離心泵的汽蝕及預防措施

鐘亮 戚得新 周豪

摘要： 汽蝕是離心泵失效的重要方面，對離心泵有相當大的影響。本文簡要介紹了離心泵圖中發生水泵汽蝕的各種原因、汽蝕發生現象的各種分類、汽蝕可能產生的各種危害，提出了實際工業生產中用于預防發生汽蝕的各種措施，如盡量降低離心泵的整體安裝量和高度，減少空氣吸入泵和管道的空氣阻力等等該方法可用來有效抑制高壓離心泵的發生汽蝕。

Abstract： Cavitation is an important aspect of centrifugal pump failure and has a considerable impact on centrifugal pumps. This article briefly introduces the various causes of water pump cavitation in the centrifugal pump diagram， the various classifications of cavitation phenomena， and the various hazards that cavitation may cause， and proposes various methods for preventing cavitation in actual industrial production. Measures， such as reducing the overall installation volume and height of the centrifugal pump as much as possible， reducing the air resistance of the air suction pump and pipeline， etc. This method can be used to effectively suppress the occurrence of cavitation in the high-pressure centrifugal pump.

關鍵詞： 離心泵;汽蝕;原因;預防措施

Key words： centrifugal pump;cavitation;cause;preventive measures

中圖分類號：TH311 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0100-03

0 ?引言

離心泵式輸油泵在各種液體塑料原油的生產加工以及生產傳動輸送泵的過程中由于在其應用非常的廣泛，這樣它也就是一種非常常見的大型各種液體塑料原油傳動輸送泵的機械傳動裝置，而各種類似汽蝕作用反應這類現象無疑的也是離心泵日常維護工作以及運行維護過程中頻繁存在出現的并且頻率很高的一種常見安全問題，汽蝕作用反應這類現象的頻繁出現存在對于液體原油傳動離心泵的正常工作運行維護工作會對它具有一定的不利性和影響，同時這也可能會給離心泵的日常運行管理、維護等日常設備工作運行過程中會帶來麻煩，為了有效的的保證液體原油傳動離心泵的正常工作運行維護工作，延長離心泵的正常工作使用壽命，采取有效的安全防護管理措施，防止各種類似汽蝕作用反應這類現象的頻繁存在出現等這些都是非常十分的很有必要的。

1 ?離心泵的工作原理及汽蝕現象的產生機理

1.1 燃油泵輸油系統工作原理

原理采用電動力傳動牽引內燃機車牽引柴油機的燃油動力供給主要是依靠一套燃油泵備用輸油裝置系統啟動裝置，因此，為了有效保證牽引柴油機正常供油，在牽引機車上需要裝有2套泵的燃油泵備用輸油裝置系統啟動裝置，一套泵的使用，一套泵的備用。因此當正常工作的一套燃油泵備用輸油裝置系統啟動裝置內部發生嚴重故障時，可以人工脫扣啟動另外一套泵的備用輸油裝置正常工作。牽引機車是在牽引電動列車運行中，當一套備用燃油泵輸水系統裝置發生嚴重故障后，必須在一到兩個機器間進行人工啟動斷開閉合控制該套系統的人工脫扣啟動開關3dz，閉合斷開控制另一套系統的人工脫扣啟動開關4dz。實際機車運用中，司機在正常操縱牽引機車的運動同時，既要注意瞭望機車線路、信號運行狀況，還要隨時監視機車監控器的工作動態，所以對機車燃油泵和壓力的自動變化有時不能及時發現，尤其主要是帶有燃油泵的發電機自動偷停的發生故障很難及時發現。一旦司機耽誤工作時機，柴油機就可能會自動出現頻頻冒黑煙、大幅度的晃悠車，導致牽引柴油機無法停機，造成牽引列車無法停車發生事故，嚴重的會影響牽引列車安全正常運行。

1.2 汽蝕現象的產生機理

離心式油泵在正常高速工作的運行過程中，葉輪往往會不斷進行高速的橫向旋轉，貯存燃料槽內的氣體液面與離心泵的葉輪吸入泵出口壓的液面之間必然往往會同時存在一定的蒸汽壓強差，當被葉輪吸進的這些液體的液壓飽和最高蒸汽壓力的pv常常大于葉輪所吸進口處的最低蒸汽壓力濃度pk時，所有被吸進的這些液體就會在葉輪的所吸進口處快速發生局部氣化反應現象，在這種特殊情況下，液體進口中的活性氣體也會快速產生對流逸出口的現象，在葉輪所吸進口附近處就會形成大量的活性小氣泡，如果這些氣泡內的局部氣化反應壓力常常小于這些液體內的壓力，葉輪所吸入口處的這些液體就必然會快速發生相互間的撞擊，這種液體局部氣化壓力的迅速不斷增大往往會對這些液體的正?？焖賯魉瓦^程造成很大的不良影響，同時，液體對周圍的一些金屬表面氣體進行快速的、頻繁的相互撞擊時也會直接造成周圍金屬表面的受熱損壞。另一方面，液體中很多時可能還仍然存在著一些諸如氧氣等活性發泡氣體，而此時的活性氣泡的發熱量又會很高，很容易直接造成周圍金屬表面的受熱腐蝕。（如圖1所示）

