成 科，岳維亮，胡四兵，杜振明，王振偉

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

0 引言

高壓多級(jí)離心泵葉輪級(jí)數(shù)多、進(jìn)出口壓差大、轉(zhuǎn)速高于或等于2極轉(zhuǎn)速，裝置對(duì)該類泵都有著長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行要求，對(duì)可靠性和穩(wěn)定性要求極高［1］。因此，高壓多級(jí)離心泵摩擦副間隙要求嚴(yán)格，而間隙汽蝕現(xiàn)象在高壓多級(jí)離心泵應(yīng)用中，極容易造成間隙的破壞，對(duì)設(shè)備長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的影響。

1 高壓多級(jí)離心泵汽蝕現(xiàn)象

化工裝置中眾多高壓多級(jí)離心泵的應(yīng)用維修，經(jīng)常存在臥式多級(jí)離心泵摩擦副嚴(yán)重磨損，平衡機(jī)構(gòu)汽蝕剝蝕的現(xiàn)象。圖1（a）所示為節(jié)流軸套（該軸套應(yīng)用于前后壓降1 025 m，介質(zhì)溫度為380 ℃的渣油透平工況）汽蝕破壞，可以看到軸套表面產(chǎn)生了嚴(yán)重的剝離現(xiàn)象。圖1（b）所示為高壓鍋爐給水泵（總揚(yáng)程1 315 m，單級(jí)揚(yáng)程187.9 m）平衡盤前軸套產(chǎn)生壓降過(guò)程中產(chǎn)生的汽蝕氣孔；圖1（c）為其導(dǎo)葉部位汽蝕產(chǎn)生的破壞；圖1（d）為其葉輪前口環(huán)汽蝕產(chǎn)生的氣孔，該泵首級(jí)葉輪未發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，說(shuō)明入口壓力大于介質(zhì)汽化壓力。圖1（e）為高壓鍋爐給水泵（總揚(yáng)程1 860 m，單級(jí)揚(yáng)程186 m）第7級(jí)中段（與導(dǎo)葉反導(dǎo)葉片貼合面）汽蝕產(chǎn)生的嚴(yán)重破壞。

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

在眾多高壓多級(jí)離心泵入口壓力接近介質(zhì)汽化壓力工況下，泵拆解后普遍存在以上現(xiàn)象。泵現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)軸系振動(dòng)大，直接體現(xiàn)在軸承箱體部位振動(dòng)相比出廠測(cè)試振動(dòng)值加大（或存在高于水聯(lián)運(yùn)時(shí)振動(dòng)），由于多級(jí)泵平衡機(jī)構(gòu)普遍靠近非驅(qū)動(dòng)側(cè)，非驅(qū)動(dòng)側(cè)振動(dòng)普遍大于驅(qū)動(dòng)側(cè)，非驅(qū)動(dòng)側(cè)密封使用壽命明顯低于驅(qū)動(dòng)側(cè)；一些化工裝置部分多級(jí)離心泵振動(dòng)監(jiān)測(cè)頻譜顯現(xiàn)為高頻振動(dòng)，并且振動(dòng)頻率范圍較寬無(wú)明顯規(guī)律；帶有軸振動(dòng)監(jiān)測(cè)的可以明顯看出軸運(yùn)行軌跡不同心，如圖2所示。渣油加氫液力透平軸系振動(dòng)監(jiān)測(cè)6個(gè)月軸振動(dòng)變化，同側(cè)軸振動(dòng)值差值最大超過(guò)12 μm，軸心軌跡明顯紊亂，拆機(jī)后軸套出現(xiàn)圖1（a）間隙汽蝕破壞現(xiàn)象。

圖2 渣油加氫液力透平軸系振動(dòng)監(jiān)測(cè)運(yùn)行6個(gè)月軸振動(dòng)變化Fig.2 Shaft vibration of residue hydrotreating hydraulic turbine for 6 months

2 間隙汽蝕過(guò)程分析

高壓多級(jí)離心泵出口壓力較高，如圖3所示，L為間隙長(zhǎng)度，h為徑向單邊間隙，D為環(huán)形間隙直徑，P1為高壓側(cè)壓力，P2為低壓側(cè)壓力。平衡機(jī)構(gòu)節(jié)流間隙非常小，平衡鼓結(jié)構(gòu)一般單側(cè)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(jié)流高低壓差 P1-P2可達(dá)10～35 MPa。介質(zhì)從高壓側(cè)進(jìn)入間隙后，在壓差的作用下產(chǎn)生軸向速度，同時(shí)由于介質(zhì)的黏性作用，轉(zhuǎn)子部件高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)介質(zhì)產(chǎn)生圓周運(yùn)動(dòng)，且隨流動(dòng)介質(zhì)速度不斷增大，介質(zhì)壓力不斷降低，直到降到溫度所對(duì)應(yīng)的飽和壓力時(shí)，介質(zhì)無(wú)法保持液體狀態(tài)，要發(fā)生由液相到氣相的相變，介質(zhì)發(fā)生汽蝕流動(dòng)現(xiàn)象［3］。

