离心泵汽蚀产生的危害及防范研究

马文优

（谦信化工集团有限公司，广东江门 529081）

离心泵是一种流体机械，通过旋转叶轮产生的离心力将流体介质输送出去，在化工产业和电力等行业当中都具有很大的应用空间，离心泵约占流体输送设备的80%～90%，甚至更高。汽蚀问题是离心泵使用过程中容易出现的主要问题之一，容易对离心泵产生多种危害。对此，要明确离心泵汽蚀各种危害的类型，并对离心泵汽蚀危害的防范措施进行探究，为离心泵的养护提供理论依据，提升离心泵的使用质量和使用安全。

1 离心泵汽蚀产生的危害

1.1 损坏过流部件

过流部件是离心泵主要的组成部件，直接决定了离心泵的运行状态。汽蚀问题会对离心泵的过流部件质量造成非常严重的影响，进而会影响整个离心泵的运行。汽蚀现象会导致机械腐蚀、电化学腐蚀等，容易造成过流部件的损坏。离心泵中的过流部件包括叶轮、蜗壳等，该类部件的主要材料是金属，一旦长期暴露在汽蚀环境下，就会受到腐蚀，例如可能会产生麻点、凹槽等现象；严重情况下，金属材料上还会出现空洞，导致金属材料发生断裂，造成叶轮损坏、脱落，甚至会导致离心泵彻底无法使用。过流部件的损坏会严重缩短离心泵的使用寿命，增加离心泵的使用成本，影响企业生产；汽蚀现象过于严重的情况下，过流部件的金属材料甚至有可能被直接击穿，造成严重的生产安全事故，威胁现场工作人员的生命安全[1]。过流部件的损坏现象在离心泵运行过程中比较常见，造成的不良影响也比较明显和严重。因此该问题必须得到重视和解决，否则将会影响化工、电力等行业的生产效率。

1.2 损害运行性能

离心泵的具体工作原理是通过叶轮的旋转将能量传递给介质，但在汽蚀情况下，离心泵传递能量的功能会大幅下降，运行性能将会受到严重的负面影响，如图1所示。

图1 离心泵汽蚀性能曲线

图1中，Q为离心泵汽蚀程度，H为离心泵性能，由图1可知，当离心泵的汽蚀达到一定程度之后，离心泵的性能曲线出现了比较明显的断裂。这是因为汽蚀现象发生时会导致离心泵中的流体介质出现气泡，减小流体介质的流通面积；汽蚀现象也有可能在流体的局部位置导致旋涡产生，降低介质流通的连贯性，造成流体的流量、流速下降，出口压力不足，无法产生足够的能量，最终影响离心泵的运行质量，进而影响生产工作的其他环节。严重情况下，气泡现象和旋涡现象会直接导致整个流体通道堵塞，造成流体介质彻底断流，离心泵的运行被迫停止，甚至有可能因为大量物料介质堆积造成离心泵损坏。只有具备良好的运行性能，离心泵才能正常发挥作用，保证各行业的生产工作效率，因此需要重视汽蚀现象对离心泵的损害，保证离心泵的正常运行。

1.3 导致噪声和振动

离心泵汽蚀所产生的噪声和振动现象对离心泵造成的损害是巨大的，在离心泵运行过程中始终是难以解决的问题之一。汽蚀现象所导致的流体气在破裂时会产生频率较高的噪声，同时导致泵体振动，造成离心泵结构材料受到损坏；一旦噪声所引发的振动频率与离心泵本身的振动频率同调而形成共振现象，就会导致振幅进一步增强、噪声影响进一步扩大，不仅会对离心泵本身的运行造成严重影响，还有可能对生产线的其他设备管件造成影响，阻碍整个产业工作的正常运行。同时，叶轮的动平衡不良问题也会造成噪声和振动现象。叶轮流道内存在异物或泵的轴承损坏都会造成叶轮与泵的相邻部件的异常接触，引发噪声振动现象，如果得不到及时处理，叶轮就会直接损坏，进而导致离心泵出现严重故障。噪声和振动现象的发生比较频繁且缺乏规律性，在日常设备运行维护当中很难及时发现和处理，对离心泵造成的负面影响往往是持续性的。因此该现象应该得到足够的重视，并需要提前做好预防工作，以保证离心泵使用的安全性。

1.4 制约离心泵技术水平提升

随着当前化工电力等行业的不断发展，对离心泵的使用要求也随之提高。为了满足不同行业的要求，离心泵能达到的流量、扬程数值都需要得到提升，如果汽蚀现象仍然存在，就会对离心泵的最大工作能力造成严重的影响，进而制约离心泵技术水平的提升；同时离心泵汽蚀处理技术的局限性也体现出了离心泵使用技术发展的局限性。例如，一般来说，想要提高流量和扬程的数值，就需要提高液体介质的流速；但同时，提升流速会造成入口压力损失较大，反而更容易产生汽蚀，接着汽蚀又会进一步影响流量、扬程等数值，并造成离心泵功能性下降，最终会形成恶性循环[2]。汽蚀现象容易造成一系列难以解决的离心泵技术问题，制约离心泵技术水平及制造水平的提升。离心泵制造和使用技术水平的提升是各行业发展的必然要求，因此必须要正视汽蚀现象对离心泵技术发展造成的危害，并积极解决问题。