2 ?汽蝕理論和汽蝕參數

2.1 汽蝕理論

離心泵在機油泵正常運行工作時，葉輪由傳動機械臂或原動機上的旋轉齒輪驅動流經葉片間并作一定軸向速度高速旋轉徑向高速運動，迫使液體流經通過葉片間的外緣流動物在液體也隨之高速運動時并作徑向高度旋轉高速徑向運動。同時，因為與高壓離心力的相互作用，液體由葉輪中心向流經葉片間的外緣高速運動時并作徑向高度旋轉高速運動，隨后液流使其通過進入葉輪上的蝸殼。此時流動液體在通過葉片流經葉輪的高速旋轉運動徑向旋轉輸送過程中后即可以高速獲得動能，液流在其通過進入葉輪上的蝸殼后因過大的流量而流動時表面積的最大幅度有所增大而使之徑向減速，動能隨之高速轉化從而轉變成作為泵的軸向轉動壓力做能。轉動壓力做功即通過高壓離心泵的高速轉動壓力做功，液體從泵的軸向壓力低壓離心泵運動轉變成作為泵的軸向壓力高壓泵后即可輕松實現各種固體石油物料的高速旋轉輸送。

流動區會形成一個低壓溢流區，而且從入口流出來的氣流還未完全獲得葉輪的內部足夠流動能量，即使葉輪無法將外界外的熱量直接導入，也會很易于不斷出現葉輪壓力密度低于規定液體時的氣化溢流壓的異常情況，此時葉輪泵內就會不斷產生空化閥和汽蝕閥的現象[6-11]。汽蝕過程是汽沫液體在汽泡流動中迅速嬗變為氣泡汽體、再經過回歸嬗變為汽泡液體的一個過程，即它是汽泡液體產生、發展及汽沫破裂的一個過程，從而由汽泡液體產生發展到汽沫消失所用的周期時間極短，是一個復雜的液體動態物理過程。氣泡汽化的最終結果就是在汽泡液體中仍然產生很多液體汽泡，汽泡中仍然充滿了大量液體汽泡蒸汽以及少量不能溶解于汽沫液體或水中的汽泡氣體。但是當這些汽泡蒸氣隨汽沫液體流動進入低溫高壓區時，汽泡就可能會迅速發生破裂，周圍汽泡液體迅速破裂填充原來在汽泡中的空穴，產生巨大的一種屬于內向液體爆炸侵蝕性質的外向冷凝液體沖擊，隨之液體蒸汽又重新開始凝結而形成汽沫液體，汽泡從此消失。而在汽泡液體破裂后的過程中，有一部分小的汽泡液體是直接附著在驅動導流器的組件表面上并經破裂后再凝結而形成汽泡液體的，這部分汽泡液體蒸汽如同無數細小的高頻圓形撞擊錘一樣撞擊到了金屬表面，造成了對金屬表面的嚴重侵蝕。

2.2 汽蝕參數

npsh泵液體吸出輸入口處小于單位液體質量的汽化液體等于超出當泵液體最大汽化輸出壓力的富裕輸出能量（以m或m液體圓柱計），稱之為汽蝕壓力余量。其最大值通常等于從液體基準面質量算起的當泵液體吸入輸出口的總最大吸入壓力時即減去該質量液體的最大汽化輸出壓力（又稱絕壓，以m或m液體圓柱計），即：

式中

Ps——泵吸入口壓力，Pa;

Pu——液體在該溫度下的氣化壓力，Pa;

us——泵吸入口平均速度，m/s;

ρ——液體密度，kg/m3。

3 ?離心泵出現汽蝕的常見原因及其危害

3.1 汽蝕的原因

離心機械泵和機汽蝕是否不能同時出現有效泵泵汽蝕，主要與有效離心泵泵和機汽蝕期間累積溫度余量（npsha）和必須同時防止泵泵汽蝕期間累積溫度流量（npshr）間的高低關系有關，有效離心泵泵和機汽蝕期間累積溫度余量不能同時出現明顯溫度下降，汽蝕期間累積溫度流量明顯溫度上升，兩者的旋轉方向的相交點就是必須防止有效汽蝕的一個主要臨界點。有效離心泵泵和機汽蝕期間累積溫度余量的明顯溫度下降直接就可能會出現導致有效離心機和動力泵不能同時出現有效泵泵汽蝕期間累積余量現象。所以這是引起有效離心泵泵和機汽蝕期間累積溫度余量不能明顯降低的主要原因汽蝕累積原因所需要具有的條件是包括如下下列幾個主要汽蝕方面：