圖3 環(huán)形間隙示意Fig.3 Schematic diagram of annular clearance

圖4示出了間隙內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)介質(zhì)壓力未降到溫度所對(duì)應(yīng)的飽和壓力時(shí)，流動(dòng)以單相液體的形式；當(dāng)氣液相間的壓力差滿足汽泡產(chǎn)生所需的力學(xué)條件時(shí)，初期開始產(chǎn)生較少汽泡，溶解在介質(zhì)中的氣體由于擴(kuò)散而進(jìn)入汽泡中，將助長(zhǎng)汽泡的成長(zhǎng)，且隨著壓力持續(xù)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(fā)生互相撞擊而形成水擊，使節(jié)流軸套壁面受到?jīng)_蝕破壞，即發(fā)生了固定汽蝕。圖1（a）～（c）所示各摩擦副間隙表面的汽蝕現(xiàn)象基本上與上述分析相符。

圖4 間隙內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)Fig.4 Medium flow state in the clearance

為了更加清晰地了解汽蝕過(guò)程，采用了某多級(jí)離心泵平衡鼓結(jié)構(gòu)，以不同葉輪級(jí)數(shù)的壓差條件下CFD流體仿真進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)間隙汽蝕現(xiàn)象進(jìn)行可視化分析［5］。

2.1 計(jì)算模型與邊界條件

多級(jí)離心泵節(jié)流間隙模型為環(huán)形縫隙，直徑為180 mm，長(zhǎng)度為150 mm，單邊間隙為0.2 mm。采用網(wǎng)格劃分軟件對(duì)間隙模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終生成網(wǎng)格數(shù)為2 443 500個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 697 805個(gè)，如圖9所示。采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，對(duì)流相使用二階迎風(fēng)格式離散，擴(kuò)散項(xiàng)選用中心差分格式［6］。計(jì)算域的進(jìn)口定義壓力分別設(shè)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(wú)滑移固壁條件，并使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法確定固體附近流動(dòng)。

圖5 節(jié)流間隙CFD模型Fig.5 CFD model of the throttling clearance

流體介質(zhì)為100 ℃水，先對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，得到流場(chǎng)的結(jié)果作為氣液兩相計(jì)算的初始條件。

2.2 CFD仿真分析

節(jié)流間隙內(nèi)汽泡體積分?jǐn)?shù)分布如圖6所示。由圖可知，隨著間隙兩側(cè)壓差的增加，間隙內(nèi)汽蝕區(qū)域范圍逐漸擴(kuò)大；間隙壓差在5 MPa以下，產(chǎn)生汽蝕區(qū)間較??；超過(guò)10 MPa以后，間隙內(nèi)汽泡占據(jù)較大空間，并且在間隙內(nèi)存在一定軸向長(zhǎng)度的氣液兩相流流動(dòng)距離。這也就可以解釋實(shí)際運(yùn)行時(shí)，軸高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中造成一定的汽泡潰滅，導(dǎo)致摩擦副表面的沖蝕。

圖6 不同間隙壓差時(shí)汽泡體積分?jǐn)?shù)Fig.6 Bubble volume fraction under the diffierent clearance pressure

