离心泵气蚀对设备性能的影响及改进措施_李超

冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 1 引言 离心泵具有结构紧凑、 操作简便、 维护成本低的 特点， 而且种类繁多， 针对性强， 广泛应用于石油、 化 工、 电力、 冶金行业。 据统计， 钢铁企业离心泵的使用 量就占泵总量的 80%左右， 在生产、 工艺等各个环 节中都起到非常重要的作用。 但长期运转过程中， 离 心泵难免会出现气蚀现象，这不仅导致泵体性能下 降， 影响泵自身的效率及使用寿命， 而且关系到流体 输送的安全可靠。 因此如何降低气蚀程度， 减少气蚀 现象的发生显得尤为重要。 2 气蚀产生原理及危害 离心泵正常工况是在泵内充满水的情况下， 叶 轮旋转带动轮内水的旋转，使叶轮槽道内的水在离 心力的作用下获得能量并被甩向外围流进泵壳， 于 是叶轮中心压力降低。当中心压力低于进水管压力 时， 水就在这个压差作用下由吸水池流入叶轮， 这样 水泵就可以不断的吸水供水。 图 1 为叶轮进水口、 几何中心、 出水口的压力分 布曲线以及水获得动能并转化为势能的过程曲线。 离心泵气蚀对设备性能的影响及改进措施 李超, 白凤雷, 李强 （首钢京唐钢铁联合有限责任公司能源与环境部, 河北唐山063200 ） 【摘要】简述了离心泵产生气蚀的原理和危害， 并结合离心泵气蚀现象处理的工程实例， 从设计选型、 结 构优化等方面， 针对性地提出有效应对离心泵气蚀危害的防范措施,以减少气蚀发生的可能， 提高设备运行稳 定性及效率。 【关键词】 离心泵； 气蚀； 改进措施； 优化、 【中图分类号】TH3【文献标识码】B 【文章编号】 1006-6764 （2016 ） 02-0047-04 The Effect of Centrifugal Pump Cavitation Erosion on Equipment Performance and Improvement Measures Li Chao, Bai Fenglei, Li Qiang (Energy and Environment Dept. of Shougang Jingtang Iron cavitation erosion; improvement measures; optimization 图 1 压力分布曲线及转化过程曲线 47 DOI:10.13589/ki.yjdl.2016.02.018 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 而气蚀的出现， 是由于叶轮入口压力 P1 低于液 体所在工况下的饱和蒸汽 （气 ） 压 Pr， 导致部分流体 汽化；同时流体达到叶轮中心压力最低点 P2 时， 流 体中溶解的其他气体成分 （如： 氧气） 也会随之大量 溢出。汽化液体和析出气体产生的气泡与流体共同 作用形成气液混合状态，并伴随叶轮旋转进入压力 升高区域。当压力恢复到 P3 高于饱和蒸汽（气 ） 压 Pr 时， 气泡被水压压破， 凝结破灭形成空穴。此时水 流在压力及惯性作用下又以高速冲向空穴中心， 这 就造成了气泡破裂区域内流体的高频撞击，产生强 烈的水锤作用，其瞬间的局部压力可以达到几十兆 帕。 这种气泡形成、 聚集、 破裂的过程， 我们称之为气 蚀现象。 从图 1 我们可以看出气蚀主要发生在高压低速 度段区域， 而气蚀造成的危害主要有以下几个方面： 1 ） 机械性损伤。气蚀现象引起的高频冲击压力 长期作用于叶轮叶片， 造成金属疲劳性损伤， 在其表 面形成沟壑状、 蜂窝状痕迹， 严重时造成叶轮叶片破 损削落。 2 ） 电化腐蚀。 