汽蝕并不是一種會影響泵系統(tǒng)的新現(xiàn)象,但它是一個日益嚴(yán)重的問題。雖然沒有官方數(shù)據(jù)統(tǒng)計,但在過去的幾年中,泵汽蝕情況的明顯增加卻是不爭的事實。 泵本身往拄會受到不公平的指責(zé)。泵送系統(tǒng)的問題,包括汽蝕,通常在泵上表現(xiàn)出來,但很少是由它引起。事實上,十分之九的泵問題不是由泵本身引起的,而是由汽蝕、系統(tǒng)設(shè)計不良和缺乏維護(hù)等問題引起的。 汽蝕引起的其它問題,如振動,可能非常嚴(yán)重,并可能導(dǎo)致泵的機(jī)械損壞。與汽蝕相關(guān)問題也有可能將泵的壽命從10-15年減少到極端情況下的2年。 為什么在20年前,汽蝕通常是一種孤立的現(xiàn)象,而現(xiàn)在卻越來越多?其中一個原因可能在于,水務(wù)行業(yè)的設(shè)計工程師現(xiàn)在被期望了解各種不同的技術(shù)。讓這些專業(yè)人士成為幾個領(lǐng)域的專家是不切實際的。汽蝕主要是由于泵系統(tǒng)設(shè)計不良以及缺乏對汽蝕產(chǎn)生原因的認(rèn)識。 本文研究了汽蝕的原因和影響,以及在設(shè)計階段應(yīng)遵循的步驟。討論了存在汽蝕問題的裝置的潛在解決方案,其中一些可能代價高昂且具有破壞性。好消息是,可以避免汽蝕以及對維護(hù)和維修成本的影響。 什么是汽蝕? 汽蝕會對泵的運行和使用壽命產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響。它可以影響泵的許多方面,但通常是泵的葉輪受到最嚴(yán)重的影響。一只相對較新的葉輪出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象,通常看起來就像已經(jīng)使用了多年;葉輪材料可能被侵蝕,并且可能被損壞而無法修復(fù)。 當(dāng)泵中的液體在低壓下變成蒸汽時,就會發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。發(fā)生這種情況的原因是泵的吸入端沒有足夠的壓力,或者有效凈正吸入壓頭(NPSHa,即裝置汽蝕余量)不足。 當(dāng)發(fā)生汽蝕現(xiàn)象時,會在低壓下產(chǎn)生氣泡。當(dāng)液體從葉輪的吸入側(cè)流向輸出側(cè)時,氣泡內(nèi)爆。這會產(chǎn)生沖擊葉輪的沖擊波,造成泵振動和機(jī)械損壞,可能導(dǎo)致泵在某個階段完全失效。 什么是蒸汽壓力? 在特定的壓力和溫度組合下(不同的液體不同),液體分子會變成蒸汽。一個日常的例子是廚房爐子上的一壺水,當(dāng)煮到100 °C時,鍋的底部會形成大氣壓氣泡并上升。這表明已經(jīng)達(dá)到了蒸汽壓力和溫度,水將開始沸騰。 蒸汽壓力是指液體分子轉(zhuǎn)化為蒸汽的壓力(見圖1)。需要注意的是,所有液體的蒸汽壓力都隨溫度而變化。同樣重要的是要理解蒸汽壓力和溫度是有聯(lián)系的。未裝滿的半瓶水在不加任何熱量的情況下處于部分真空狀態(tài)就會開始沸騰。 作用于液體的恒壓(大氣壓) ![]() 圖1 水在不同溫度下的性質(zhì) 通過調(diào)節(jié)水的壓力,可以改變它的蒸汽壓力,并最終在室溫下沸騰。表1顯示了5至100 °C的溫度下水的蒸汽壓力、密度和比重的變化。 