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服務工程師談離心泵汽蝕及現場成功案例
2021-08-23 11:21:58力士霸泵業
摘 要:以服務工程師的視角,詳細介紹了離心泵幾種常見的汽蝕類型、汽蝕危害及現場改善汽蝕的常用措施。結合實際工程應用,重點介紹了一種通過“吸入口補氣”的方法來減輕/消除汽蝕的成功案例,僅供同行們參考。

關鍵詞:離心泵   汽蝕   危害   措施   吸入口補氣


00-前言


汽蝕是離心泵運行過程中較常見的問題,會引起泵振動和噪音的增加、性能的下降和造成零部件的嚴重損壞。

本篇不探討汽蝕的專業理論知識,僅嘗試用相對通俗的文字,詳細介紹離心泵幾種常見的汽蝕類型、汽蝕的危害、現場改善汽蝕的常用措施。并結合實際工程應用,將重點介紹一種通過“吸入口補氣”的方法來減輕/消除汽蝕的成功案例,與大家分離。

注:本文內容主要摘自于荏原機械(中國)有限公司焦工(焦偉才)編寫的“EMC市政水利服務工程師培訓知識-汽蝕篇”。焦工不僅具有非常豐富的生產和制造經驗,同時還具有非常豐富的設備現場應用和服務經驗。他的不少解決問題的理念、方法比較獨特,值得同行們學習和參考。

01-汽蝕的種類


從發生部位來看,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

是指發生汽蝕現象時,氣泡的形成和破滅基本上都發生在葉片的正反面,也稱為翼型汽蝕,這是離心泵汽蝕的主要形式。當泵安裝過高時,即使泵在設計工況下運行,在葉片進出口的背面也易出現低壓區:

1)當泵在大流量工況下運行時,葉片前緣正面發生脫流和漩渦,產生負壓,有可能引起葉片正面發生汽蝕。

2)當泵在小流量工況下運行時,葉片的背面產生漩渦,出現低壓區,從而致使葉片背面產生汽蝕。

1.2 間隙汽蝕

是指當液體流經狹小通道或間隙時,引起過流部件局部流速升高、壓力下降到汽化壓力時所形成的汽蝕。

在離心泵殼體耐磨環與葉輪外緣(蓋板)之間的間隙處,在葉輪進、出口兩側的壓差(特別是較大壓差)作用下,出口側液體高速回流,造成局部壓降,引起汽蝕(見圖1)。


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圖1   離心泵耐磨環間隙汽蝕

軸流泵葉片外緣與泵殼之間很小的間隙內,在葉片正、反面壓差的作用下,也會因間隙中液體的反向流速大,造成局部壓降,在泵殼對應葉片外緣部位引起汽蝕,并在轉輪體與葉片外緣部位形成一條蜂窩麻面汽蝕帶(見圖2)。

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圖2   軸流泵葉片間隙汽蝕

1.3 粗糙汽蝕

是指液體流經泵殼內凹凸不平的粗糙過流部件表面時,在凸出物下游產生漩渦,引起局部壓力降低、導致汽蝕。

泵過流部件在鑄造和加工時,形成的表面不平、砂眼、氣孔等都可能引起局部流態突然變化而造成汽蝕。

1.4 空腔汽蝕

是指在泵的進口處,由于進水條件不好或淹沒深度不夠,在吸入室產生螺旋狀的漩渦帶。當漩渦帶中心壓力降低到汽化壓力時也會引起汽蝕,并伴有強烈的振動發生。

1.5 回流汽蝕

通常來說,發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時也會發生汽蝕,即回流汽蝕。由于它出現在低于設計流量點運行時,因此也稱為小流量汽蝕。

當泵送流量太小或入口壓力太高時,就會發生回流現象。當泵送流量太小時,內部回流發生在葉輪的入口;當泵入口壓力太高時,內部回流發生在葉輪出口處。內部回流致使液體流速的增加直至汽化產生汽泡,然后在周圍較高壓力下破裂。當吸入口發生內部回流時,在泵的吸入口周圍會發出不規則的噼噼啪啪的噪音,并伴有高強度的爆震聲。

回流汽蝕一般可以通過以下方法進行改善:

1)提高泵的輸出流量。
2)在泵的入口和出口之間加裝旁路(該方法在實際應用中客戶很難接受)。
3)優化葉輪的結構(減小葉輪入口面積)。

02-汽蝕的危害


2.1 性能下降、管路損壞

汽蝕會導致泵的性能明顯降低。通常對于離心泵來說,當入口壓力降低到某種程度時,其性能會急劇下降,該現象也叫汽蝕斷裂。汽蝕也會使流體內部出現不穩定性,這些不穩定性會導致流量和壓力的振蕩,在振動的助推下,可能會引起泵及其進出口管路損壞(見圖3)。


