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離心泵發(fā)生氣蝕的危害與對策

2021-10-09 07:27:02薛為亮
設(shè)備管理與維修 2021年16期
關(guān)鍵詞:氣蝕離心泵葉輪

薛為亮

(射陽經(jīng)濟開發(fā)區(qū)安監(jiān)站,江蘇鹽城 224302)

0 引言

離心泵是一種依靠葉輪旋轉(zhuǎn)形成的離心力進行液體輸送的裝置,具有體積小、操作簡單、類型多樣、使用時間長等優(yōu)勢,目前已廣泛應(yīng)用在化工、環(huán)境保護、生物制藥、水利建筑等眾多領(lǐng)域。隨著離心泵應(yīng)用范圍的不斷擴大,其運行安全性、可靠性、穩(wěn)定性得到人們越來越多關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)離心泵在使用過程中易發(fā)生氣蝕現(xiàn)象,從而降低離心泵性能,制約離心泵應(yīng)用作用發(fā)揮,造成離心泵使用安全隱患。因此,在明確認知離心泵氣蝕危害的同時,有必要探究有效防止對策,保障設(shè)備長效穩(wěn)定運行。

1 離心泵發(fā)生氣蝕現(xiàn)象的原因

離心泵主要有泵體、泵軸、葉輪、軸承、填料函、閥門等構(gòu)成[1]。運行前離心泵泵內(nèi)需要充滿液體,通電后在軸承轉(zhuǎn)動作用下使葉輪旋轉(zhuǎn),形成離心力,在離心力作用下增加液體流速和壓力,在壓力作用下液體由泵口排出。通常離心泵葉輪葉片進口稍后位置是離心泵內(nèi)壓力的最低點,如果此位置壓力過低,等同于被輸送液體飽和蒸汽壓時,位于入口處的液體會在離心泵中汽化,生成大量的蒸汽泡并進入到高壓區(qū),在高壓作用下被瞬間壓碎,流體質(zhì)點高速度撞擊葉輪或泵殼,使其出現(xiàn)麻點、裂縫,長此以往呈海綿狀逐漸脫落[2]。這就是離心泵的氣蝕現(xiàn)象。

導致離心泵發(fā)生氣蝕現(xiàn)象的因素有許多,可以歸納總結(jié)為以下兩大類。

(1)離心泵自身因素,包括自身結(jié)構(gòu)設(shè)計、自身材料選擇等因素。在離心泵結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中,其外部結(jié)構(gòu)參數(shù)多為固定參數(shù),但內(nèi)容結(jié)構(gòu)設(shè)計存在較大的可變性,如離心泵葉輪葉片設(shè)計不合理、離心泵液體入口形式設(shè)計不當?shù)染鶗T發(fā)氣蝕現(xiàn)象。基于既有經(jīng)驗歸納總結(jié),發(fā)現(xiàn)離心泵氣蝕的發(fā)生可分為氣蝕孕育、氣蝕上升、氣蝕穩(wěn)定以及氣蝕下降等階段,而各階段持續(xù)時間的長短與離心泵自身材料密切相關(guān),如果所選材料的硬度、強度、耐腐蝕性等較差,則整個氣蝕過程所用時間較短,離心泵受氣蝕影響較大。

(2)外部因素。包括離心泵使用環(huán)境因素、離心泵安裝因素、輸送介質(zhì)因素、離心泵操作因素等。多數(shù)實踐證明,外部因素類型較多且是導致離心泵發(fā)生氣蝕的主要因素:低負壓環(huán)境與高溫環(huán)境容易增加離心泵氣蝕發(fā)生概率;離心泵管徑、輸送液體確定情況下,離心泵安裝高度過高,容易增加離心泵入口管線壓頭損失,并降低葉輪中心位置壓力,導致氣蝕現(xiàn)象發(fā)生;離心泵性能測試過程中多利用20 ℃清水為輸送介質(zhì),如果離心泵實際應(yīng)用中輸送介質(zhì)密度大于清水,則會降低離心泵的允許安裝高度,提高氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生概率;在離心泵啟動前未關(guān)注其所處狀態(tài)或做好設(shè)備檢修工作,也會增加氣蝕現(xiàn)象發(fā)生的概率。

