循环水泵汽蚀原因分析及防止措施

雒进明，钟秋宏

（中国石油兰州石化设备维修公司，甘肃兰州 730060）

0 引言

某炼厂循环水装置循环水泵为单级悬臂离心泵，型号为LZA150-250B，设计参数：流量400 m3/h，扬程64 m，入口压力0.1 MPa，出口压力0.7 MPa，可用汽蚀余量5.5 mm，转速2900 r/min，水位高1.8 m。此泵是炼厂循环水输送的关键设备，自投用以来，多次发生由于泵强烈振动而造成的停车事故，经解体检查，排除轴承、对中等检修质量因素，发现造成振动停车的主要原因是汽蚀。

1 汽蚀的产生

离心泵在运行过程中，由于叶轮高速旋转产生离心力，使泵的入口处压力降低，当吸入口处压力小于被输送液体的饱和蒸汽压时，液体将会汽化产生气泡，这些气泡随液体一起进入叶轮流道中，由于旋转的叶轮对液体做功，使液体能量逐渐增加，液体的压力又逐渐升高，液体中的气泡受压破裂，气泡四周的液体质点以很高的速度运动，质点相互撞击，在瞬间产生很高的压力和很强的水击波连续打击叶轮表面，金属表面逐渐因疲劳破坏，在叶片上产生蜂窝状的小块剥落（图1）。在所产生的气泡中，还有一些活泼气体，如氧气，借助气泡凝结时所放出的热量，对叶轮产生化学、电化学腐蚀与机械剥蚀，加快了叶轮的损坏速度。

2 汽蚀现象带来的危害

（1）汽蚀现象会影响离心泵的使用性能。汽蚀现象对循环水泵使用性能所造成的影响是长期累积的结果，因为汽蚀现象的发生初始时期，对离心泵使用性能的影响并不明显，因此难以发现其存在，而往往当察觉到汽蚀现象的存在时，实际上其已经对离心泵的工作部件造成了一段时间的破坏，大量的气泡溃灭将离心泵的传送通塞堵塞，其工作效率、扬程、流量都会有非常明显的变化。通过对离心泵发生汽蚀时的性能曲线进行分析（图2），图2中N是轴功率，可以看出，汽蚀发生时，循环水泵的效率η、扬程H（m）、流量Q（m3/h）曲线均会明显骤降（图2中虚线部分)）。

图1 汽蚀叶轮

（2）汽蚀现象会影响循环水泵的正常工作。当循环水泵中出现了汽蚀现象时，由于气泡的破裂而导致液体与叶轮流道之间以及液体相互之间出现猛烈的撞击，这种撞击除发出很大噪声之外，还会引发离心泵的剧烈振动，进而会迫使离心泵停止运转。

图2 离心泵发生汽蚀时的性能曲线

（3）汽蚀现象会影响过流部件。在循环水泵的汽蚀现象发生当中，传送通道的金属表面会受到一定的撞击，并且伴有电化学腐蚀反应，这对于离心泵的过流部件而言，是极为恶劣的。在汽蚀现象的发生初始阶段，过流部件的金属表面会出现不规则的众多麻点，随着使用时间的增加，汽蚀现象逐渐加剧，使得过流部件金属表面的腐蚀现象愈发严重，甚至还会出现穿孔、破裂现象，带来不可预估的严重后果。

3 泵的汽蚀余量、吸上真空度Hs

3.1 汽蚀余量

（1）汽蚀余量。为了使泵在运行中不发生汽蚀，泵在进口处的液体就必须所具有超过输送介质汽化压力的富裕压力，就是汽蚀余量。

（2）临界汽蚀余量NPSH3。在规定流量下，泵的第一级扬程下降3%时的汽蚀余量值。

（3）必需汽蚀余量NPSHR。对于给定的泵，在规定转速、流量和输送液体的条件下，泵达到规定性能的最小汽蚀余量值。必需汽蚀余量NPSHR是由汽蚀试验得到的临界汽蚀余量值NPSH3加上容差系数，见式（1）和式（2）。A，C为容差系数，对于2级试验精度A=6%，C=0.3 m；对于1级精度A=3%，C=0.15 m。

