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服务工程师谈离心泵汽蚀及现场成功案例

泵友圈法律顾问

北京市京师律师事务所 王璠律师/公司法律顾问

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作者:焦伟1    谢小青2

1.荏原机械(中国)有限公司

2.上海电气凯士比核电泵阀有限公司

摘 要:以服务工程师的视角,详细介绍了离心泵几种常见的汽蚀类型、汽蚀危害及现场改善汽蚀的常用措施。结合实际工程应用,重点介绍了一种通过“吸入口补气”的方法来减轻/消除汽蚀的成功案例,仅供同行们参考。

关键词:离心泵   汽蚀   危害   措施   吸入口补气

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前言


汽蚀是离心泵运行过程中较常见的问题,会引起泵振动和噪音的增加、性能的下降和造成零部件的严重损坏。

本篇不探讨汽蚀的专业理论知识,仅尝试用相对通俗的文字,详细介绍离心泵几种常见的汽蚀类型、汽蚀的危害、现场改善汽蚀的常用措施。并结合实际工程应用,将重点介绍一种通过“吸入口补气”的方法来减轻/消除汽蚀的成功案例,与大家分离。

注:本文内容主要摘自于荏原机械(中国)有限公司焦工(焦伟才)编写的“EMC市政水利服务工程师培训知识-汽蚀篇”。焦工不仅具有非常丰富的生产和制造经验,同时还具有非常丰富的设备现场应用和服务经验。他的不少解决问题的理念、方法比较独特,值得同行们学习和参考。

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汽蚀的种类


从发生部位来看,汽蚀可以分为:叶面汽蚀、间隙汽蚀、粗糙汽蚀、空腔汽蚀、回流汽蚀。

1.1 叶面汽蚀

是指发生汽蚀现象时,气泡的形成和破灭基本上都发生在叶片的正反面,也称为翼型汽蚀,这是离心泵汽蚀的主要形式。当泵安装过高时,即使泵在设计工况下运行,在叶片进出口的背面也易出现低压区:

1)当泵在大流量工况下运行时,叶片前缘正面发生脱流和漩涡,产生负压,有可能引起叶片正面发生汽蚀。

2)当泵在小流量工况下运行时,叶片的背面产生漩涡,出现低压区,从而致使叶片背面产生汽蚀。

1.2 间隙汽蚀

是指当液体流经狭小通道或间隙时,引起过流部件局部流速升高、压力下降到汽化压力时所形成的汽蚀。

在离心泵壳体耐磨环与叶轮外缘(盖板)之间的间隙处,在叶轮进、出口两侧的压差(特别是较大压差)作用下,出口侧液体高速回流,造成局部压降,引起汽蚀(见图1)。

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图1   离心泵耐磨环间隙汽蚀

轴流泵叶片外缘与泵壳之间很小的间隙内,在叶片正、反面压差的作用下,也会因间隙中液体的反向流速大,造成局部压降,在泵壳对应叶片外缘部位引起汽蚀,并在转轮体与叶片外缘部位形成一条蜂窝麻面汽蚀带(见图2)。

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图2   轴流泵叶片间隙汽蚀

1.3 粗糙汽蚀

是指液体流经泵壳内凹凸不平的粗糙过流部件表面时,在凸出物下游产生漩涡,引起局部压力降低、导致汽蚀。

泵过流部件在铸造和加工时,形成的表面不平、砂眼、气孔等都可能引起局部流态突然变化而造成汽蚀。

1.4 空腔汽蚀

是指在泵的进口处,由于进水条件不好或淹没深度不够,在吸入室产生螺旋状的涡带。当漩涡带中心压力降低到汽化压力时也会引起汽蚀,并伴有强烈的振动发生。

1.5 回流汽蚀

通常来说,发生汽蚀的前提条件是NPSHa<NPSHr,即装置汽蚀余量小于泵的必需汽蚀余量。但却有一种特例,在NPSHa>NPSHr时也会发生汽蚀,即回流汽蚀。由于它出现在低于设计流量点运行时,因此也称为小流量汽蚀。

当泵送流量太小或入口压力太高时,就会发生回流现象。当泵送流量太小时,内部回流发生在叶轮的入口;当泵入口压力太高时,内部回流发生在叶轮出口处。内部回流致使液体流速的增加直至汽化产生汽泡,然后在周围较高压力下破裂。当吸入口发生内部回流时,在泵的吸入口周围会发出不规则的噼噼啪啪的噪音,并伴有高强度的爆震声。

回流汽蚀一般可以通过以下方法进行改善:

1)提高泵的输出流量。
2)在泵的入口和出口之间加装旁路(该方法在实际应用中客户很难接受)。
3)优化叶轮的结构(减小叶轮入口面积)。

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汽蚀的危害


2.1 性能下降、管路损坏

汽蚀会导致泵的性能明显降低。通常对于离心泵来说,当入口压力降低到某种程度时,其性能会急剧下降,该现象也叫汽蚀断裂。汽蚀也会使流体内部出现不稳定性,这些不稳定性会导致流量和压力的振荡,在振动的助推下,可能会引起泵及其进出口管路损坏(见图3)。

