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离心泵的汽蚀现象及其防范措施

2018-05-02 22:38

by材料

  1.汽蚀的产生原理

  汽蚀是一种液体动力学现象,发生的根本原因在于液体在流动过程中出现了局部压力降,形成了低压区。根据物理学知识可以知道,对于某种液相介质,在一定温度下对应着一定的饱和蒸汽压Pv,当介质的压力小于Pv时就会发生汽化。离心泵运转时,介质进入泵吸入口后,在叶轮没有对介质做功前,压力是逐渐降低的,当压力降低到该处相应温度下的饱和蒸汽压时,介质就会沸腾汽化,使原来流动的介质出现大量的气泡,气泡中包含着输送介质的蒸汽以及原来溶解在介质中而逸出的空气。当气泡随同液流从低压区流向高压区时,由于转动的叶轮对介质做功,介质压力迅速上升,当压力大于该处相应温度下的饱和蒸汽压Pv时,气泡又会重新凝结成为液相,瞬间形成大量的空穴,而周围的液相介质以高速冲向空穴相互撞击,使得空穴处的局部压力陡增。这种液击是一种高强度、高频率的冲击,其压力可达数百个大气压以上,水击频率高达25000次/秒,材料壁面上因受到如此高频率、高压力的重复载荷作用而逐渐产生疲劳破坏。在某些工况下,泵送介质中可能溶解有活性气体(如氧气等),借助于介质由气相凝结成液相时会释放大量的热量,对金属产生电化学腐蚀,加速腐蚀破坏的速度,致使金属表面出现麻点、穿孔甚至断裂。这种在泵内出现的液相介质汽化、凝结、冲击,以致金属材料腐蚀破坏的现象总称离心泵的汽蚀。

  2.汽蚀的危害

  汽蚀会影响离心泵的正常运行,引发许多严重后果。

  

 

  2.1 汽蚀会使离心泵的性能下降

  离心泵是通过叶轮的旋转将能量传递给介质,转化为介质的压力能,但汽蚀会对叶轮和液体之间的能量传递造成严重干扰。当汽蚀发生时会在介质中产生大量的气泡,堵塞了叶轮流道,并在局部产生漩涡,增大流动损失,使泵的流量、扬程和效率均有所下降,严重时还会导致断流,使离心泵无法正常工作。从图1汽蚀严重时离心泵的性能曲线上来看,在汽蚀比较严重时,各项性能指标发生陡降。

  2.2 汽蚀会损坏过流部件

  在离心泵的过流部件中叶轮是受汽蚀影响最大的零件,当发生汽蚀时,金属材料表面会逐渐产生许多小麻点,继而麻点不断发展扩大呈蜂窝状、沟槽状,严重时就会形成穿孔,甚至造成叶轮的断裂,严重影响泵的使用寿命。

  2.3 汽蚀致使泵产生噪音与振动

  当发生汽蚀时,高频的液体相互撞击会产生各种噪音,严重时泵内会发出噼噼啪啪的爆炸声,同时诱发泵机组的振动,而泵机组的振动又会加速气泡的产生与破裂。当液击的频率与泵机组的固有频率相同时,就会发生强烈的汽蚀共振,使振幅迅速增大,此时若要保护离心泵不会发生更大的破坏,就必须立即停车检查。

  2.4 汽蚀制约了离心泵的发展

  随着科技不断进步,现代化工业要求离心泵要向大流量和高扬程发展,这就需要提高介质的流速,根据流体力学,液体流速越高,入口压力损失越大,更加容易产生汽蚀。因此,提高泵抗汽蚀性能,研究汽蚀机理,是离心泵发展中的重要研究课题。

  3.离心泵汽蚀的识别

  汽蚀是造成离心泵的性能和效率下降的主要原因之一,及时识别出汽蚀的发生,便于采取相应的防范措施,实际生产中可根据如下几种办法判别是否发生了汽蚀。

  3.1 根据扬程识别

  这是一种简单易行,且在业内得到广泛应用的方法。由图1可知,当汽蚀发生时,离心泵的扬程会急剧下降。API610标准中,将离心泵扬程(对于多级泵而言是首级扬程)下降3%,作为性能断裂的标志,并依此判定离心泵的必需汽蚀余量NPSHr的数值。通常当离心泵特性曲线上扬程下跌3%时,我们认为这个点是其发生汽蚀的临界点,但是在泵发生汽蚀的初始阶段,离心泵扬程的变化并不是很明显,而当扬程变化明显时,汽蚀已经发展到了一定程度,所以用扬程来判断离心泵的汽蚀具有一定的滞后性。