例如,某企業(yè)建成投產(chǎn)運行6 個月之后,出現(xiàn)生產(chǎn)用水嚴重不足問題。在對現(xiàn)場內(nèi)設(shè)備進行安檢時,了解到水泵房中的離心泵有不同程度的氣蝕現(xiàn)象,主泵葉輪上分布著密密麻麻的小孔,其中最大孔面積達到6 cm2。究其原因:①離心泵實際安裝高度遠超過離心泵允許安裝高度;②主泵入口管堵塞,增加離心泵進口阻力,操作人員在操作過程中沒有及時發(fā)現(xiàn)這一問題,針對供水不足現(xiàn)象通過增加泵的方式解決;③離心泵葉輪材料未達到實際要求。

2 離心泵發(fā)生氣蝕現(xiàn)象的危害

離心泵氣蝕危害是明顯的,尤其是在離心泵廣泛應(yīng)用的現(xiàn)階段。其危害主要體現(xiàn)在以下3 個方面。

2.1 提高設(shè)備運行噪聲污染水平,使其異常振動

在離心泵氣蝕過程中,當蒸汽泡隨著液體進入到高壓區(qū)后,發(fā)生蒸汽凝結(jié)、氣泡破裂現(xiàn)象,隨著氣泡消失局部真空,高壓液體迅速沖向氣泡原先所在位置,液體質(zhì)點之間的相互碰撞以及位于金屬表面蒸汽凝結(jié)的碎裂,會使離心泵出現(xiàn)爆豆似的噪聲。同時,這還會使離心泵發(fā)生異常振動,降低其運行穩(wěn)定性。

2.2 損壞離心泵部件,縮減其使用壽命

當離心泵長時間處于氣蝕狀態(tài)運行時,葉輪、泵殼等受損程度將逐漸加大,當金屬材料表面保護膜被完全破壞且受損位置的材料強度、硬度無法滿足承載需求時,將出現(xiàn)擊穿、腐蝕、脫落等問題,從而減少離心泵的使用壽命,使其運行安全風險提高。

2.3 降低離心泵使用性能,出現(xiàn)停機故障

離心泵使用過程中,泵內(nèi)液體運動存在一定規(guī)律,可用離心泵特性曲線進行標識。有關(guān)研究表明,不同離心泵所具有的特性曲線不同,但曲線趨勢大致相同。圖1 是4B20 型離心泵的特性曲線。其中,η—qv曲線為“效率—流量曲線”,He'—qv曲線為“揚程—流量曲線”,P—qv曲線為“功率—流量曲線”[3]。使用過程中當該泵發(fā)生氣蝕后,泵內(nèi)介質(zhì)能量交換勢必發(fā)生改變,從而對離心泵性能產(chǎn)生不利影響。例如,氣蝕能夠降低離心泵葉輪轉(zhuǎn)速,加之氣泡隨著液體在流道內(nèi)運動,降低離心泵流量,離心泵揚程、功率、效率也將隨著流量的改變而改變,制約離心泵性能,嚴重時甚至出現(xiàn)斷流、停機故障。

圖1 離心泵特性曲線

3 防止離心泵氣蝕現(xiàn)象的對策

為了降低或減輕氣蝕現(xiàn)象的危害,根據(jù)離心泵氣蝕機理、氣蝕現(xiàn)象成因,建議從以下兩個方面入手來落實離心泵氣蝕現(xiàn)象防止對策。

3.1 基于自身因素的氣蝕防止對策

針對離心泵自身因素影響下的氣蝕防止,主要從離心泵設(shè)計與制造兩方面入手落實相關(guān)對策。

(1)適當增加離心泵葉輪蓋板進口段曲率半徑來控制泵內(nèi)壓力和液流速度,如可以適當縮短葉輪入口與泵體之間的距離。

(2)適當降低葉片進口厚度,提高其表面光潔度,或改變?nèi)~片進口的形態(tài)、使其近似于流線型,以增加介質(zhì)進入面積、減少水力損失,提升離心泵抗氣蝕性能。

(3)可以在離心泵結(jié)構(gòu)體系中配置前置誘導輪,通過提前作用來改善液流壓力,提高離心泵抗氣蝕能力。應(yīng)用雙吸葉輪時,要盡可能保證兩側(cè)壓力平衡,使液流同時進入并根據(jù)離心泵揚程需求調(diào)整入口真空水平,降低進口流速,規(guī)避氣蝕現(xiàn)象。

(4)在進口管路設(shè)計時,可通過調(diào)整管路長度、彎曲度等方式,盡可能減少管路造成的壓力損失,保證介質(zhì)在管路內(nèi)的平穩(wěn)流動。

(5)有效增加離心泵有效汽蝕余量,降低泵進口動壓降。通常在離心泵轉(zhuǎn)速、流量等參數(shù)確定后,離心泵的泵進口動壓降受葉輪幾何外形影響較大,因此可通過改變?nèi)~輪幾何外形方式來降低泵進口動壓降,提高離心泵抗氣蝕能力。