表1 ![]() 在5 oC時,密度為999.9,工程師會將其四舍五入到1,000;比重為0.9999或1。從表的底部可以看出,在100 oC時,密度已變?yōu)榧s958,這是一個顯著但不太大的變化。如果看一下比重,它已經(jīng)從1變?yōu)榇蠹s0.96。 蒸氣壓力的變化 5 oC時,水的蒸氣壓力為872,但在100 oC時為101,000,這是壓力的一個主要變化。這意味著,對于表中的任何壓力和溫度組合,水都將開始沸騰并轉(zhuǎn)化為蒸汽(見圖2)。例如,一杯在20 oC下壓力為2,337 N/m2的水將開始沸騰。 ![]() 圖2 100 oC時,蒸汽壓力為101,325 N/m2,即大氣壓。對于汽蝕現(xiàn)象,必須對應(yīng)的是絕對壓力,而不是表壓。通過調(diào)節(jié)溫度和壓力,可以使水在不同的點上沸騰。其它液體也有類似的圖表,但數(shù)值會有所不同。 大氣壓力的影響 如圖3所示,水在海平面將在100℃的大氣壓(1 bar)下開始沸騰。其它液體,如己烷、四氯化碳、戊烷和丁烷則大不不同,它們會在比水低得多的溫度下沸騰。比如丁烷,在負(fù)溫度下會開始沸騰。 ![]() 圖3 壓力取決于海拔高度。在圖3中,繪制了一條英國最高峰 - 海拔1,344米的Ben Nevis山頂?shù)拇髿鈮毫€,以及一條位于尼泊爾的海拔8,848米珠穆朗瑪峰的大氣壓力線。該圖表明,在Ben Nevis山頂,水的蒸汽壓力已經(jīng)下降到足以使其在80oC時開始沸騰。雖然泵不太可能安裝在這些山頂上,但泵將在世界各地海拔相似的地方使用,包括海拔約1,700米的南非約翰內(nèi)斯堡。在這樣的地方,確定該位置的蒸汽壓力變化是很重要的。 汽蝕對泵的影響 汽蝕會導(dǎo)致泵的性能下降、機(jī)械損壞、噪音和振動,最終會導(dǎo)致泵故障。振動是汽蝕的常見癥狀,很多時候是問題的第一個跡象。振動會導(dǎo)致許多泵零部件出現(xiàn)問題,包括軸、軸承和密封。 ![]() 汽蝕(葉輪葉片穿孔) ![]() 汽蝕(葉輪損壞) ![]() 汽蝕(葉輪損壞) 上述圖片顯示了汽蝕對葉輪造成的損壞和嚴(yán)重的機(jī)械損傷。 引起汽蝕的原因是什么? 當(dāng)液體在葉輪入口處的溫度和壓力等于蒸汽壓力時,泵內(nèi)就會發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。它可能在低壓和正常工作溫度下發(fā)生。在局部,它導(dǎo)致液體變成蒸汽,并產(chǎn)生非常高的溫度和壓力,可以達(dá)到大約10,000 K和 1GN/m2。 汽蝕過程中會形成氣泡。隨著泵中壓力的增加,這些氣泡以內(nèi)爆的形式坍塌 - 就像爆炸一樣劇烈。內(nèi)爆導(dǎo)致沖擊波穿過液體并撞擊葉輪,造成機(jī)械損傷。 如何避免汽蝕? 假設(shè)在運行過程中吸入條件或液體特性沒有變化,那么在設(shè)計階段最容易避免汽蝕。關(guān)鍵是要了解凈正吸入壓頭(NPSH),并在整個設(shè)計過程中將其考慮在內(nèi)。為了更容易理解這個術(shù)語,將其分解是有幫助的: 1)凈是指扣除所有項目后的剩余部分 2)正是顯而易見的 3)吸入壓頭是指泵進(jìn)口法蘭處的壓力 NPSH定義為泵入口處的壓力與液體蒸汽壓力之間的差值。不同液體的蒸汽壓力是不同的,并且隨著壓力和溫度而變化。 