泵友圈
新闻详情

有奖征文 | 离心泵汽蚀的典型症状、判别及监测

作者:谢小青1 李艳杰2
1. 上海电气凯士比核电泵阀有限公司   
2. 吉林宇琦泵业有限公司
封面图/KSB

注:

1. 本文参与泵友圈有奖征文活动《泵友圈有奖征文,广邀各路英雄豪杰!

2. 版权说明:版权归泵友圈所有,文章转载或引用需要征得作者同意。



摘   要:离心泵最常用的监测是温度和振动监测,而对于常见的汽蚀监测却极少,这对于那些特别重要工况的离心泵来说,将是一种潜在隐患。文章从一些典型的汽化汽蚀症状着手,通过不同的监测来判断汽蚀的开始、正在发生或即将发生。最终的目标是为业主检修、维护留下足够的时间窗口,由被动式维护转变为预测性维护。


关键词:离心泵   汽化汽蚀   症状   判别   监测

图片

前言



汽蚀广泛发生在许多不同的泵送应用中,是一种可能对离心泵造成极大破坏的现象,是运行工况不当的直接结果。


目前较普遍的共识是,汽化汽蚀是由液体通过叶轮时压力变化引起的两种变化:


1)当液体通过入口管路进入泵体内部时,压力会略有下降。下降量取决于特定泵该部分的几何形状及尺寸,并因泵而异。然后,液体进入旋转叶轮的进口,在此处将发生显著的压降。如果叶轮进口处的压力低于泵送液体的汽化压力,则会发生汽化汽蚀过程的第一种变化,气泡的生成。


2)在叶轮离心力的作用下将气泡输送到叶轮叶片上时,它们立即被重新加压,并在一系列内爆中坍塌,从而出现了该过程的第二种变化,即气泡的坍塌。


在气泡凝结缩小、破裂的瞬间,气泡周围的液体将高速填充气泡凝结破裂形成的空腔,产生强烈的冲击波。虽然一次这样的冲击波是微不足道的,但它们不断增加的重复性和严重性,会产生远远超出大多数叶轮材料屈服强度的能量级,并对其造成损伤。


本文结合了不少工程应用经验,从汽化汽蚀所表现出来的典型症状着手,区分了其与回流汽蚀和夹带空气汽蚀的不同,列出了不同的监测方式以判断汽化汽蚀的开始、正在发生或即将发生。最终的目标是为业主检修、维护留下足够的时间窗口,由被动式维护转变为预测性维护。



图片

汽化汽蚀的典型症状



对于很多离心泵用户及离心泵的从业人员来说,通常对于汽化汽蚀的症状都有一些大概的了解,具体如下:


1)压力波动。汽化汽蚀发生的必要条件是泵(叶轮)的入口压力接近或不大于泵送介质的汽化压力,也就是说,汽蚀的发生是因为入口压力的降低(波动);


2)出现噪声。汽蚀噪声通常听起来像声调高的噼啪声,当汽蚀趋于严重时过渡到强烈的嘎嘎声,但声音相对较稳定、有规律;并伴随


3)性能下降。泵的扬程和输出流量会下降;并出现


4)振动增加。汽蚀发生时,通常会伴随着振动的显著增加;并产生


5)汽蚀破坏。由于NPSH安全裕量偏小或不足,汽化汽蚀会引起过流零件的腐蚀 - 如在叶轮入口叶片的低压侧表面形成小的凹坑。



图片

容易出现混淆的症状



汽蚀仍然是一个难以准确判断的问题,原因是汽化汽蚀的典型症状与其它三种情况相同。这意味着,当我们遇到独特的噪声和高振动水平时,它们也可能是由入口或出口回流或夹带空气引起的,而与入口压力无关[1]。


2.1 入口回流


这种情况是由各种类型的不稳定性造成的,例如当泵在偏小流量工况下运行时,叶轮中可能发生的湍流、回流和漩涡的共同作用。有时被称为“脱流”或“流体动力”汽蚀,这些流动模式在小流量下将加剧。发生这种情况的流量会因叶轮的不同而不同。


2.2 出口回流


出口回流是一种类似的情况,会导致叶片叶尖处的点蚀损坏,有时还会在(蜗壳式泵)泵蜗舌处造成点蚀损坏。它也可能是由于泵在偏小流量下运行引起的。


2.3 夹带空气


夹带空气包含了多种情况,其中,蒸汽气泡在到达泵之前就已经存在于液体中。当它们到达叶轮进口时,会发生完全相同的事情,就好像它们是在那个点被创造出来的一样。换言之,蒸汽气泡到达叶片后开始承受不断增加的压力并因此发生坍塌,在相同的位置造成与汽蚀相同的损坏。


由于夹带空气在与汽化汽蚀完全相同的位置对叶轮造成相同的点蚀损坏,因此可能会造成故障诊断上的混乱,尤其是在相同的工况中,两者可能同时发生。然而,快速比较NPSHA和NPSHR,结合对管道特性的目视检查,通常有助于确定所谓“汽蚀”的根本原因,并解决夹带空气问题。