①大口徑流量污水引起葉輪泵軸進口水泵速度不斷增加，從而直接引起了水泵泵軸進口至葉輪以及泵軸進口至泵管路過程中的水流壓力梯度增加;

②系統的變化引起進口壓力損失;

③活動泵體和進口運輸系統中活動液體被意外受熱加溫，引起活動泵體和進口系統液體加熱汽化后的壓力急劇升高。

3.2 離心泵汽蝕的危害

汽蝕對離心機和泵來說有許多大的危害，長期在葉輪斷裂機的工況下正常運行，會很快地致使葉輪上的材料結構出現疲勞及脆性剝蝕，從而嚴重影響離心泵的正常運行工作。

3.2.1 汽蝕產生噪聲和振動

離心機在進氣泵內部轉動產生劇烈內部汽蝕時，氣泡泡沫液體流道進入一個溫度高壓而且壓力大的區域之后氣泡會迅速速度增大從而縮小并迅速發生氣泡破裂，由于整個泡沫氣泡迅速發生潰滅，造成泡沫氣泡塊狀液體泡沫微粒擴散集團之間及其他泡沫液體氣泡微粒擴散集團與其他氣泡液體流道的表面和氣泡壁面之間的劇烈摩擦撞擊，因而有時可能會直接聽到產生各種不同的高頻率和大強度范圍的復雜電磁波和噪聲，一般這種電磁噪聲直接產生時的頻率在600～2500hz之間，有時也甚至可能會直接聽到產生各種具有更高頻率強度和低頻率的復雜電磁波和超聲波。如果內部汽蝕嚴重時，可能會直接聽到離心機從泵內在泵腔內發出有噼噼啪啪的高頻爆炸振動聲音，并且可能會直接引起離心泵的劇烈高頻振動，致使整個離心泵不能正常運行工作或者運行。

3.2.2 汽蝕降低泵的性能

在該機與泵內部發生潛伏模式模型汽蝕的這個初始實際操作運行階段，泵的內部機械性能參數沒有顯著性的發生變化，對整個機與泵的外部性能結構及其特性亦就毫無明顯性的直接影響，因而又被人們稱為一種具有潛伏性的的模式模型汽蝕，往往不被當時代的人們所覺得十分注意。長期以來也正處在這種具有潛伏性的模式模型汽蝕實際操作運行工況下的一些實際工作中的機械和零部件往往至少會直接使整個泵內部受到一些嚴重破壞。但由于有待這種潛伏模式汽蝕操作工況繼續發展至少能達到一定的無損害性的程度，汽泡大量積液繼續重復產生和迅速出現潰滅，堵塞了多余液體輸出流道，破壞了泵內各種多余流量液體的穩定流動性和連續性，使整個機與泵的多余液體輸出流量、揚程、效率均明顯相比有所大幅下降，嚴重時還極有可能導致使其從整個泵內部的呼吸中得不到以上各種多余量的液體，這時候的整個泵已完全處于無法及時恢復而能繼續正常的泵工作了。

4 ?提高離心泵抗汽蝕能力的措施

4.1 提高離心泵的自身抗汽蝕性能

4.1.1 合理改善優化葉輪幾何形狀整體結構 ?葉輪幾何形狀整體結構對石化工業采用離心泵葉片齒輪有重要的對抗運動防御影響，合理對葉片齒輪軸的輪體幾何形狀結構整體尺寸與葉輪軸的形狀整體結構尺寸進行綜合設計并經改進后就一定可有較高效率地徹底防止離心泵的葉輪葉片汽蝕發生老化衰退現象，具體方法設計建議闡述如下：①合理改善優化葉輪提高葉片驅動進口葉輪蓋板內壁直徑;②合理優化改善選擇采用葉輪驅動進口蓋板沖角;③合理優化改善齒輪提高采用葉片葉輪驅動進口葉片蓋板內壁厚度;④合理改善選擇葉輪前驅動進口葉片蓋板的最大進口曲率和前進口蓋板半徑。同時還充分考慮到了可以適當改善采用葉片齒輪驅動延伸法來提高驅動葉片葉輪蓋板進口邊緣的延伸方向、提高葉輪驅動葉片蓋板進口邊對葉輪流道的粗糙度和硬化侵蝕程度、合理改善采用齒輪布置平衡孔、適當改善采用齒輪提高葉片齒輪驅動葉片蓋板進口數的多種設計方法等都可以有效提高我國石化工業采用離心泵的輪軸對抗葉輪葉片汽蝕的運動防御能力。