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圖3   汽蝕引起壓力脈動(振蕩)導致管路疲勞損壞

筆者曾經見過一臺空調系統冷卻泵,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,導致入口流量不足引起的汽蝕,汽蝕產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到最大,同時發出刺耳共鳴聲。由于及時查找到原因,修復閥門后汽蝕現象和管路振動消除,未造成大的損失。

2.2 嚴重損傷泵的過流部件

汽蝕會導致零部件表面的破壞,汽泡破裂時周圍液體產生極高的沖擊壓力(壓力峰值)可達49 MPa,當這種汽蝕液力強度大于材料抵抗這種沖擊能力時,就會導致局部的壁面材料疲勞失效和表面材料脫落,汽蝕發生的同時伴隨化學腐蝕和電化學腐蝕。汽蝕初期材料的腐蝕及塑性變形產生的凹坑尺寸約10 μm~50 μm,特別是一些耐蝕性較差的材料在長期汽蝕作用下會出現馬蜂窩狀結構。

2.3 產生振動和噪音

在汽泡凝結縮小、破裂的瞬間,汽泡周圍的液體將高速填充(汽泡凝結破裂形成的)空穴,產生了壓力脈動,從而激發了振動和噪聲。汽蝕噪聲頻率一般為10 kHz~100 kHz,而回流及壓力脈動引起的汽蝕噪聲頻率在幾百Hz左右,人耳對此特別敏感。同時汽蝕也會激發振動,汽蝕產生振動的主要頻率一般在1 kHz左右。

根據筆者經驗,汽蝕除了噪聲比較大,還體現在振動指標上,如泵的底座剛度不足和管路支撐不良將會產生結構性共振;泵安裝后底座用混凝土進行灌注,管路的支撐剛度足夠,一般不會導致強烈的振動現象,但在泵體上通過振動測量,汽蝕產生的振動頻率中高頻分量占主導,振動的加速度值相較振動位移和振動速度要高。

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)改進泵的吸入口設計


  • 通過對葉輪的修磨,增大過流面積;

  • 增大葉輪蓋板進口段的曲率半徑,減小液流急劇加速與降壓;

  • 適當減少葉片進口的厚度,并將葉片進口修圓(打磨葉片頭部,削尖,以減少進口沖擊損失,降低進口沖角的敏感性,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;

  • 提高葉輪和葉片進口部分表面光潔度以減小阻力損失;

  • 將葉片進口邊向葉輪進口延伸,使液流提前接受做功,提高壓力。



2)增加前置誘導輪

使液流在前置誘導輪中提前做功,以提高液流壓力(該方案需要改變結構、需重新校核各種設計參數)。

3)采用雙吸葉輪

增加葉輪進口面積、降低進口液體流速(流速降低,壓力增加)。

4)采用稍大的正沖角


  • 以增大葉片進口角,減小葉片進口處的彎曲,減小葉片阻塞,從而增大進口面積;

  • 改善大流量下的工作條件,以減少流動損失。但正沖角不宜過大,否則影響效率。



5)采用低轉速的泵

轉速越低,NPSHr越小。

6)采用抗汽蝕的材料

實踐證明,材料的強度、硬度、韌性越高,化學穩定性越好,抗汽蝕的性能越強。

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,尤其輸送介質為熱水時,需要考慮吸上高度和介質溫度的關系。

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濾器過濾面積(如有)以降低管路中的流速,減少彎管和閥門數量,盡量加大閥門開度等。

5)如果間隙汽蝕嚴重,可采取在葉輪上打平衡孔的辦法來減少泄漏流速,以減輕汽蝕程度。葉片上的平衡孔對葉輪進口注入液流起著破壞干擾作用,平衡孔的面積應不小于密封環間隙面積的5倍,以減小泄漏流速,從而減小對主液流的影響、提高泵的抗汽蝕能力。

6)經驗表明,從汽蝕產生的機理出發,向吸入口補充適量的氣體可以破壞汽蝕發生的條件。但采用補氣防止泵的汽蝕,其技術性很強,只有補氣量、補氣位置和補氣方式恰當,才能取得良好的效果。否則,會使泵的流量、揚程和效率下降很多,甚至泵在運行中出現斷流、引起不良后果。