泵入口處的可用壓力(有效壓力)是在泵送系統(tǒng)的吸入管道內(nèi)考慮了摩擦損失、速度頭損失以及進(jìn)出口損失(即吸入管道內(nèi)的所有損失 - 泵沙龍注)后的剩余壓力。因此,在設(shè)計階段,有必要計算吸入管道中的這些損失和工藝裝置損失,然后從泵有效吸入壓頭中扣除這些損失。通過這樣做,在安裝泵的位置,剩余的凈壓力可供泵使用。 有效凈正吸入壓頭(NPSHa,即裝置汽蝕余量 - 泵沙龍注) 有效凈正吸入壓頭(NPSHa)與泵無關(guān),它是特定于所考慮的系統(tǒng)設(shè)計的系統(tǒng)值。NPSHa是所述泵送系統(tǒng)的泵吸入法蘭管道連接處的可用壓頭(揚程),并且完全獨立于要安裝的泵。它是泵入口法蘭處的壓力和將要泵送的液體蒸汽壓力之間的實際差值,由特定系統(tǒng)吸入側(cè)的設(shè)計、配置和相對標(biāo)高確定。 NPSHa = 泵進(jìn)口壓力 – 蒸汽壓力 必需凈正吸入壓頭(NPSHr,即必需汽蝕余量) 必需凈正吸入壓頭(NPSHr)是一種與系統(tǒng)無關(guān)的泵特性。所有泵的NPSHr都是不同的,其值可以從泵制造商處獲得。 NPSHr定義為泵入口處的壓力與所述泵所需的蒸汽壓力之間的差值。該值不應(yīng)被視為足以確保不會發(fā)生汽蝕現(xiàn)象,因為它是在測試期間泵剛開始發(fā)生汽蝕現(xiàn)象時測量的。汽蝕的開始被測量為泵的揚程下降3 %的點。 因此,有必要確保NPSHa大于NPSHr,為此,必須在方程中加入一個余量(或裕量)。 NPSHa ≥ NPSHr + 裕量 黃金法則是確保始終有足夠的裕量來避免汽蝕。裕量的值通常由設(shè)計顧問在內(nèi)部指定,但泵制造商總是會提供建議。通常,大約1.5米的裕量就足夠了(對于一般用途泵,這個裕量通常為0.6米)。 泵沙龍注:關(guān)于NPSH裕量方面的更多信息,可查閱《泵沙龍》文章“離心泵汽蝕安全裕量的探討”。 NPSHa是系統(tǒng)設(shè)計中一個可以控制的特征參數(shù)。在設(shè)計階段應(yīng)盡一切努力確保系統(tǒng)內(nèi)有足夠的NPSHa。不這樣做的后果可能是代價高昂且具有破壞性的。 了解汽蝕現(xiàn)象 圖4顯示了一段吸入管和泵內(nèi)葉輪的截面圖。它確定了五個位置??紤]到液體從位置1到5流經(jīng)泵,很明顯,這相當(dāng)于一個連續(xù)的管道流動系統(tǒng),并且從1到5的每個位置的流量必須是恒定的。 ![]() 圖4 根據(jù)定義,因為位置1處有一個大的橫截面,向下延伸到一個非常小的橫截面區(qū)域,所以葉輪吸入孔處的流速比吸入管中的流速高得多。 隨著管道系統(tǒng)中流速的增加,壓力降低;而隨著流速的降低,壓力增加。這是因為更高的流速會產(chǎn)生速度頭,這是浪費能源。理想情況下,需要壓力,而不是速度頭。其效果類似于擠壓花園軟管,水的流量是相同的,但可以通過擠壓軟管的末端來增加速度。離開軟管的水具有很高的速度頭,但處于大氣壓力下。 圖5顯示了泵內(nèi)不同位置的壓力。它表明,通過葉輪的壓力下降,然后在離開泵時恢復(fù)。這是由于與吸入管相比,葉輪的吸入孔直徑較小,并且泵葉輪向液體添加了能量,從而增加其壓力。 ![]() 圖5 泵送系統(tǒng)的好壞 圖6顯示了通過葉輪的壓力變化,繪制了兩條線,一條紅色線和一條綠色線,以表示被泵送的不同液體的蒸汽壓力。 