4.1.2 新材料技術大大提高過流汽蝕防護能力 ?目前采用復合化學材料涂層、表面處理化學涂層熱處理、焊接涂層、補焊和其他合金材料粉末涂層噴涂的多種方法，均主要是通過采用增加過程渦流溢壓斷面泵體表面涂層硬度或增加在過程溢流斷體表面涂層形成汽蝕保護層的一種方法使用來大大提高液壓泵的過流汽蝕防護能力。臨床實踐證明，采用節能環保聚氧乙烯樹脂、聚氨酯等復合材料或將涂層貼在過流保護部件的泵體表面，其汽蝕防護作用時間可以提高幅度大于2.5倍，使用壽命可以延長將近一倍。

4.1.3 葉輪可以采用一種抗壓和汽蝕鑄鐵材料 ?由于很難完全有效防止離心液壓泵葉輪出現抗壓汽蝕，可以考慮選用一種抗壓和汽蝕鑄鐵材料為其制造的葉輪，以大大延長其葉輪使用壽命。鑄鐵材料的化學強度、硬度、韌性系數越高，化學性質穩定性越好，抗壓和汽蝕保護性能就越強。

4.2 優化離心泵安裝、使用和運行參數

①離心泵泵的安裝高度合理。最小泵的離心安裝高度不得小于最大泵的安裝高度就這樣可以有效保證離心泵本身不會長期出現被蒸汽蝕蝕的現象。②有效降低企業吸入道路管道汽蝕阻力。在企業進行吸入管路汽蝕設計時，可以通過采用增加吸入管徑、降低吸入管道內水力流速、減少吸出管道吸入附件、縮短吸入管道附件長度的多種方式，以大幅減小由于吸入進出口的管道水力流動損失，從而可以達到快速提高有效率的汽蝕保護余量的設計目的，可有效率地提高液壓離心泵的流動抗壓和汽蝕保護能力，該設計方法簡單而又實用。③適當調整起動轉速。適當的轉速降低離心泵的起動轉速，可以有效使用離心泵的后期汽蝕累積余量實現成平方向的降低，可有效率的減少離心機在泵后期出現大量汽蝕的發生機率。

4.3 CFD技術改善離心泵汽蝕性能

由于離心式水泵葉輪泵的流動條件情況復雜，常規方法提高水泵汽蝕過程試驗計算方法性能具有一定的技術弊端。cfd（臨床計算水泵流體機械動力學）：其技術特點是通過臨床實驗室的數據分析建立水泵汽蝕與葉輪水泵幾何流體形狀的相互關系計算模型，是有效提高葉輪水泵汽蝕試驗性能的一個強有力的計算工具，具有技術應用領域范圍廣、計算分析能力強、計算結果可靠等諸多技術優勢。

5 ?處理汽蝕問題實例

某熱水廠2臺臥式取暖吸水泵正常運行很長一段時間后，出現葉輪振動、聲音也大，水泵葉輪盤根出口處有氣體被吸入，未見任何水向外流或滴落。零件解體后我們發現葉輪泵的入口處有許多圓形凹坑，初步分析認為吸水泵出口發生了汽蝕。我們進行現場排查分析發現：該吸水泵實際設計時水流量7000m3/h、揚程56m，由于每個泵口和出口只有一個拍門，無有泵流量自動控制閥，實際正常運行時泵流量8200m3/h，也就是說該泵長期在偏大的泵流量大的工況之下運行;其次，入口處的攔污柵處可能有許多樹枝和其他塑料袋等灰塵雜物造成堵塞。

我們經過分析，造成吸水泵出口汽蝕的根本原因主要是指當吸水泵在管路中的阻力過大增加時會導致吸水裝置發生汽蝕而使余量葉輪npsha強度降低;而正常運行時泵流量的阻力加大則會使得葉輪npshr強度增大，最終可能導致吸水泵出口發生過大汽蝕。應急處置解決措施：將葉輪改為采用鋼板手工焊接的，將葉輪外徑尺寸減小到合適葉輪尺寸（這樣即可以控制正常運行泵的流量），并定期用水清理入口攔污柵，此后未見泵出現過大汽蝕余量問題。

6 ?結語

離心機對泵正常汽蝕的處理危害通常是嚴重的，掌握離心泵的正常汽蝕處理性能，根據我國原油工業生產的實際使用情況，查找汽蝕原因，制定處理措施，正確地進行選擇采用相應的處理方法措施加以解決，可以有效保證離心泵的合理正常運行，提高離心泵的正常工作效率，防止其他汽蝕及其嚴重危害的同時發生。

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