制泵出口閥門開啟位置，保證離心泵在自啟動(dòng)時(shí)，流量在不發(fā)生氣蝕的范圍內(nèi)。

3.2 在日常操作中對(duì)氣蝕現(xiàn)象的排除

泵在運(yùn)行中，由于種種因素泵都有可能發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，當(dāng)發(fā)生氣蝕現(xiàn)象時(shí)，必須采取措施來減輕或避免氣蝕的再次發(fā)生對(duì)泵帶來的危害。

（1）對(duì)經(jīng)常發(fā)生氣蝕或氣蝕嚴(yán)重的泵可以通過技術(shù)改造來完成防止氣蝕的再次發(fā)生，在改造過程中根據(jù)實(shí)際的情況可以考慮如下幾種方法：①適當(dāng)降低泵的安裝高度；②減少吸入管路壓力損失（減少吸入管路彎頭、閥門、管路盡量短而直、加大吸入口管道直徑）；③不影響工藝的情況下增大輸送液面上的靜壓力；④允許的情況下，在泵入口前加冷卻器降低輸送流體的溫度，增大流體飽和蒸氣壓；⑤在電機(jī)上加裝變頻器，在滿足生產(chǎn)需要的前提下，降低轉(zhuǎn)速，減輕氣蝕；⑥排查管路是否存在上袋（上彎）情況，如果有上袋，管道內(nèi)氣體無法排凈，離心泵也會(huì)發(fā)生氣蝕，整改管路，消除上袋（上彎）。⑦選擇其他型式的泵，如高速泵、桶袋泵等。

（2）在單機(jī)試車和日常操作時(shí)候發(fā)生氣蝕可由以下幾種操作來消除：①判斷入口閥門是否全部開到位，確保入口閥門處在全開狀態(tài)，減少局部摩阻；②在試車之前，必須充分保證管道、閥門、容器無雜物，清理、沖洗干凈；③更換過濾網(wǎng)，在工藝條件允許的情況下，減小過濾網(wǎng)的目數(shù)，降低局部摩阻；④如電機(jī)為調(diào)速電機(jī)時(shí)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，滿足生產(chǎn)的前提下降低泵轉(zhuǎn)速；⑤升高吸入管路的靜液面高度，提高泵入口的壓頭；⑥在滿足生產(chǎn)的前提下適當(dāng)關(guān)小出口閥門，降低泵的流量減輕氣蝕；⑦如果是因?yàn)榘闊崆闆r引起的介質(zhì)溫度高，導(dǎo)致的氣蝕，可以選擇其他形式的伴熱方式，如熱水、電伴熱等，在保證不發(fā)生凍凝的情況下盡量降低伴熱引起的溫升。

3.3 其他一些方法

（1）對(duì)于液化烴、汽油、拔頭油等蒸汽壓較低的液體，在設(shè)計(jì)階段可以考慮在泵入口管道、儲(chǔ)罐上增設(shè)隔熱、保冷措施，防止夏季高溫，引起介質(zhì)溫度升高較大引起離心泵氣蝕；

（2）在設(shè)計(jì)階段對(duì)不同的介質(zhì)，考慮不同的伴熱措施，在工藝允許的情況下，在不發(fā)生凍凝的情況下，盡量選擇溫度較低的伴熱介質(zhì)；

（3）加強(qiáng)設(shè)備及管線的維護(hù)，定時(shí)清掃管線、設(shè)備，特別是對(duì)輸送易結(jié)蠟、結(jié)膠、黏度大的流體，減小由于結(jié)蠟、結(jié)膠等因素增加的入口管道摩阻；

（4）定期清理過濾器，保證過濾器清潔；

（5）對(duì)泵注意維修過流部件，及時(shí)修復(fù)受損部件；

（6）對(duì)輸送含固、含渣等介質(zhì)的離心泵，必須定期檢查口環(huán)的磨蝕情況，避免由于口環(huán)磨蝕，增加泵內(nèi)回流，導(dǎo)致氣蝕情況發(fā)生；

（7）適當(dāng)提高泵入口液位，對(duì)于儲(chǔ)油罐適時(shí)地切換儲(chǔ)罐，確保泵入口具有一定高度的液位。

4 結(jié)論

1）在單機(jī)試車過程中往往是由于罐內(nèi)液位過低、過濾器目數(shù)過大、出口閥門開度較大、入口閥門開度較小等原因?qū)е卤脷馕g的產(chǎn)生；通過上述分析，采取相應(yīng)的措施和方法就可以避免在單機(jī)試車時(shí)氣蝕的發(fā)生；

2）在設(shè)計(jì)安裝階段及日常操作階段提出對(duì)氣蝕防止的方法和措施，并由此可得出在某公司的油品儲(chǔ)運(yùn)所管轄的單元中，離心泵較容易產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象的分別是：烴類罐區(qū)、高溫污油罐區(qū)、輕污油罐區(qū)、液氨罐區(qū)等這幾個(gè)單元，對(duì)這幾個(gè)單元應(yīng)重點(diǎn)加以關(guān)注。

3）利用上述分析的過程和結(jié)果還可對(duì)今后離心泵的安裝、設(shè)計(jì)提供依據(jù)；對(duì)已安裝的離心泵是否會(huì)產(chǎn)生氣蝕進(jìn)行校核，為今后泵的檢修、更換和安裝提供思路和方法。

[1] 天津大學(xué)化工原理教研室.化工原理 上冊(cè)[M].天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1987.

[2] 閆宏偉，黃小君.離心泵氣蝕的預(yù)防[J].聚酯工業(yè)，2004，17（2）：56-58.

[3] 張足斌，張國忠.含蠟原油管道流動(dòng)的觸變性研究[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，（4）：72-74.

[4] 姚玉瑞，張淑芳.液化烴泵安裝高度的探討[J].石油化工設(shè)計(jì)，2002，19（4）：53-55.

[5] 郭光臣，董文蘭.利用微機(jī)進(jìn)行油罐加熱保溫設(shè)計(jì)計(jì)算[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1989，（2）：62-69.

[6] 袁恩熙.工程流體力學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1986.

[7] 張黎華.在設(shè)計(jì)階段中解決離心泵氣蝕問題的可行性探析[J].石油化工設(shè)計(jì)，2005，（1）：34-36.

Centrifugal Pump Cavitation is Generated with the Measures in the Design Operation

Hu Hua-gui

TH311

B

1003–6490（2017）09–0086–03

2017–06–27

胡華貴（1983—），男，江西上饒人，工程師，主要從事化工水處理及儲(chǔ)運(yùn)工作。