针对热水泵汽蚀现象的分析和解决方法

针对热水泵汽蚀现象的分析和解决方法

摘要：在如今的很多化工生产过程中，对于管路输送需要伴热要求，在100℃以下的情况下，大多数会选择简单经济的热水循环系统。在温度要求比较高的时候，比如说高于95℃，热水循环泵经常会出现异常情况，表现在噪音和振动，以及输出流量和压力上。针对这种热水循环系统的异常现象，本文通过理论计算判断是泵出现了汽蚀现象。汽蚀轻则会造成系统压力不稳流量减少，重则会降低泵的使用寿命甚至造成泵的损坏。因此使用过程中我们需要想方设法避免汽蚀的出现。本文通过理论推算，将泵的吸入高度提高了3.5米。然后再通过现场整改后的观察验证了之前的分析，泵的运转回归了正常，从而保证了热水循环系统的稳定运行，进而满足了工厂生产条件，为公司和客户消除了一个生产隐患。

关键词：热水泵汽蚀；热水循环系统；热水泵故障分析

作者公司乳化产品工艺生产线的输送管路部分对介质的温度有较高的要求，因此输送管路要求伴热温度在95±3℃，伴热系统选择的是热水循环系统，整个系统由热水箱（采用蒸汽加热），管路、泵和阀门组成，目前这套系统已在十多条生产线上得到推广应用。但在实际生产使用过程中，我发现很多工厂在热水的温度超过95℃时，热水循环泵的运行状态出现不稳定，具体表现为振动和噪音加大，输出流量出现异常波动，输出压力降低等，根据这种现象初步判断为泵出现了明显汽蚀。根据掌握的知识，作者大致分析了汽蚀的发生过程：水汽化时的压力称为汽化压力（饱和蒸汽压力），它汽化压力的大小和温度有关，温度越高，由于分子运动更剧烈，其汽化压力越大。20℃清水的汽化压力为233.8Pa，而100℃水的汽化压力为101296Pa（一个大气压）。可见，一定温度下的压力是促成液体汽化的外界因素。液体在一定温度下，降低压力至该温度下的汽化压力时，液体便产生气泡。这种气泡会降低泵吸入端的压强，当泵吸入压强降到水的饱和蒸汽压以下时，液体又会产生气泡。气泡聚集在一起，会在泵腔内在泵壳内形成一个充满蒸汽的空间，随着泵旋转，气泡进入高压区。由于压差的作用，气泡受压破裂而重新凝结，在凝结的一瞬间，质点互相撞击，产生了很高的局部压力，如果这些气泡在金属表面附近破裂而凝结，则液体质点就象无数小弹头一样，连续击打在金属表面，使金属表面产生疲劳和裂纹，甚至局部产生剥落现象，使叶轮表面呈蜂窝状，同时气泡中的某些活泼气体如氧气等进入到金属表面的裂纹中，借助气泡凝结时放出的热量，使金属受到化学腐蚀作用，上述现象即为汽蚀。汽蚀现象产生时，泵将产生噪音和振动，使泵的扬程、流量、效率的性能急剧下降，同时加速了材料的损坏，缩短了机件的使用寿命，因此需要极力避免和消除汽蚀现象。为了验证分析是否正确，我们通过以下计算来进行理论分析。

作者公司一直选用的热水泵型号为上海中耐制泵有限公司生产的IRG型单级单吸立式热水循环离心泵，适用于能源、冶金、化工、纺织、造纸，以及宾馆饭店等锅炉高温热水增压循环输送及城市采暖系统循环用泵，使用介质温度不超过120℃。1、吸入压力≤1.0MPa，或泵系统最高工作压力≤1.6MPa，即泵吸入口压力+泵扬程≤1.6MPa，泵静压试验压力为2.5MPa，整体采用铸铁结构，密封处为机械密封。

为了验证分析，选取我公司最常用的IRG25-160A这款泵，其标称流量3.7m3/h，汽蚀余量2.3m。同时，为方便计算，设定两个假定条件：1、泵所在区域的海拔高度为0米，即大气压为标准大气压101.3KPa，10.33m水柱为例。2、热水保持恒温98℃。