(6)合理選擇離心泵制造材料,通常以強度高、硬度高、化學穩(wěn)定性強等材料為主。也可以根據(jù)離心泵應(yīng)用要求,利用能夠提高離心泵材料抗腐蝕性能、抗氣蝕性能的方法和技術(shù)進行材料處理,如熱強化處理技術(shù)、滲碳處理技術(shù)等。

(7)提高離心泵過流部件精度。實踐證明,離心泵過流部件精度越高其所具有的抗氣蝕性能越高,離心泵發(fā)生氣蝕風險發(fā)生概率越低,則氣蝕對離心泵結(jié)構(gòu)與性能的影響越小。

3.2 基于外部因素的氣蝕防止對策

針對外部因素,建議從以下6 個方面落實離心泵氣蝕防止對策,以增強離心泵運行的穩(wěn)定性、安全性、可靠性和長久性。

(1)離心泵的氣蝕現(xiàn)象與離心泵安裝高度存在密切關(guān)系,因此應(yīng)高度重視離心泵的安裝管理。通常情況下,離心泵安裝高度多由離心泵制造廠家實驗測定,并在使用說明中明確標出。但由于離心泵制造廠家實驗過程中所選用的輸送介質(zhì)為20 ℃清水。而輸送介質(zhì)濃度也是影響離心泵氣蝕現(xiàn)象發(fā)生的關(guān)鍵因素。對此,離心泵安裝過程中,需根據(jù)離心泵運營環(huán)境,做好離心泵安裝高程計量工作,以保證實際安裝高度適中在允許安裝高度之下,避免安裝高度過高造成的氣蝕現(xiàn)象發(fā)生。

(2)當輸送介質(zhì)為水時,應(yīng)保證水流速度平穩(wěn),能夠順利進入且不會在離心泵內(nèi)產(chǎn)生逆流、渦旋等問題。同時,日常管理中應(yīng)做好儲水池清潔工作,避免雜物、淤泥過多而影響水流穩(wěn)定性。

(3)輸送介質(zhì)為其他液體時,應(yīng)盡可能降低輸送介質(zhì)的密度、合理控制其溫度,減少高密度、高溫度對氣化壓力的影響,有效降低離心泵氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

(4)加強管控離心泵運行參數(shù)的力度。在使用離心泵時,相關(guān)部門以及工作人員可根據(jù)離心泵運行具體情況科學、合理調(diào)整離心泵參數(shù),使其盡可能符合離心泵的設(shè)計要求。同時,在條件允許的情況下,應(yīng)盡可能降低運轉(zhuǎn)速度,以減緩離心泵氣蝕現(xiàn)象的發(fā)展速度,便于設(shè)備維護人員在氣蝕孕育階段發(fā)現(xiàn)氣蝕并進行氣蝕現(xiàn)象的早期處理。

(5)針對離心泵氣蝕現(xiàn)象制定科學且完善的日常維修養(yǎng)護方案,最大限度降低離心泵氣蝕現(xiàn)象發(fā)生后的影響,減少企業(yè)設(shè)備消耗,提高離心泵應(yīng)用綜合效果。在此過程中,可根據(jù)離心泵振動情況、噪聲情況進行氣蝕位置以及嚴重程度評估,并善于利用修復(fù)技術(shù)對腐蝕部件進行處理,延長部件使用壽命。如部件損壞過重,應(yīng)及時更換抗腐蝕性強的新部件,維持離心泵穩(wěn)定與安全運行。定期對離心泵進行大規(guī)模檢查,在檢查過程中加大氣蝕易發(fā)位置檢查力度,以便準確、全面、有效了解離心泵氣蝕程度,進行針對性維修養(yǎng)護處理。

(6)建立完善操作制度,提高操作人員監(jiān)督管理意識,規(guī)范操作人員操作行為,避免操作不當對離心泵穩(wěn)定運行帶來的不利影響。

4 結(jié)束語

綜上所述,離心泵易受使用環(huán)境、運行壓力、輸送介質(zhì)等因素影響發(fā)生氣蝕現(xiàn)象,從而損害離心泵結(jié)構(gòu),降低離心泵性能,縮短離心泵壽命,提高離心泵運行安全風險。因此,為保證離心泵長時間穩(wěn)定、安全運行,應(yīng)高度重視其管理工作,能夠通過離心泵合理選擇、合理安裝、規(guī)范操作、有效維護等降低離心泵氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生和影響。

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