3 間隙汽蝕對(duì)泵部件的影響分析

3.1 對(duì)泵汽蝕的影響以及對(duì)流道內(nèi)部蝸殼破壞

對(duì)于前后壓差超過(guò)10 MPa的平衡機(jī)構(gòu)，低壓側(cè)充滿了大量的氣液兩相流（或氣液固三相流），過(guò)流面積沒有發(fā)生變化，但是汽化后的氣液兩相流體積會(huì)增大很多，這時(shí)流體就具備流速高的特點(diǎn)。氣液兩相流體通過(guò)平衡管高速進(jìn)入泵吸水室內(nèi)，此時(shí)雖然壓力大于汽化壓力，但是汽泡的潰滅需要一定時(shí)間，因流速快，汽泡尚未破滅就已經(jīng)隨著流體進(jìn)入到多級(jí)泵后幾級(jí)的流道內(nèi)，隨著壓力逐級(jí)增加，汽蝕的汽泡在導(dǎo)葉里流速相對(duì)低的部位潰滅，即發(fā)生游離狀態(tài)的非規(guī)律性汽蝕狀態(tài)，在金屬表面呈現(xiàn)蜂巢狀［7-15］。此即為泵入口壓力大于介質(zhì)汽化壓力，卻存在非首級(jí)葉輪汽蝕的現(xiàn)象，并且汽蝕發(fā)生在多級(jí)泵的中間或靠后的流道內(nèi)的原因，如圖1（c）所示的導(dǎo)葉汽蝕現(xiàn)象；壓力越高或者更容易汽化的介質(zhì)工況汽蝕會(huì)分布在多級(jí)泵多個(gè)流道內(nèi)，嚴(yán)重的會(huì)對(duì)導(dǎo)葉和中段產(chǎn)生嚴(yán)重的沖蝕，如圖1（d）。如果介質(zhì)中含有固體顆粒，在氣體析出的過(guò)程中會(huì)夾雜固體顆粒，此時(shí)對(duì)間隙的影響會(huì)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(zhì)、煤氣化裝置的高溫灰水內(nèi)的灰渣、渣油加氫液力透平的出口側(cè)析出未液化的油渣等固體顆粒等對(duì)摩擦副的影響就極為明顯。此即為很多該類現(xiàn)場(chǎng)頻譜監(jiān)測(cè)出現(xiàn)高頻、寬范圍、無(wú)規(guī)律振動(dòng)現(xiàn)象的原因。

3.2 對(duì)轉(zhuǎn)子軸系徑向穩(wěn)定性的破壞

對(duì)整個(gè)軸系摩擦副進(jìn)行分析，因臥式節(jié)段導(dǎo)葉式多級(jí)離心泵轉(zhuǎn)子撓度的存在，導(dǎo)致動(dòng)、靜摩擦副圓周方向間隙不均勻，而設(shè)計(jì)過(guò)程中要保證撓度最低位置有一定間隙，以保證轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)接觸。然而，在工作過(guò)程中，摩擦副圓周方向間隙不同，導(dǎo)致泄漏量以及產(chǎn)生的壓降不同，造成局部壓降氣體析出量高，析出的氣體會(huì)隨著高速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致汽泡在小間隙位置高壓潰滅，對(duì)轉(zhuǎn)子徑向產(chǎn)生沖擊，而這就造成了轉(zhuǎn)子軸心軌跡的不同心，如圖2所示，在設(shè)備運(yùn)行初期，摩擦副間隙尚未破壞時(shí)，振動(dòng)偏小，隨著沖蝕的累積，逐漸破壞了原有的小間隙對(duì)轉(zhuǎn)子的約束能力，導(dǎo)致振動(dòng)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(shí)候，這種影響極為嚴(yán)重，如圖1（a）～（c）所示。

間隙汽蝕造成摩擦副破壞，嚴(yán)重降低了泵效率，對(duì)轉(zhuǎn)子徑向產(chǎn)生高頻沖擊，對(duì)高壓多級(jí)離心泵運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響。同時(shí)，尤其是平衡機(jī)構(gòu)的低壓端大量氣體析出造成的轉(zhuǎn)子軸向沖擊較大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)連接零件造成嚴(yán)重沖蝕，而且，極易造成臨近的機(jī)械密封的高頻壓力波動(dòng)，降低了密封的使用壽命。

4 解決方案

針對(duì)以上問題，可以通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與合理的摩擦副表面硬化處理方案來(lái)降低或改善間隙汽蝕對(duì)摩擦副造成的影響。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，使摩擦副動(dòng)靜環(huán)圓周間隙均勻以及摩擦副表面結(jié)構(gòu)特殊設(shè)計(jì)（例如反螺旋槽結(jié)構(gòu)）有利于改善間隙汽蝕或降低間隙汽蝕對(duì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上的關(guān)注，針對(duì)高壓多級(jí)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(jī)構(gòu)前后壓差，同時(shí)提高摩擦副動(dòng)靜環(huán)的同心度，則可以從本質(zhì)上提高使用壽命，針對(duì)不同工況特點(diǎn)，可不同選擇。

4.1 介質(zhì)易汽化帶有固體顆粒的高壓工況

因降壓過(guò)程極容易產(chǎn)生氣液固三相流，對(duì)摩擦副的破壞增大，極不利于長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。進(jìn)出口壓力差超過(guò)5 MPa時(shí)，不宜采用節(jié)段導(dǎo)葉式非自平衡結(jié)構(gòu)多級(jí)泵，適合采用自平衡結(jié)構(gòu)多級(jí)泵，這樣可以減少平衡結(jié)構(gòu)的壓降是揚(yáng)程的50%，很大程度降低間隙汽蝕產(chǎn)生的氣液固三相流造成的沖蝕和磨蝕。