鑒于這個補氣量多少合適、如何準確計量補氣量等不易控制,結合筆者的實踐,建議補氣閥采用可以進行流量調節的針閥,現場調節時可以通過汽蝕噪聲來判別:通過針閥調節進氣量,直至汽蝕噪聲降到最小(有的系統可以完全消除噪聲,但有的系統僅能減小汽蝕噪聲,而不能完全消除),此時再將針閥回調一點,減少一點進氣量,觀察運行一段時間,直至在規定的各種運行工況下均沒有發生性能異常為止,然后將針閥的開度鎖定。這種方法切忌將聲音降到最低!如果泵停止運行時的入口壓力為正壓,則應加裝一只止回閥以防泄漏,如圖4。


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        圖4   補氣法降低汽蝕噪聲接管示意圖   

7)有關研究發現,介質中含有易揮發性氣體及沙粒等固體時,泵的汽蝕性能會下降。常近時教授對自來水行業用泵研究發現,我國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。為了確保泵不發生汽蝕,泵的吸上高度要在清水的計算高度上至少降低4.2米。這一點在市政行業值得重視。

04-汽蝕處理工程應用案例


4.1 案例1

2012年某水廠節能改造項目,原SH型雙吸泵流量為1136 m3/h,揚程為 36 m,電機配用功率200 kW。

根據實際運行工況,改造后同樣選用雙吸泵,參數變更為流量1250 m3/h,揚程22 m,電機配用功率132 kW。該泵實際運行參數為:流量1398 m3/h,揚程21 m,出口壓力0.19 MPa(G),入口壓力 -0.02 MPa(G),此時有明顯的汽蝕噪聲。通過調節閥門泵運行在1200 m3/h時,汽蝕噪聲消失,判斷泵在1398 m3/h時發生了汽蝕。

1)嘗試對葉輪葉片進行了修磨,汽蝕狀況僅有輕微的改善。

2)經對現場進行詳細了解、并與各相關方分析后認為:現場屬于改造項目,吸入管路(直徑偏小)管阻較大,泵偏大流量點運行。對葉輪重新進行優化設計,更換新葉輪后泵的運行參數為: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)建議在吸入管路開孔,加裝一個球閥,通過球閥向吸入口補充空氣。開始客戶不同意,經過反復溝通,客戶同意試試,試驗后汽蝕噪聲雖未完全消除,但明顯減弱,達到客戶可接受水平。此后每年進行回訪,直至2017年該泵運行穩定,沒有進行過解體維修。

該案例表明:可以通過優化葉輪設計降低泵的必須汽蝕余量,或吸入口適量補入空氣破壞汽蝕形成的條件等來解決汽蝕問題或減輕汽蝕程度。

4.2 案例2

某水廠用泵額定運行參數為:流量4200 m3/h,揚程34 m;實際運行參數: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。

理論上該泵不應該發生汽蝕,但靠近泵體卻能聽到明顯的類似汽蝕的噼啪聲,為了驗證是否為汽蝕,試著打開該泵入口的排水閥,注入適量空氣,聲音立即消失,運行十余分鐘后再次把排水閥關閉,聲音立即再次出現,由此可以判定為汽蝕。

通過對該泵輸送介質(為水)的調查,其含氯濃度約為0.7 mg/L,根據上文汽蝕原因3.2節 7)分析,該泵處于輕微汽蝕狀態。使用了3.2節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行正常。

以上兩個案例均采用了吸入口補氣方法使汽蝕噪聲得到減輕或消除,但在實際工程應用中也發生過由于填料函部位銹蝕,導致泵運行時從填料部位吸入過多空氣而發生斷流的故障,因此在使用該方法前,需要仔細檢查(低吸入壓力泵)填料函、接管法蘭等處是否存在吸氣。

在遇到實際汽蝕問題時,只有根據具體的選型、選材和使用現場的運行工況條件等進行綜合分析,才能選擇出適當的解決方法、并加以應用,并不是每種方法都普適所有現場。

05-特別說明


上述2個“補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,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,需要考慮現場是否具有所需的穩定的氣源。

對于普通離心泵,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生的沖擊力,并可以減少由此產生的不良噪音、振動和侵蝕損壞。但是,當氣體含量達到6 %時,普通離心泵就可能會產生汽蝕、氣阻等現象,并導致性能(流量、揚程及效率)的急劇下降。

【參考文獻】


1. Dieter-Heinz Hellmann   《離心泵大全》   清華大學出版社

2. 常近時   《水輪機與水泵的空化與空蝕》科學出版社

3. 陳允中等譯   《泵手冊》(第三版)   中國石化出版社

4. 古里希   《離心泵》(第三版)機械工業出版社



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