离心泵汽蚀原因及防范措施

离心泵汽蚀原因及防范措施
摘要：通过对离心泵汽蚀原因进行分析，提出改善离心泵汽蚀性能的几个方案。

经过比较并结合现场实际，在不影响正常生产的前提下，提出解决离心泵的汽蚀问题的措施。

关键词：离心泵；汽蚀；防范措施
离心泵一般具有大流量、低扬程，运转可靠和维护方便等优点，在工业生产中广泛应用。

据统计，在石油、化工装置中离心泵的使用量占泵总量的70%～80%。

离心泵在长时间的运转会出现危害严重的汽蚀现象，造成泵的性能下降，严重时影响泵的效率、寿命，甚至造成离心泵部件损坏停车。

某化工装置于2012年对装置进行了技术改造。

随着生产能力的扩大，工艺参数发生很大变化，大部分机泵进行了更新。

由于设计、选型、操作条件变化等原因，在改造后开车过程当中，多台机泵发生了严重的汽蚀现象。

这其中又以热水泵最为严重,热水泵采用单级单吸悬臂式离心泵，型号ISR125-100-200T，热水泵主要性能参数（见表一）。

3台热水泵在运行3个月时间先后出现异常，泵不仅振动剧烈、噪音大，而且泵效率明显下降，无法达到工艺要求的流量和压力，严重影响装置的正常生产。

热水罐热水通过热水泵供应给四套换热器（换热面积F=1116㎡*4）加热使用，正常两开一备。

热水系统采用装置蒸汽梯级套用回汽，随着生产负荷的波动，生产负荷低时，大量梯级套用蒸汽回到热水罐，可能造成热水罐温度超过80℃。

运行过程中A、C泵先后出现流量Q、扬程H、效率η等急剧下降的现象，造成轴承失效等故障，主要故障统计见（表二）。

经解体A、C泵先后都发现叶轮表面呈蜂窝状，孔洞分布于叶轮表面且冲刷磨损严重。

打磨叶轮表面发现孔洞处，不是铸造缺陷所致，初步判断A、C泵故障主要由汽蚀造成。

在B泵发生故障后，通过解体后发现叶轮未发生腐蚀。

用百分表复测联轴器径向误差在0.3mm 左右，对中误差超过泵安装标准。

故也引起泵的振动超标、电流表指针大幅摆动等现象，判断B泵故障不是汽蚀造成，而是由于安装引起的。

主要故障统计表表二
1.离心泵的汽蚀主要原因：
由于叶轮叶片入口附近液体压力小于或等于液体输送温度下的饱和蒸汽压力时，液体便开始汽化，同时还可能有溶解在液体内的气体逸出，形成大量气泡，气泡随液体进入高压力区时又瞬时凝结溃灭；气泡周围的液体迅速填充空穴，形成了强大的局部高频高压水击，产生振动和噪音。

离心泵长期在这种状态下运行，金属表面因冲击、疲劳而产生剥蚀、孔洞等汽蚀现象。

从泵必需汽蚀余量（NPSHr）有效汽蚀余量（NPSHa）二者的关系(见图1），可以得到以下结论。

当NPSHa>NPSHr 时，离心泵不会发生汽蚀。

当NPSHa =NPSHr时，离心泵开始发生汽蚀。

当NPSHa<NPSHr 时，离心泵严重汽蚀。

图一
提高离心泵的抗汽蚀性能，可从降低泵的NPSHr着手，根据离心泵必需汽蚀余量公式(1-1)可以看出，NPSHr是由泵本身的结构参数以及流体的流量决定的，同吸入装置无关。

通常，由制造厂在一定条件下通过汽蚀实验取得。

式中：v0、ω0-叶轮进口处液体绝对速度和相对速度，m/s；
λ1-因液体从泵人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。

提高离心泵的抗汽蚀性能，也可从提高泵的NPSHa着手，根据离心泵有效汽蚀余量公式(2-2)可以看出，NPSHa是由吸入装置决定的，它同进口管路的压力、几何安装高度、阻力损失、液体的性质和温度有关，与泵本身无关。

式中：p0、vi-液体在泵入口处的压力和速度；
Pv-液体所处温度下的饱和蒸汽压。

结合本案例经过调阅热水罐温度DCS趋势图，发现热水罐存在超温现象。

有时达到95℃，超出原设计值80℃，从公式（2-2）中可看出热水饱和蒸汽压Pv值上升决定NPSHa值的下降，是造成泵汽蚀主因。

由于热水罐温度过高，95℃工况比在80℃工况下，泵腔低压区更易形成气泡。

根据上文的汽蚀原因分析可知：当含有大量气泡的液体旋入叶轮内的高压区时，气泡溃灭，液体质点以很高的速度填充空穴，高频率冲击叶轮表面，冲击应力可达几百至几千个大气压，冲击频率可达每秒几万次，甚至将叶轮击穿，形成叶轮汽蚀。