2.4 异同点


常规的汽化汽蚀、夹带空气和回流汽蚀都会导致叶轮上的点蚀损坏,这是由气泡的形成和随后的坍塌造成的。它们之间的区别在于形成气泡的方法以及由此产生的叶轮损坏的位置不同。


随着所有这些情况的严重性增加,噪声、振动和叶轮损坏也会增加。在恶劣的情况下,点蚀损坏会蔓延到整个叶轮,也可能延伸到泵壳体。


所有这些情况都有一些相似的症状。因此,它们可能被错误地诊断。然而,它们是由三种不同的情况引起的,通过关注这些根本原因,可以简化、并准确诊断。


必须认识到,对叶轮的损伤只是上述三种情况的一个后果。



图片

汽蚀的判别



总的来说,最大的问题是,当遇到噪声和振动的常见症状时,如何确定是上述三种水力工况中的哪一种。


可以通过调节泵出口阀的开度减少泵的流量,然后根据流量变化对噪声和振动产生的效果来进行判别。调节泵的出口阀门,减少通过泵的流量,会产生三种可能的情况[1]:


1)噪声和振动会明显变小,甚至可能完全消失。

2)噪声和振动会变得更严重。

3)噪声和振动变化很小或没有变化。


第一种情况,在流量减小的情况下泵运行得更安静、更平稳,表明汽化汽蚀正在消除。


第二种情况,噪声和振动变得更严重,表明泵在低流量下出现了回流。


第三种情况,噪声和振动变化很小或没有变化,表明存在夹带空气问题,不会立即受到流量变化的影响。


另外,一些经验表明,正常的汽化汽蚀引起的破坏出现在叶轮入口叶片的低压侧(非工作面),而回流汽蚀引起的破坏在叶轮叶片的承压侧(工作面)。同时,回流汽蚀产生的噪声是不规则的噼啪声。



图片

汽蚀的监测



离心泵最常用的监测是温度(如轴承温度)和振动监测。由于涉及到投资成本问题,绝大多数离心泵都没有配备专门的汽蚀监测设备。


汽蚀监测可分为两大类:


1)被动式监测。汽蚀已经发生且较严重,并伴随着出现非常明显的外特性症状,如噪声和振动的显著增加、性能的下降等。


2)主动式监测。汽蚀可能在不久的将来发生,或者汽蚀已开始但处于早期阶段,并没有出现非常明显的汽蚀症状(如已开始出现少量气泡,无明显汽蚀外特性症状)。


4.1 压力监测


如果泵的入口压力出现明显的下降或者突降,且当其低于某一值时,便可能发生汽蚀。


1)采用泵入口压力测量仪表(如压力表、压力变送器)所测到的压力值减去汽化压力(换算成扬程),就可以判断出NPSHA是否大于或等于泵制造厂特性曲线上所要求的NPSHR。这是一种最简单、最常用的被动式汽蚀监测。


2)安装于泵的入口(尽可能靠近叶轮吸入口)的压力变送器,还可用于监测压力波动,一旦压力波动超过某一范围或某一值,泵可能会面临汽蚀的风险。通过压力变送器在线连续监测,可以获取压力变化的趋势,然后对可能发生的汽蚀作了相应预测。为此,被动式汽蚀监测变成了主动式监测。


4.2 噪声监测


当蒸汽气泡到达高压区时,它们会发生内爆、坍塌、凝缩成液体并产生冲击波。快速内爆会产生与汽蚀相关的特征性噼啪声,听起来像石头穿过泵体。


汽蚀噪声是泵和系统发出的总噪声的一部分,通过使用合适的声音测量设备持续在线监测,分析噪声的发展趋势,并预测汽蚀可能发生的时间、汽蚀的强度、潜在的腐蚀能力等。这是主动式汽蚀监测。


汽蚀噪声频率一般为10 kHz~100 kHz,而回流引起的汽蚀噪声频率在几百Hz左右[2]。


4.3 性能监测


汽蚀发生时,除了会产生明显的噪声以外,还会伴随着泵流量和扬程的下降。可以采用流量监测设备(如文丘里管、流量喷嘴等)和扬程监测设备(如差压变送器)适时监测流量和扬程的变化趋势。


4.4 振动监测


汽蚀发生时,除了会产生明显的噪声以外,还会伴随着泵振动的增加。


振动传感器用于振动监测。离心泵上通常会用到两种振动传感器:


1)趋近式振动传感器,用于测量泵轴的相对振动。轴振动测量应为峰-峰值位移,单位是μm。


2)加速度振动传感器,用于测量泵轴承箱的绝对振动。轴承箱的振动测量应该用均方根(RMS)速度,单位为mm/s。


对于装有流体动压轴承的泵,通常采用趋近式(涡流)振动传感器;而对于安装滚动轴承的泵,通常采用加速度振动传感器;如果泵径向轴承为流体动压滑动轴承、而推力轴承是7300系列背靠背安装的角接触球轴承,那么最佳的配置方法是在径向轴承采用趋近式振动传感器,而推力滚动轴承选用接触式加速度振动传感器。不过,这种配置在工程实践中很少遇见。