气泡破灭时引起流体撞击， 摩擦产 生的热量与流体中析出的活性气体相互作用，产生 电化反应。 一方面加剧了金属表面的疲劳损伤， 另一 方面对阀体、 阀芯造成腐蚀， 降低阀门使用寿命。 3 ） 振动及噪音。不规则的高频撞击产生的振动 破坏了叶轮和蜗壳的协调关系，改变了沿轴分布压 力的对称性， 导致径向力的产生， 使直连电机的轴受 交变应力， 产生定向绕度， 大大降低轴及轴承的使用 寿命。同时对管道和调节阀长期作用产生疲劳性破 坏， 其次振动产生的噪音损伤听力， 对人体健康产生 危害。 4 ） 降低性能。 气蚀形成过程中产生的大量气泡， 降低了泵体过流量， 影响泵体的流速、 扬程、 出口压 力等参数， 缩短离心泵的使用寿命、 降低运行效率， 导致设计工艺要求无法满足和能源浪费。 3 影响气蚀的因素 气蚀余量作为离心泵的一项重要性能参数， 直 观的反映了泵体抗气蚀能力的好坏。根据定义的不 同， 气蚀余量分为有效气蚀余量 NPSHa和允许气蚀 余量 NPSHr（其中 NPSHr只与泵体的结构设计有 关 ） 。前者越大后者越小， 泵体抵抗气蚀的能力就越 好。一般 NPSHaNPSHr时， 我们判定泵体不会发生 气蚀现象。根据能量守恒方程及有效气蚀余量公式 我们可以推导出： NPSHa= Pa-Pr g -Hg-hw 其中:Pa吸入压力， kPa Pr饱和蒸汽 （气 ） 压， kPa Hg泵体安装高度， m hw水头损失， m 从上式我们可知影响气蚀的因素主要有以下几 个方面： 1 ） 温度。 直接影响流体饱和蒸汽 （气 ） 压， 温度越 高， 饱和蒸汽压越高， 流体越容易气化。 2 ） 吸入压力。 离心泵叶轮入水口的压力越高， 介 质气化程度越小。 3 ） 安装高度。通常指蓄水池液面与泵体叶轮中 心的垂直高度距离， 适当降低安装位置， 增大垂直距 离， 可以增加有效汽蚀余量。 4 ） 水头损失。 进水管道的阻力损失， 引起流动损 失的因素很多， 包括叶轮、 管道长度、 阀门、 弯头的设 计以及驱动电机转速、 流量有关。 当然除了上述因素外，有时泵体系统的设计结 构与运行配置不合理以及使用维护不当等情况也会 造成气蚀现象的发生。下面以某区域循环冷却水泵 频繁故障为例简要分析。 4 实例分析 某空压站采用冷却塔热交换水冷方式，通过后 冷却器对空压机进行油冷及出口压缩风降温，冷却 水系统采用卧式单级离心泵循环。 自 2012 年站所投 产至今， 循环冷却水泵配套电机多次出现机封漏水、 电机轴裂纹、 轴键槽碎裂、 轴承过热、 轴承滚套等故 障， 前后检修 11 次之多， 导致水泵长期处于轮休、 待 修和紧急备用状态，严重影响设备稳定运行和安全 生产。 在一次对泵体的解体检查中， 我们发现叶轮及 叶片表面及焊接处出现了严重的沟壑以及蜂窝状痕 迹， 判断水泵出现了严重的气蚀现象。 根据水泵性能参数：Q=600-800-960 m3/h、 H= 55-50-45 m、 P=160 kW， 和现场两台运行水泵的出 水口压力指示 （0.60 MPa ） 。 对照水泵特性曲线标， 我们标出了水泵实际运行工况， 如图 2 所示。 从图 2 中的 Q-H、 Q- 曲线可知，两台水泵此 时的实际扬程 H60m、流量 Q270 m3/h、 51%。 可以看出此时水泵严重偏离最佳运行工况点， 处于憋压运行状态。直连电机运行电流为额定电流 的 78%， 水泵阀门开度 30%的现场数据也进一步说 明了水泵的憋压情况。 阀门开度过小， 从电机负载的 角度考虑， 水泵流量小， 电机负载就变小， 表现为电 48 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 机运行电流低。 从水泵做功的角度考虑， 离心泵做功 主要消耗在水的摩擦上， 流体的动能转化为热能。 