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图3   汽蚀引起压力脉动(振荡)导致管路疲劳损坏

笔者曾经见过一台空调系统冷却泵,安装在地下三层,由于冷却塔到泵入口之间的管路上一只阀门损坏,导致入口流量不足引起的汽蚀,汽蚀产生的压力振荡引起了管路的共振,在该大厦七层管道振幅达到最大,同时发出刺耳共鸣声。由于及时查找到原因,修复阀门后汽蚀现象和管路振动消除,未造成大的损失。

2.2 严重损伤泵的过流部件

汽蚀会导致零部件表面的破坏,汽泡破裂时周围液体产生极高的冲击压力(压力峰值)可达49 MPa,当这种汽蚀液力强度大于材料抵抗这种冲击能力时,就会导致局部的壁面材料疲劳失效和表面材料脱落,汽蚀发生的同时伴随化学腐蚀和电化学腐蚀。汽蚀初期材料的腐蚀及塑性变形产生的凹坑尺寸约10 μm~50 μm,特别是一些耐蚀性较差的材料在长期汽蚀作用下会出现马蜂窝状结构。

2.3 产生振动和噪音

在汽泡凝结缩小、破裂的瞬间,汽泡周围的液体将高速填充(汽泡凝结破裂形成的)空穴,产生了压力脉动,从而激发了振动和噪声。汽蚀噪声频率一般为10 kHz~100 kHz,而回流及压力脉动引起的汽蚀噪声频率在几百Hz左右,人耳对此特别敏感。同时汽蚀也会激发振动,汽蚀产生振动的主要频率一般在1 kHz左右。

根据笔者经验,汽蚀除了噪声比较大,还体现在振动指标上,如泵的底座刚度不足和管路支撑不良将会产生结构性共振;泵安装后底座用混凝土进行灌注,管路的支撑刚度足够,一般不会导致强烈的振动现象,但在泵体上通过振动测量,汽蚀产生的振动频率中高频分量占主导,振动的加速度值相较振动位移和振动速度要高。

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改善汽蚀性能的常用措施


3.1 提高离心泵本身抗汽蚀性能的措施

1)改进泵的吸入口设计

  • 通过对叶轮的修磨,增大过流面积;

  • 增大叶轮盖板进口段的曲率半径,减小液流急剧加速与降压;

  • 适当减少叶片进口的厚度,并将叶片进口修圆(打磨叶片头部,削尖,以减少进口冲击损失,降低进口冲角的敏感性,必需汽蚀余量可以下降0.5米左右),使其接近流线形,也可以减少绕流叶片头部的加速与降压;

  • 提高叶轮和叶片进口部分表面光洁度以减小阻力损失;

  • 将叶片进口边向叶轮进口延伸,使液流提前接受做功,提高压力。


2)增加前置诱导轮

使液流在前置诱导轮中提前做功,以提高液流压力(该方案需要改变结构、需重新校核各种设计参数)。

3)采用双吸叶轮

增加叶轮进口面积、降低进口液体流速(流速降低,压力增加)。

4)采用稍大的正冲角

  • 以增大叶片进口角,减小叶片进口处的弯曲,减小叶片阻塞,从而增大进口面积;

  • 改善大流量下的工作条件,以减少流动损失。但正冲角不宜过大,否则影响效率。


5)采用低转速的泵

转速越低,NPSHr越小。

6)采用抗汽蚀的材料

实践证明,材料的强度、硬度、韧性越高,化学稳定性越好,抗汽蚀的性能越强。

3.2 提高装置汽蚀余量的措施

1)增加泵前贮液罐中液面的压力,以提高有效汽蚀余量。

2)降低吸上装置中泵的安装高度,尤其输送介质为热水时,需要考虑吸上高度和介质温度的关系。

3)将吸上装置改为倒灌装置。

4)减小泵前吸入管路上的流动损失。如在要求范围尽量缩短管路,采用合适的吸入管路管径和过滤器过滤面积(如有)以降低管路中的流速,减少弯管和阀门数量,尽量加大阀门开度等。

5)如果间隙汽蚀严重,可采取在叶轮上打平衡孔的办法来减少泄漏流速,以减轻汽蚀程度。叶片上的平衡孔对叶轮进口注入液流起着破坏干扰作用,平衡孔的面积应不小于密封环间隙面积的5倍,以减小泄漏流速,从而减小对主液流的影响、提高泵的抗汽蚀能力。

6)经验表明,从汽蚀产生的机理出发,向吸入口补充适量的气体可以破坏汽蚀发生的条件。但采用补气防止泵的汽蚀,其技术性很强,只有补气量、补气位置和补气方式恰当,才能取得良好的效果。否则,会使泵的流量、扬程和效率下降很多,甚至泵在运行中出现断流、引起不良后果。

鉴于这个补气量多少合适、如何准确计量补气量等不易控制,结合笔者的实践,建议补气阀采用可以进行流量调节的针阀,现场调节时可以通过汽蚀噪声来判别:通过针阀调节进气量,直至汽蚀噪声降到最小(有的系统可以完全消除噪声,但有的系统仅能减小汽蚀噪声,而不能完全消除),此时再将针阀回调一点,减少一点进气量,观察运行一段时间,直至在规定的各种运行工况下均没有发生性能异常为止,然后将针阀的开度锁定。这种方法切忌将声音降到最低!如果泵停止运行时的入口压力为正压,则应加装一只止回阀以防泄漏,如图4。

