如何避免离心泵发生气穴现象

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)世界泵业 作者:世界泵业

  我有幸主持了在美国举办的几次泵和泵系统研讨会。“我的离心泵发生了气穴现象,该怎么办?”这似乎是一个时有发生、反复出现的问题。首先让我们来回顾一下什么是气穴现象。

NPSH和气穴现象

  离心泵在泵的入口/吸入端必须具有一定的绝对液能,才能正常工作。我们把这种以英尺或者公制米为单位来表示的能量称为必需汽蚀余量,或者NPSHR。在美国,NPSHR由泵制造商根据液压协会(HI)制定的规程在其液压实验室中来确定。这种必需的绝对能量超出了液流的汽化压力,泵需要从与其相连的系统中来获得该能量,我们把这种绝对系统能量称为有效汽蚀余量(NPSHA)。

  当NPSHA不超过NPSHR时,我们的系统达到这样一种状态,即液流的绝对压力小于液流的汽化压力。这时,液流开始发生状态变化,从液体变成气体,并且开始蒸发并沸腾。在泵的叶轮内形成的蒸汽泡在整个叶轮内不断延伸,向泵内压力越来越大的区域移动,直到它们在足够大的压力下发生爆裂,恢复液体状态。这种状态的变化是一种极为强烈的反应,导致在极高的局部压力下出现少量液体射流。射流撞击叶轮表面,就像水射流切割器一样,使得少量金属从叶轮表面脱落。每分钟要发生数千次这种汽泡内爆。每次短暂的汽泡内爆都会撞击金属,导致金属疲劳及脱落。结果会造成低频振动及噪声(类似于石头或者大理石在瓶子中晃动的声音),带来极大的潜在危害,包括腐蚀叶轮致使其出现小洞,使金属密封面产生缺口,导致轴承损坏。这种典型现象被称为气穴。

  现在我们遇到了典型的气穴问题,我们可以采取哪些措施来减轻、消除或者防止它?我们将这个难题划分为导致气穴现象的两方面问题来分析,即系统的NPSHA小于泵的NPSHR。在考虑提高NPSHA的途径之前,首先让我们来看看有哪些可选方案能够减小NPSHR。

如何避免离心泵发生气穴现象

选择1——减小泵的必需汽蚀余量(NPSHR)

方案A:低NPSHR叶轮

  许多泵制造商针对特定的泵提供可选的低NPSHR叶轮。这些叶轮通常具有较大的进气孔面积(图1)2,从而降低了为防止气穴现象发生所需的绝对能量。我们所见到的使用这类叶轮的典型装置包括立式涡轮热井凝结泵,其中的初级叶轮即为低NPSHR叶轮。低NPSHR初级叶轮还可以应用在另一类工作中,如处理液态氨或者任何其他具有低系统NPSHA的高汽化压力液流。

  如果你现有的泵不提供可选的低NPSHR值叶轮,那么下面在方案B中将讨论一种类似的但是更彻底的方法。

方案B:更大的泵

  考虑减小NPSHR,通过安装一台工作转速较慢的更大型的泵,显然会得到更大的进气孔面积,从而能够降低NPSHR。虽然这种方法的成本更高,但是它的确能够解决你的气穴问题。

方案C:诱导轮

  有些泵制造商还提供另一种可选方案,即用一种看起来像葡萄酒开瓶器或者包装拔出器的装置来代替叶轮螺母(针对键连接叶轮),该装置叫做诱导轮。该诱导轮本质上是一种高抽吸比转速轴流叶轮,其工作方式就像在叶轮吸入口端放置了一个小型的前置叶轮或者增压泵,帮助推动液流流入泵内,从而减小了NPSHR。并非每家泵制造商都提供这种装置,但是它作为一种可选的解决方案仍值得研究。

选择2——增大系统NPSHA

  NPSHA是离心泵入口处的全部绝对能量之和,它必须大于泵的NPSHR。本节将介绍在设计系统时,如何应用NPSHA公式作为排除故障的诊断工具来减轻或者消除气穴,甚至防止气穴现象发生。让我们首先来看看NPSHA来源于哪儿,我们如何定义及确定计算该值的公式。

计算NPSHA

  泵入口处的绝对能量来自于多种系统源。针对本节的讨论,我们只关心发生在泵入口处的那些对象,这样我们就能够把精力集中在系统的泵吸入侧。如图3所示,我们定义系统的几个变量4:

  hatm = 转换成液流英尺高度的大气压力

  • 始终是有利于我们的正能量。

  hp = 转换成液流英尺高度的吸入罐内的表压

  • 如果存在着正压,则该数字为正值。

  • 如果存在着真空,则该数字为负值。

  • 对于敞开的吸入罐,hp = 0。

  hel =相对于泵吸入端的静态液位高度,用液流英尺高度来表示

  • 如果液位高于泵的吸入端,该值为正。

  • 如果液位低于泵的吸入端,该值为负。

  hf = 摩擦/出口/入口/发生在吸入管道内的所有损失

  • 它是泵入口处的负值,表示能量损失,需要从我们的净能量中减去。

  hvp =被泵送液流的汽化压力,由泵送温度决定

  • 该值往往要从净有效能量中减去,因为如果净能量等于汽化压力,则系统将发生气穴现象。

  NPSHA是在泵吸入端的所有绝对系统能量之和。表1是一张‘能量分类账簿’,它帮助我们确定吸入端的能量源究竟是能量贷方——有利于我们的,还是能量借方——不利于我们的。