上述这种振动监测方法通常与噪声一起用于间接判定泵是否发生了汽蚀。


还可以通过测量泵的振动频率(汽蚀产生振动的主要频率一般在1 kHz左右[2]),来直接判定是否发生了汽蚀。


不同水力原因(振动激励源)而产生的振动频率如表1所示。


表1:不同激励源而产生的振动频率[3]


振动频率

振动激励源

0.1倍运行转速

导叶/扩散器脱流(内部回流)

0.8倍运行转速

叶轮脱流(内部回流)

叶片数 × 运行转速

叶片/蜗壳间隙和汽蚀


目前的工程应用中,振动监测基本属于被动式汽蚀监测。如果持续在线监测泵的振动频率,一旦发现了上述振动频率分量(说明泵已开始出现汽蚀,但属于早期),可及时发出汽蚀预警,用户将根据实际情况进行干预或重点关注。这样,被动式汽蚀监测就变成了主动式监测。


4.5 气泡监测


气泡监测只能在透明的泵壳体上进行,使用快速摄像机观察叶轮入口处汽泡的发生、发展情况。


对于高附加值、重要工况用泵,如百万机组核电站常规岛主给水泵,为了确保其在任何规定工况下均不会发生汽蚀、并能够长期安全可靠运行,KSB公司将第一只气泡产生(即汽蚀初生)时作为汽蚀的判别依据,并以此来选择前置泵的扬程。


不过,由于各方面的原因,气泡监测目前并未直接应用到工程实践中。国际上仅极少数跨国泵公司(如德国KSB)在重要工况用泵上进行气泡测试。


4.6 电机扭矩监测


对于采用变频驱动的泵组,可以使用智能变速驱动器(VSD)- 也称为变频驱动器(VFD)的功能来监测。除了能源效率的好处和各种有用的功能(例如,清洁并清除泵的堵塞)之外,一些VSD现在还集成了防汽蚀软件。这使得在不增加任何额外成本和提高系统复杂性的情况下防止汽蚀成为可能。


智能VSD内置的防汽蚀软件,使用算法测量泵的扭矩和转速,以检查是否存在表明发生汽蚀的特定模式。由于直接从泵轴进行测量,检测过程中没有延迟,因此响应几乎是即时的。当检测到汽蚀现象时,VSD可以自动调节泵转速以对压力变化做出反应。一旦泵停止汽蚀,它将恢复正常运行。图1显示了防汽蚀算法背后的工作原理[4]。


图片

图1:防汽蚀算法检查泵电机扭矩如何随时间变化


VSD算法通过将轴上测得的扭矩与公称扭矩进行比较,来检测汽蚀的开始。如果汽蚀现象已开始,那么以红色显示的扭矩曲线开始上升。软件通过将蓝色显示的转速基准调整到较低的水平来做出响应。这会导致实际电机转速降低,如绿色所示。算法可以调整以适应不同的运行工况。在许多情况下,如果电机转速降低后汽蚀持续时间超过设定时间,VSD将设置为停止电机运行。在其它应用中,可能需要在检测到汽蚀时立即停止电机运行。


现在,新一代智能VSD使得在驱动器内实时解决泵的汽蚀问题成为可能。驱动器内置的防汽蚀软件,意味着不需要传感器或可编程逻辑控制器(PLC)等额外组件。唯一需要做的额外工作是设置运行参数。


其结果是,通过检测泵电机轴上的扭矩变化,可立即发现汽蚀造成的潜在流动问题。这提供了消除汽蚀现象的准确、即时响应。这是一种新型的主动式汽蚀监测。



图片

总结


1)汽化汽蚀发生的必要条件是泵(叶轮)的入口压力接近或不大于泵送介质的汽化压力。


2)汽蚀仍然是一个难以准确判断的问题,汽化汽蚀与入口回流、出口回流和夹带空气引起的汽蚀都会导致叶轮上的点蚀损坏、噪声和振动的明显增加。它们之间的区别仅在于形成气泡的方法以及由此产生的泵损坏的位置不同。


3)可以通过调节出口阀的开度减少泵的流量,然后根据流量变化对噪声和振动产生的效果来对汽蚀进行判别。


4)汽蚀监测可分为被动式监测和主动式监测。主动式监测可以在汽蚀产生破坏之前提出预警,并给维修预留出足够的时间窗口。


5)对于采用变频驱动的泵组,新一代智能VSD使得在驱动器内实时解决泵的汽蚀问题成为可能。


【参考文献】

[1] Ross Mackay, Diagnose and rectify the basic problems plaguing centrifugal pumps, pumpsandsystems.com

[2] 焦伟才,谢小青,服务工程师谈离心泵汽蚀及现场成功案例,《泵友圈》,2021年8月17日

[3] 谢小青,API 610标准的解读:振动篇,泵工程师,2017年6月号总第63期,P48-53

[4] James Chalmers, Decreasing the Risk of Pump Cavitation for the Water Industry, pumpsandsystems.com