2 离心泵汽蚀的防范措施

2.1 改进结构设计

要重视对离心泵现有的结构进行改良，优化离心泵的内部构成。在进行结构优化时，要保证既能够增强离心泵的工作效率，又能减小汽蚀现象带来的危害。对离心泵内部结构进行改进，主要需要改进叶轮的结构。首先，可以适当增大叶轮入口处的直径，提高叶轮的吸入性能，解决流体介质在叶轮入口处流量不足的问题；但也要注意不能无节制地一味扩大此尺寸，要根据离心泵的实际规格和工作需求控制好叶轮内外直径的范围，否则反而会造成叶轮吸入效果下降。其次要尽可能选择双吸叶轮，进一步扩大叶轮的入口面积，降低泵的汽蚀余量NPSHr。有研究表明，在双吸叶轮使用的情况下，离心泵的汽蚀余量可以达到单吸叶轮的0.63倍。最后，要适当加大叶轮入口的曲率半径，优化叶轮入口处的结构，同时适当提高叶轮部件的内外表面加工质量，减少其粗糙度值，使流体介质流经叶轮时的状态更加稳定，减少因介质流量不足所造成的汽蚀现象。此外，也要对离心泵的其他结构进行改良，例如可以安装诱导轮，提高叶轮入口处流体的压力，部分情况下安装诱导轮之后实际泵的汽蚀余量可以降低70%左右，能够进一步提高流体介质流动的稳定性，确保离心泵运行的安全稳定。

2.2 提高有效汽蚀余量

将泵的必须汽蚀余量设为NPSHr，将泵装置的有效汽蚀余量设为NPSHa，并对二者之间的关系进行探讨，可以得知，随着NPSHr值的不断扩大，离心泵的汽蚀现象会越来越严重；在NPSHr＞NPSHa时，离心泵的汽蚀现象会十分明显。因此需要提高离心泵装置的有效汽蚀余量。想要提高离心泵装置的有效汽蚀余量NPSHa，需要从三个方面入手：①可以对吸入管道进行一定优化处理，为流体介质的传输提供一定环境条件。例如，可以定期对离心泵进行维护保养，对泵的进口管道管件阀门等进行认真的清洁检查，避免管道内异物影响物料的正常输送，造成物料堆积，否则会对管道和整个离心泵产生汽蚀现象。②可以适当增加储罐物料的吸入压力，通过这种方法也可以提升装置的有效汽蚀余量NPSHa，减少汽蚀现象的发生，当离心泵输送物料的温度较高时，尤其要注意这个问题。③还可以对离心泵装置的结构临时改装，解决汽蚀余量不足的情况。例如，在发现装置汽蚀余量不足时，可以使用筒带泵，以此来降低泵的安装高度，进而减少介质传输过程中的压力损失，保证装置的有效汽蚀余量达到一定水准。在设计布置离心泵进口管线的过程中，要注意对装置的有效汽蚀余量NPSHa的提升和控制，以减小离心泵运行中汽蚀现象发生的概率，延长离心泵的使用寿命。

2.3 改进材料使用

不同材料的抗汽蚀性能具有很大的不同，例如在相同时间条件下，对牌号为HT200和QT400-15的材料进行抗汽蚀测试，可以发现后者的失重质量比前者减少了20%左右，差距十分明显。因此需要改进离心泵材料的使用，尽可能使用具有抗汽蚀性能的材料，强化离心泵的抗汽蚀能力，最小化汽蚀现象所带来的危害[3]。一方面，在制造离心泵，特别是制造叶轮部件时，要采用强度高、韧性好的高质量材料，例如高镍铬合金、铝青铜、钛合金等，该类材料的化学性质一般比较稳定，不会因为汽蚀的侵蚀而产生性状改变，能够更好地保证离心泵运行的稳定性，降低汽蚀现象所带来的危害。另一方面，可以对材料进行一定程度的处理，优化材料的性能。例如，对于过流部件，就可以进行一定的热处理，或对其表面进行喷涂电镀堆焊材料处理等方式，提升该部件的硬度，降低汽蚀现象对该部件所带来的影响。对材料的使用性能进行改进并不能从根本上解决汽蚀问题，主要效果在于防护汽蚀所带来的设备损坏，但同样对延长离心泵的使用寿命具有一定的帮助作用。

2.4 强化操作规范

要优化关于离心泵的部分操作，避免操作不当导致严重的汽蚀现象，影响离心泵的正常使用。首先，要做好离心泵流量的观测和控制。流量过大和过小都会导致汽蚀现象的发生概率上升，参照离心泵自身的性能曲线可知，在日常生产中其流量控制范围应当在泵的优先工作区域内进行，超过泵的允许工作区域都是不合理的。因此工作人员必须时刻关注离心泵的运行状态，一旦发现异常则要及时对其进行调整。其次，要选择合适的流量调节方法，明确各项调节操作的规范。例如，在离心泵启动时，一般会暂时关闭出口阀门，以节约启动所需的电流并做好初期流量控制；在进行阀门操作时，要明确出口阀门关闭的具体时间，避免关闭时间过长造成介质热量堆积，导致离心泵产生汽蚀现象。最后，要加强对离心泵检查修理操作规范的制定。要按照规定做好离心泵的日常运行检查及故障修复工作，监测设备的相关运行参数、运行状态是否在正常值范围内，避免操作不当可能出现的汽蚀现象，并对出现故障的离心泵及时地进行修复处理。消除汽蚀现象及故障对离心泵带来的不良影响，提高其运行质量。

3 结语

离心泵在使用过程中的汽蚀现象会造成过流部件损坏、运行性能下降、噪声和振动现象频发、离心泵的应用技术水平得不到提升等问题。因此要采用多种手段对离心泵汽蚀问题进行防范和处理，提前做好离心泵及装置生产管线的结构设计、提升装置有效汽蚀余量NPSHa 等工作。汽蚀问题会严重影响离心泵的使用，因此其防范和处理必须得到足够的重视，只有汽蚀现象得到合理的防范和解决，离心泵才能在各个行业中充分发挥作用。