  回到图3,NPSHA是正能量与负能量之和。

  NPSHA = hatm + hp + hel - hf - hvp

  请注意,以英尺为单位计量的扬程=(psi × 2.31)/SG,其中SG是液流在泵送温度下的比重。

  确认在你的泵送条件下,NPSHA充分大于NPSHR,那么可以开始工作。NPSHA 与NPSHR之比被称为NPSH裕量。很多情况下只要使用2英尺的裕量就足够安全:NPHSA > NPSHR +2 ft。你的安全裕量应该根据具体的工作情况来确定。HI关于NPSH裕量值的规定建议普通工业泵的NPSHA裕量值至少应该达到NPSHR值的 1.3倍。HI建议高抽吸能量泵的裕量值应高达NPSHR的1.6倍,这一要求通常很难达到。

研究NPSHA的各组成分量

  我们可以研究NPSHA的各组成分量,通过提高系统的NPSHA,来帮助减轻、消除或者预防气穴问题。我们有五个和系统有关的NPSHA组成分量,它们会引起气穴。我们将NPSHA划分成单个分量以便运用诊断工具进行分析,该诊断工具通过提高系统的NPSHA来帮助减轻、消除或者预防气穴问题。

第1项:研究hatm

  我们没办法提高大气压力hatm。除非把您的工厂搬到海拔较低的地区来获得更高的大气压力,否则别无他法。

第2项:研究hp

  对于敞开的吸入罐,液流表面的表压(hp)为0psig。如果你遇到了气穴问题,可以考虑将吸入罐密闭,并且对其加压到一定程度,这样就能够消除气穴现象。

  对于密闭的吸入罐,可以考虑增大罐内的现有压力。只要你有办法增大NPSHA的该组成分量,就能够改善气穴问题。

第3项:研究hel

  液位相对于泵吸入端的高度是提高NPSHA及减轻气穴或者气穴威胁的一项关键因素。提高供给罐内的液位。在气穴问题严重的极端情况下,据我所知,有些工厂设法增大了其供给罐的高度,从而提高了液位。

第4项:研究hf

  认真分析吸入管道。增大管道尺寸以减小摩擦分量。使管路呈直线,减少吸入管内弯头的数量,从而减小摩擦。将吸入管道内的标准弯管更换成长半径弯管。吸入管道内的阀门应该采用低摩擦损失阀门,例如球阀(ball valves),而非具有高摩擦损失的截止阀(globe valves)。将吸入管滤网清理干净。尽一切可能尽量减小吸入管道内的摩擦。

第5项:研究hvp

  汽化压力是当液流从液态转变为气态时的内在压力。汽化压力受温度的影响很大,特别是在高温时。降低液流的温度能够降低其汽化压力并提高NPSHA,从而减轻气穴问题。

  只要你采取任何措施来提高这些组成分量,就能够提高NPSHA,从而减轻或者消除气穴问题。

  你已经尽全力对泵做了调整,来改善其NPSHR,并且也对你的系统做了优化,增大其NPSHA,但是仍然存在着损害泵的气穴问题。那么现在该怎么办?

选择3——制造材料

  第3种可选方案并不能帮助你消除或者预防气穴问题,但是它有助于减轻气穴现象对泵所造成的损害。对于易发生气穴的泵,尤其是其叶轮,不适宜采用青铜、铸铁或者任何其他较软的金属来制造。你应该选择更硬的材料,至少要选用316 SS叶轮,大多数泵制造商都将其作为标准可选材料来提供。11–13%铬合金、CD4MCU、涂层斯特来特硬质合金、28%铬铁或者其他硬质叶轮表面能够更好地抵御气穴现象造成的损害。当处理非常热的液流时,例如温度超过~180°F(82°C),或者处理高汽化压力的液流时,我通常建议客户在项目设计阶段就考虑采取一定的安全保障措施,即采用最硬的材料来制造泵。

结论

  气穴现象已经被公认为是造成离心泵可靠性降低的主要原因之一。相比于泵所需的能量(NPSHR必需汽蚀余量),泵吸入端的绝对系统能量不够大就会造成气穴问题,导致泵的可靠性降低。本文中提出了有助于减轻、消除或者预防气穴的两种可选方案,在实施方案1和2都失败的情况下,本文还提供了第3种可选措施,它能够将气穴造成的不良影响减至最小。我相信这些故障诊断技术将有助于提高你的泵和泵系统性能,使它们能够更好地工作,并且所需的维护和工作成本更少。

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