另外，热水泵实际运行流量发现波动较大，有时小于设计流量30%，当离心泵在小流量工况下运转，泵供给的扬程较大，而泵的效率却较低，所以泵内损失较大。

泵内液流几乎在绝热下压缩，除了液流在泵中获得一定能量外，其余的耗功都转化为热能。

当离心泵输送的流量较少，不能把热量带走时，就会导致液体的温度升高。

泵内液体汽化，降低了有效汽蚀余量，从而加剧汽蚀的发生。

2.提高离心泵抗汽蚀的措施
2.1热水系统降温
热水的温度与汽蚀有很大关系。

我们知道，水的沸点与压力有一定关系，随压力的降低呈下降趋势。

泵工作时水的温度越高越易在泵腔汽化，泵的NPSHa 值也就会下降，越容易发生汽蚀。

我们在热水罐增加一条软水补充管线和仪表调节阀，当热水罐温度超过80℃时，热水罐系统自动补充软水进行降温，保证热水不汽化，可以有效的减小汽蚀发生的可能性与频率。

2.2改进泵的结构设计
2.2.1适当增大叶轮入口直径，可使叶轮进口流速减小；或者适当增大叶轮
出口宽度，也可使流道中的流速相对减小。

这样实质是改善了叶轮的吸入和排出特性，但需要注意增大叶轮出口宽度并非是越大越好，而是使流量控制设计范围，从而降低泵的NPSHr值，提高泵的抗汽蚀性能。

2.2.2采用长短叶片形式的叶轮，通常离心泵的叶轮叶片数为6～7片，在不造成叶片间流道阻塞，保证良好导流性能的前提下，叶片出口部位单位面积上的负荷大为减轻。

使叶轮的抗汽蚀性能得到有效改善，而水力效率不受到影响[3]。

2.2.3安装诱导轮，在离心泵叶轮前增加一个诱导轮，使诱导轮对流体做功，增大了叶轮入口处的流体压头，增大了离心泵的有效汽蚀余量NPSHa值。

由于诱导轮距离心泵入口很近，能较明显的减少从泵入口到叶片进口的能量降低，从而提高泵的抗汽蚀性能。

2.3使用抗汽蚀材料
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。

现已将叶轮材料灰口铸铁HT200改2Cr13不锈钢，提高叶轮抗汽蚀能力。

2.4改变安装位置及管道尺寸
2.4.1适当增大泵吸入管路的直径，降低管路内表面的粗糙度，减少不必要的弯头、阀门等，减小管路中的流速，尽可能加大吸入管路上阀门的开度。

现将泵吸入管道直径由DN150改为DN200mm,以减少泵入口管段的管路损失。

从而提高NPSHa，减少汽蚀的发生。

2.4.2通过DCS系统，控制好热水罐液位在
3.5m左右。

2.4.3降低泵的安装高度，可以显著提高NPSHa。

如果将泵的基础降低等，实际操作起来比较困难，增加费用较大。

经过比较，结合现场实际，在不影响正常生产的前提下，我们采用了热水系统降温、使用抗汽蚀材料、改变管道尺寸、DCS控制液位等措施。

经改造后，汽蚀现象取得明显改善。

使用5个多月来，热水泵运行平稳，泵振动及噪音大幅降低；流量、压力均满足工艺需要，设备运行稳定性大大提高。

3.结束语
文章对离心泵汽蚀产生的原因进行了分析，从叶轮材质和结构、安装位置、配管、工艺控制等方面，提出了改善离心泵汽蚀性能的措施。

实际上，在离心泵运行过程中，泵内完全不发生汽蚀的情况是不存在的[5]。

但通过上述措施的实
施，可有效增加离心泵抗汽蚀性能。

参考文献：
[1] 范海峰等，离心泵气蚀问题研究及抗气蚀性能改进［J］．化工技术与开发，2011，1.
[2] 毛悠仁等，离心泵汽蚀产生原因分析及防止措施[J].浙江化工, 2006,8．
[3］蔡彬，提高离心泵抗汽蚀性能的措施［J］．农机化研究，2006,6.
[4] 张本新，离心泵的气蚀现象［J］．化学工程与装备，2009,6.
[5］潘中永，离心泵汽蚀特性分析［J］．排灌机械，2008,7.
[6］关醒凡，现代泵技术手册［M］．北京：宇航出版社，1995.。