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        图4   补气法降低汽蚀噪声接管示意图   

7)有关研究发现,介质中含有易挥发性气体及沙粒等固体时,泵的汽蚀性能会下降。常近时教授对自来水行业用泵研究发现,我国城市供水的水中氯的含量一般在0.5 mg/L~1.3 mg/L,如果氯含量达到1.1 mg/L,初生汽蚀压力与临界汽蚀压力约为0.3 mH2O~0.72 mH2O。为了确保泵不发生汽蚀,泵的吸上高度要在清水的计算高度上至少降低4.2米。这一点在市政行业值得重视。

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汽蚀处理工程应用案例


4.1 案例1

2012年某水厂节能改造项目,原SH型双吸泵流量为1136 m3/h,扬程为 36 m,电机配用功率200 kW。

根据实际运行工况,改造后同样选用双吸泵,参数变更为流量1250 m3/h,扬程22 m,电机配用功率132 kW。该泵实际运行参数为:流量1398 m3/h,扬程21 m,出口压力0.19 MPa(G),入口压力 -0.02 MPa(G),此时有明显的汽蚀噪声。通过调节阀门泵运行在1200 m3/h时,汽蚀噪声消失,判断泵在1398 m3/h时发生了汽蚀。

1)尝试对叶轮叶片进行了修磨,汽蚀状况仅有轻微的改善。

2)经对现场进行详细了解、并与各相关方分析后认为:现场属于改造项目,吸入管路(直径偏小)管阻较大,泵偏大流量点运行。对叶轮重新进行优化设计,更换新叶轮后泵的运行参数为:流量1430 m3/h,出口压力0.19 MPa(G),入口压力-0.015 MPa(G),流量稍有增加,但轴功率降低了约10 kW,汽蚀噪声有所减轻,但依然较大。

3)建议在吸入管路开孔,加装一个球阀,通过球阀向吸入口补充空气。开始客户不同意,经过反复沟通,客户同意试试,试验后汽蚀噪声虽未完全消除,但明显减弱,达到客户可接受水平。此后每年进行回访,直至2017年该泵运行稳定,没有进行过解体维修。

该案例表明:可以通过优化叶轮设计降低泵的必须汽蚀余量,或吸入口适量补入空气破坏汽蚀形成的条件等来解决汽蚀问题或减轻汽蚀程度。

4.2 案例2

某水厂用泵额定运行参数为:流量4200 m3/h,扬程34 m;实际运行参数:流量为4300 m3/h,泵入口压力-0.015 MPa(G),出口压力0.336 MPa(G),泵的汽蚀余量NPSHr 为3.8 m。

理论上该泵不应该发生汽蚀,但靠近泵体却能听到明显的类似汽蚀的噼啪声,为了验证是否为汽蚀,试着打开该泵入口的排水阀,注入适量空气,声音立即消失,运行十余分钟后再次把排水阀关闭,声音立即再次出现,由此可以判定为汽蚀。

通过对该泵输送介质(为水)的调查,其含氯浓度约为0.7 mg/L,根据上文汽蚀原因3.2节 7)分析,该泵处于轻微汽蚀状态。使用了3.2节6)的方法处理后,汽蚀噪音基本消除了,该泵使用一年后客户反馈运行正常。

以上两个案例均采用了吸入口补气方法使汽蚀噪声得到减轻或消除,但在实际工程应用中也发生过由于填料函部位锈蚀,导致泵运行时从填料部位吸入过多空气而发生断流的故障,因此在使用该方法前,需要仔细检查(低吸入压力泵)填料函、接管法兰等处是否存在吸气。

在遇到实际汽蚀问题时,只有根据具体的选型、选材和使用现场的运行工况条件等进行综合分析,才能选择出适当的解决方法、并加以应用,并不是每种方法都普适所有现场。

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特别说明


上述2个“补气减轻或消除汽蚀噪声”的案例,都是用于低吸入压力(泵吸入口压力低于大气压力)工况。其实,该方法也适用于泵吸入口压力高于大气压力的工况。只是在高于大气压力工况时,需要考虑现场是否具有所需的稳定的气源。

对于普通离心泵,可以处理夹带少量气体(1 %至2 %体积含量)的液体。液体中夹带少量气体可以缓冲汽蚀汽泡坍塌所产生的冲击力,并可以减少由此产生的不良噪音、振动和侵蚀损坏。但是,当气体含量达到6 %时,普通离心泵就可能会产生汽蚀、气阻等现象,并导致性能(流量、扬程及效率)的急剧下降。

【参考文献】

1. Dieter-Heinz Hellmann   《离心泵大全》   清华大学出版社

2. 常近时   《水轮机与水泵的空化与空蚀》科学出版社

3. 陈允中等译   《泵手册》(第三版)   中国石化出版社

4. 古里希   《离心泵》(第三版)机械工业出版社



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