圖6(該圖原文提供錯誤 - 泵沙龍注) 在紅色蒸汽壓力線的情況下,曲線穿過該線,表示在所示的位置壓力將低于液體的蒸汽壓力。這意味著所安裝的泵的系統(tǒng)沒有提供足夠的NPSHa,根據(jù)定義,會發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。 對于綠色蒸汽壓力線,曲線在任何點都不會穿過該線。這表明有足夠的NPSHa,并且壓力不會下降到液體的蒸汽壓力以下。該系統(tǒng)設(shè)計正確,不會出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象。 避免氣蝕 如上所述,關(guān)鍵是要確保有足夠的NPSHa可用,以使液體保持在蒸汽壓力以上。 制造商進(jìn)行的泵汽蝕試驗確定了每臺泵的NPSHr。在設(shè)計階段,制造商將能夠為所考慮的任何泵提供NPSHr。 根據(jù)圖7,泵的NPSHr曲線,通過啟動泵并在給定揚程和流量下運行、測試所得。測量泵送揚程和流量,并測量了吸入口壓力。然后對泵的吸入口進(jìn)行節(jié)流,模擬NPSHa的減少,直到泵送揚程下降3%。此時,吸入揚程與流量一起被記錄下來,這成為NPSHr-Q曲線上的一個點。對不同的流量和吸入揚程重復(fù)進(jìn)行試驗,直到進(jìn)行了足夠的測量以繪制NPSHr曲線。 ![]() 圖7 結(jié)論 為了避免汽蝕,除了正確設(shè)計泵系統(tǒng)之外,別無選擇。在設(shè)計過程中,NPSHa的值(與所選擇的泵無關(guān))可以很容易地確定。然后可以將NPSHa與所考慮的泵類型的NPSHr進(jìn)行比較。如果沒有足夠的NPSHa,那么對系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行更改要容易得多,而不是在施工和安裝之后。強(qiáng)烈建議在設(shè)計階段進(jìn)行任何必要的更改,因為與糾正存在汽蝕問題的裝置的成本相比,所產(chǎn)生的任何額外成本都將要低得多。 如果泵汽蝕是現(xiàn)有安裝中的一個問題,基本上只有兩種途徑可以解決該問題。第一種是增加泵的NPSHa或通過泵降低NPSHr。 可用于增加NPSHa的選項將取決于相關(guān)系統(tǒng)的性質(zhì)。這可能包括增加泵吸入端的壓力,或減少管道中的摩擦損失,以使泵獲得更大的壓力。增加供應(yīng)壓力可以通過提高供應(yīng)的靜壓頭、向供應(yīng)容器施加壓力、使用增壓泵或通過使用較大直徑的管道或較少的部件和配件來減少管道中的摩擦損失來實現(xiàn)??梢允褂迷鰤罕孟蚬?yīng)容器提供壓力。 然而,對于現(xiàn)有的安裝來說,這些很少是可行的選擇,而且由于空間問題、成本和潛在的干擾,幾乎總是不切實際的。同樣,更換直徑較大的吸入系統(tǒng)管道也很少可行。 解決現(xiàn)有安裝中泵汽蝕的第二種選擇是用NPSHr較低的泵更換汽蝕的泵,或者使用多臺泵并聯(lián)泵送。 在許多情況下,上述選擇可能不可行,而且在所有情況下,它們可能涉及相當(dāng)大的成本和干擾。 避免汽蝕的良好設(shè)計始終是最好的選擇。 |
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