（4）可用汽蚀余量NPSHA。可用汽蚀余量是在规定流量下由装置条件确定下获得的汽蚀余量值，见式（3）。

NPSHA——可用汽蚀余量

ps1——泵入口法兰截面处的液体压力，Pa

v——介质在泵入口法兰处的速度，m/s

pv——介质在输送温度下的饱和蒸气压，Pa

ρ——介质在输送温度下液体密度，kg/m3

g——重力加速度，m/s2

通过上述计算可知，为了使泵在运行中不发生汽蚀，就必须满足（4）式。

式（4）中B为安全裕量，为了确保泵运行中不发生汽蚀，根据液体介质的性质及使用场合来确定。

即：①当NPSHA数值大于NPSHR数值时，汽蚀现象不会发生；②当NPSHA数值小于NPSHR数值时，汽蚀现象会发生；③当NPSHA数值等于NPSHR数值时，正好的汽蚀现象的发生临界点。

3.2 吸上真空度Hs

Hs——吸上真空高度

Hg——几何安装高度

Hw1——入口管线的水里损失

Hs——吸上真空高度，m

Hg——几何安装高度，m

v——介质在泵入口法兰处的速度，m/s

Hw1——入口管线的管路损失，m

由式（5）可知，当泵安装时，泵轴线离液面越大，泵入口的压力越小，吸上真空度Hs也就越大。当几何安装高度Hg大到一定值时，或入口压力降到一定时，也即吸上真空高度Hs大到一定值时，泵将发生汽蚀。

为了泵运行安全起见，必须留有0.3 m的容量差，允许吸上真空度［Hs］=Hsmax-0.3。为使泵在运行中不发生汽蚀，必须满足Hs≤［Hs］即（6）式。

计算中给出的允许吸上真空高度［Hs］是在大气压力为101 325 Pa（10.33 mH2O），液体温度为常温（T=20 ℃）下清水试验得到的，如果泵使用地点的大气压力、液体温度或液体的汽化压力不同时，允许吸上真空高度应进行修正，见式（7）。

［Hs］＇——泵实际使用地点的大气压力温度和介质情况下的允许吸上真空度

［Hs］——样本上给出的允许吸上真空度

［Hs］＇——泵实际使用地点的大气压

［Hs］——样本上给出的允许吸上真空度，m

pb——泵实际使用地点的大气压，kPa

pv——介质在使用地点、输送温度下的饱和蒸气压，kPa

ρ——介质在输送温度下密度，kg/m3

g——重力加速度，m/s2

4 预防循环水泵汽蚀的处理措施

（1）通过上述对循环水泵汽蚀原理分析可以得知，当NPSHA值小于NPSHR值时，离心泵会产生汽蚀现象，所以防止循环水泵汽蚀现象的发生，则需要提升NPSHA或者降低NPSHR，具体实施可从4方面入手。

①对泵的吸入装置与安装位置进行科学合理地设计，可适当增强吸进罐中的液面压力，降低循环水泵的安装高度，让循环水泵入口的有效汽蚀余量NPSHA达到足够大。②采取一定的措施，减少循环水泵吸入管道的阻力损失。③对循环水泵的结构进行一定的改进，使得必需汽蚀余量NPSHR能够足够小。④通过降低传送介质的温度，从而达到防止液体在循环水泵中汽化。

（2）循环水泵选型改进。①在确保流量、扬程不变，减小机泵转速，达到循环水泵抗汽蚀目的。②对循环水泵结构进行改进，提升泵的抗汽蚀性能。

过对循环水泵的结构进行一定的改进去提升自身的抗汽蚀性能，这同样是预防循环水泵产生汽蚀现象的有效措施。

（3）循环水泵材料改进。①选用合金铸铁等抗汽蚀性能较好的材料，如铝铁青铜、镍铬合金等材料，减轻汽蚀的破坏程度，进而提升循环水泵的使用寿命。②从工艺加工上，改善叶片表面的表面粗糙度、硬度，适当加大叶轮入口直径或者叶片入口边宽度，以达到叶轮进口流速减缓的目的。

5 结论

实际现场验证效果见表1。

表1 现场验证效果

该炼厂循环水装置循环水泵存在设计选型错误，将入口压力设计为0.1 MPa现场实际的液位高度仅为1.8m，在2900 r/min转速下，有效汽蚀余量NPSHA远小于必需汽蚀余量NPSHR，是发生汽蚀、造成振动的根本原因。