4.2 介質(zhì)易汽化不含固體顆粒的高壓工況

當(dāng)介質(zhì)易汽化（入口壓力與汽化壓力相差很?。┎淮嬖谀ノg時(shí)可分以下幾種情況進(jìn)行分析。

（1）進(jìn)出口最高壓差低于10 MPa的臥式多級(jí)泵，平衡管最小過(guò)流面積不小于間隙面積5～6倍時(shí)［16］，可以采用節(jié)段式導(dǎo)葉非自平衡多級(jí)離心泵；進(jìn)出口最高壓差10～15 MPa的臥式多級(jí)泵，宜采用自平衡多級(jí)離心泵，從而可以減少平衡機(jī)構(gòu)約50%的間隙汽泡量，結(jié)構(gòu)上基本具備長(zhǎng)周期使用需求，如一定要采用非自平衡多級(jí)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(chǔ)罐頂部連接（注意安全操作上要相應(yīng)進(jìn)行完善），這樣可避免平衡機(jī)構(gòu)間隙汽蝕出的氣體影響泵的運(yùn)行穩(wěn)定性。

（2）進(jìn)出口最高壓差15～20 MPa的臥式多級(jí)離心泵，最好采用自平衡多級(jí)離心泵，如果采用非升速泵型，則適合采用雙殼體內(nèi)芯水平剖分自平衡多級(jí)離心泵，可以做到摩擦副動(dòng)靜同心，維修便利，可實(shí)現(xiàn)快速維修，如果采用齒輪箱或變頻電機(jī)升速泵，可在泵設(shè)計(jì)干態(tài)剛性軸的前提下，選用非自平衡節(jié)段臥式多級(jí)離心泵（平衡管與吸入罐連接）。從長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行角度，自平衡多級(jí)泵要優(yōu)于非自平衡多級(jí)泵，從長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行與便于維護(hù)角度，內(nèi)芯水平剖分自平衡多級(jí)泵要優(yōu)于節(jié)段式自平衡多級(jí)泵。

（3）進(jìn)出口最高壓差超過(guò)20 MPa的臥式多級(jí)離心泵，無(wú)論升速與否，均適宜采用內(nèi)芯水平剖分自平衡結(jié)構(gòu)多級(jí)離心泵。同時(shí)無(wú)論哪種結(jié)構(gòu)，都要加大平衡管過(guò)流面積，以減少平衡腔低壓側(cè)積氣，降低壓力波動(dòng)對(duì)軸向穩(wěn)定性的影響。

根據(jù)以上解決方案方法，對(duì)中石化某公司渣油加氫液力透平原進(jìn)口透平設(shè)備進(jìn)行了重新研制替換，更換后的軸系運(yùn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)如圖7所示，運(yùn)行6個(gè)月，軸系振動(dòng)初期振動(dòng)最大20 μm，經(jīng)過(guò)短期的磨合后，振動(dòng)逐漸變小，不超過(guò)15 μm，兩側(cè)軸振動(dòng)保持穩(wěn)定，同側(cè)軸振動(dòng)一直保持偏差最大值不超過(guò)2 μm，兩側(cè)振動(dòng)偏差最大不超過(guò)5 μm，軸系振動(dòng)軌跡明顯驅(qū)動(dòng)側(cè)與非驅(qū)動(dòng)側(cè)趨于同心，運(yùn)行效果得到明顯改善。

圖7 更換設(shè)備后軸系運(yùn)行振動(dòng)情況Fig.7 Operation vibration of shafting after equipment replacement

5 結(jié)論

（1）間隙汽蝕會(huì)造成摩擦副的破壞，一些苛刻工況會(huì)造成內(nèi)部流道的汽蝕，對(duì)泵運(yùn)行穩(wěn)定性造成嚴(yán)重破壞。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果表明，壓差超過(guò)10 MPa時(shí)間隙汽蝕影響比較明顯，這與大量泵的檢維修結(jié)果相匹配。因此，對(duì)進(jìn)出口壓差超過(guò)10 MPa的高壓多級(jí)離心泵，采用自平衡型多級(jí)離心泵可以減小平衡機(jī)構(gòu)壓差，降低間隙汽蝕氣體析出量；采用內(nèi)芯水平剖分自平衡多級(jí)離心泵可以從本質(zhì)上提高高壓多級(jí)離心泵的長(zhǎng)周期運(yùn)行穩(wěn)定性。