水箱的体积为600mm×1000mm×800mm（长×宽×高），容积0.48m3。水箱四脚支撑高度200mm，水位一般会定在80%的水箱高度，可以得出水箱水面的高度为840mm。水箱出水口与泵的进出水口的中心高度200mm，中间连接有一段长500mm的1寸镀锌管，在水箱出口上装了一个手动球阀，规格DN25，整体进水长度为570mm，属于简单管路系统。

收集了以上的信息，下面我们开始验证分析结果。

通常情况下，泵的特性表上标明的汽蚀余量是按20℃清水的输送条件下测定出来的。可以根据提供的汽蚀余量，计算出泵的允许吸上高度：

泵的额定流量为Q=3.7m3/h，1寸镀锌管外径33.7mm，壁厚3.2mm，内径d=27.3mm，内截面积，进一步计算出水的流速：，而98℃时水的运动粘度υ=0.32×10-6 m2/S。

故通过流速可以计算出雷诺数：雷诺数，因此可以判断出管路里水流状态为紊流。

因此可以计算出沿程管路的水头损失：

式中λ为水力摩阻系数，根据舍维列夫进行的钢管及铸铁管的实验，提出来计算过渡区及阻力平方区的阻力，新钢管。代入各项参数，计算得hf=0.16m，泵的允许吸上真空高度

现在输送的是约98℃的热水，98℃下水的饱和蒸汽压为94.3KPa，9.6m水柱即Hv=9.6m。0海拔对应Ha=10.33m。

于是[Hs]=Hs+Ha-10.33-（Hv-0.24）=-2.21m，Hg=[Hs]-0.5（安全量）=-2.71m

按照这个计算结果，热水罐的液面高度需要高出泵进口2.71m。如果吸入管路更长，或者弯头更多，则其高度还需要提升。针对这个计算结果，我们在现场进行了纠正，将一楼零平面上的热水罐移置到二楼，二楼标高 3.5m，泵仍在原位，取水口在罐子下方，相当于吸入管路长度增加了 3.5m，液位高度也增加了3.5m，并增加一个弯头。

按照重新布置计算新的hf1=1.27m，泵的允许吸上真空高度Hs1=6.04m，[Hs]=3.32m。而实际的液面高度为4.3m，高于计算的最低液面高度，因此理论上是可行的。

经公司技术会上讨论后，制定了整改方案，将热水罐移置到二楼，重新连接水管。完工后我们开始了热水系统的测试。

先开启热水循环泵，热水开始升温。最后的结果证实了我们的推测。水温升到98℃时热水循环泵仍能保持平稳状态运行，振动和噪音明显减小，出口压力较平稳，成功的解决了困扰公司的一个生产难题。

结论：

热水循环系统，在热水罐和热水循环泵的安装上，要考虑水在高温状态下其饱和蒸汽压的降低，此外还会出现闪蒸问题（水在一定压力下加热到一定温度，然后注入下级压力较低的容器中，突然扩容使部分水汽化为蒸汽的过程称为闪蒸），闪蒸会加剧泵的汽蚀。当出现汽蚀时，可以从以下途径着手：

1.减少吸入管路的长度，尽量减少弯头和阀门的数量，以减小水的沿程水头损失。

2.吸入管径要求不小于泵的吸入口通径。也可以适当增大一级管径，可降低吸入端水的流速和吸入的水头损失。

3.提高热水液面高度，以提高吸入端压力。

4.离心泵更换为自吸能力更强的型号，或者自吸泵。

总体来说，第3条方案是个投资节省同时易于实施的方案，因此我们采用了第三条。这四条可以因地制宜采用其中的一种或者同时几种，直至改善泵的运行状态，消除汽蚀现象。

参考文献：

[1]王宇清.流体力学泵与风机.中国建筑工业出版社，2001.12

[2]中国国家标准.GB/T3091-2001低压流体输送用（镀锌）焊接钢管

[3]陈卓如.金朝铭.王成敏.包钢主编.工程流体力学.高等教育出版社，1992.9

[4]《机械工程师手册》第二版编辑委员会.《机械工程师手册》.机械工业出版社，2000.6