  3.2 根据噪音识别

  汽蚀发生时由于液体撞击会产生各种噪声,并且当汽蚀严重时,可听到泵内发出类似于爆竹的噼噼啪啪的声音。我们可以据此作为汽蚀的判断。

  3.3 根据振动识别

  离心泵的汽蚀伴随着泵体的振动,因此可以在泵体上加振动传感器,当泵运行时发现振动与正常有异,应该首先考虑是否发生了汽蚀。在实际生产中,我们可以根据经验感觉出泵体振动的不同,从而初步判定是否产生了汽蚀。

  4.泵汽蚀的防范措施

  根据汽蚀产生的条件,若要避免离心泵产生汽蚀,应当确保NPSHa>NPSHr,且应当留有一定的余量。据此,可以在离心泵的设计、制造、使用过程中通过提高NPSHa或者降低NPSHr来避免产生汽蚀。

  4.1 改进泵的结构设计

  改善泵的汽蚀性能,可以从降低泵的必需汽蚀余量着手,根据离心泵必需汽蚀余量公式:

  

 

  式中:v0——叶轮进口平均流速,通常指叶轮喉部液体绝对速度,m/s;

  ω0——叶轮进口处液体的相对速度,m/s;

  λ1——因液体从泵入口到叶轮进口段速度增大和流向改变引起能量损失的校正系数;

  λ2——流体绕过叶片头部的压降系数,与冲角、叶片数、叶片头部形状等有关;

  g——重力加速度,m/s2。

  从公式(1)看出,NPSHr仅与泵本身的结构有关,而与介质的性质无关,由此可以从如下几个方面改进泵的结构,降低NPSHr:

  (1)增大叶轮入口直径D0,可使叶轮进口流速v0减小;或者增大叶轮叶片入口边宽度b1,可使叶轮入口处液体的相对速度ω0减小。但需要注意D0和b1并非是越大越好,而是有最佳的设计范围,否则泵的效率会下降。

  

 

  (2)适当增大叶轮盖板进口段的曲率半径;将叶片适当的向叶轮入口边延伸,并尽量使进口处叶片薄;提高叶轮和叶片进口部分的表面光洁度;增大叶片进口角和采用正冲角;这些措施都可以降低流动损失,使介质流动更加平稳,从而降低泵的NPSHr。

  (3)选用双吸叶轮,介质从叶轮两侧流入,相当于增大了叶轮的入口面积,使流经叶轮每一侧的流量减少,从而降低叶轮的v0、ω0和λ2,提高了泵的抗汽蚀能力。

  (4)为离心泵安装诱导轮,可以对介质进行预增压,增大了叶轮入口处的介质压头,可以显著降低NPSHr。但诱导轮会增加轴向的安装尺寸,且安装了诱导轮的离心泵在小流量运行时,扬程会降低,从曲线上表现为出现了“驼峰”,因此在API610标准中是不推荐离心泵加诱导轮的。

  4.2 提高装置有效汽蚀余量

  在进行装置的设计时,尽可能进行优化设计,以提高泵吸入口的有效汽蚀余量NPSHa:

  (1)适当增大泵吸入管路的直径,采用尽可能短的吸入管长度,降低管路内表面的粗糙度,减少不必要的弯头、阀门等,以减少泵入口管段的管路损失,从而提高NPSHa。

  (2)增大泵吸入储罐介质压力,来提高NPSHa。

  (3)当装置所能提供的NPSHa不能满足泵要求时,可以选择合适的泵型,如筒袋泵,来降低泵的安装高度,提高泵吸入口处的压力。

  4.3 使用抗汽蚀材料或对过流部件进行涂层处理

  当离心泵受工况等因素限制,不能完全避免汽蚀的发生时,可以采用抗汽蚀性能良好的材料来制造叶轮,以延长叶轮的使用寿命。实践证明,材料的强度、硬度越高,韧性越好,化学性能越稳定,材料的抗汽蚀性能就越好,常用的材料如含有镍铬的不锈钢,铝青铜,高镍铬合金等。此外,采用以环氧树脂为基础的抗汽蚀耐磨材料对离心泵过流部件表面进行涂层处理比采用贵重的合金钢要经济的多。

  4.4 加强对泵的操作管理

  在离心泵运行过程中,注意对泵的正确操作,不当操作会人为诱发离心泵的汽蚀。

  (1)保证离心泵在允许工作区内工作。

  (2)避免使用入口节流的方法来调节泵的流量。

  (3)泵关阀启动的时间不能过长。

  (4)对于变速调节的泵,应避免泵的转速过高。

  5.结语

  汽蚀是影响离心泵正常运行和使用寿命的重要因素,了解其产生原理,采用适当的措施避免汽蚀的发生,可以降低或避免汽蚀产生的危害。本文介绍了避免汽蚀的常用措施,应根据具体的工艺要求和操作环境等因素,采用适当的措施来提高泵的抗汽蚀性能。

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