上 述结果造成了泵体及流体温度升高，加剧介质气化 程度， 降低了有效气蚀余量， 导致叶轮叶片产生气蚀 效应。 同时气蚀作用产生的压力和强烈震动， 引起泵 壳垫片或者机封泄露， 长时间运行时， 机封也会因缺 少润滑， 导致机械性磨损， 损伤机轴。而且在泵体尺 寸固定的情况下， 离心泵径向力也会随着扬程 （近似 于出口水压 ） 的增大而增大， 当径向力使轴产生较大 的扰度时， 同样会引起机封和轴套、 轴承的磨损。较 大的径向力作用于旋转轴， 产生交变负荷， 对轴也会 造成长期疲劳性损伤， 严重时形成疲劳断裂。 通过对空压站两台冷却水泵运行现状对比分析 并结合空压机冷却水用量,得知， 该空压站设计之初 为 5 台 250 m3空压机配置 3 台冷却水泵、 采用两用 一备的运行方式，但根据目前下级用户压缩风用量 情况， 站内只配置了 3 台空压机。 所以实际一台冷却 水泵即可满足全站空压机冷却用水需求，但现场为 了确保用水安全， 采用两用一备运行方式， 这也是导 致水泵憋压运行的直接原因。 5 改进措施 结合现场管道路由， 简要绘制冷却循环水系统， 如图 3 所示。 为避免和减少气蚀现象的发生， 从经济 性、节能型的角度出发我们讨论以下几种可行性措 施。 图 2 水泵特性曲线及实际运行工况 1 ） 从图 3 我们看出离心泵进水口与出水口设计 为 U 型管道， 无形中增加了管路的水头损失， 但管 路弯头改造的可行性低，因此需要从其他角度考虑 提高有效汽蚀余量。例如可以在离心泵入水口加装 旁通阀调节入口流速或者增设变频装置调节驱动电 机转速进而改变离心泵入口流量的方式，弥补管道 弯头过多导致的水头阻力损失。 2 ） 对泵体本身而言其性能参数和结构类型已固 图 3 冷却循环水系统 49 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2016 年第 2 期 总 第 192 期 冶金动力 METALLURGICAL POWER 冶金动力 METALLURGICAL POWER ! 定， 因此我们在不考虑换型改造的前提下， 可以通过 以下几种方法进行改进。例如在离心泵入水口增加 导流板，降低流体预旋对叶轮垂直方向的冲击力和 振动， 延长机封、 轴承的使用寿命； 减小定向绕度对 轴的伤害； 应用抗气蚀材料减轻气蚀造成的破坏， 提 高泵体性能和使用寿命。例如采用不锈钢叶轮代替 原有的铸铁、 铸钢叶轮； 或者刷涂环氧树脂、 聚氨酯 涂料， 提高过流部件耐气蚀性能。 3 ） 在保证驱动电机正常运行的前提下， 合理调 节出口阀开度， 适当降低水泵憋压程度， 让水泵处于 最佳运行工况点， 达到高效、 节能、 经济的目的。 另一 方面流量随着压力 （扬程） 的减小而增大， 不仅热交 换效率提高， 而且介质温度相对低， 更有利于减缓气 蚀破坏程度。 4 ） 改变现有的两用一备运行模式， 采用互投方 式单台运行，以泵出口压力或驱动电机电流作为连 锁启停信号引入 PLC 控制单元、 确保一台水泵出现 停机故障的情况下， 自动投入另一台水泵， 同时第三 台作为紧急故障时的后备泵手动操作。 6 结束语 气蚀在离心泵的整个运行过程中是无法避免和 消除的，因此工程技术人员在工程设计和工程实践 中应根据不同的实际情况灵活采取相应的技术措 施， 以达到有效降低离心泵气蚀程度， 延缓零部件疲 劳损伤的目的。 在实际生产运行中， 也要加强对离心 泵的维修， 及时更换破损的部件， 减少离心泵发生气 蚀所产生的危害， 从而保证生产系统的稳定运行。 参 考 文 献 1 钟志峰浅谈水泵气蚀的危害及防治J.广东水力电力职业技术院 学报， 2004， 2(04). 2 韩雷， 邬