汽蚀及其对离心泵的影响

关键词：离心泵汽蚀产生的原理、（1）汽化汽蚀（Vaporization cavitation）  （2）内部回流汽蚀 
（Internal recirculation cavitation - Suction specific speed）  （3）叶片流道综合症汽蚀 
（Vane passing syndrome cavitation）  （4）紊流汽蚀 
（Flow turbulence cavitation） 

描述：泵运转过程中，当泵送液体流经过流部件的某些局部区域因某些原因、液体的绝对压力降低到泵送温度下液体的饱和蒸汽压力（汽化压力）时，液体便在此处发生汽化，产生蒸汽、形成汽泡；同时，溶解于液体中的气体也会以汽泡的形式析出，在局部区域形成两相流。  当汽泡移动到高压区时，汽泡周围的高压液体将会使汽泡迅速凝结缩小、破裂。在汽泡凝结缩小、破裂的瞬间，汽泡周围的液体将高速填充（汽泡凝结破裂形成的）空穴，产生强烈的冲击波。当汽泡破裂发生在过流部件的固体壁面时，将会对固体壁面形成高速微射流，导致局部受到腐蚀破坏。这种产生汽泡和汽泡破裂使过流部件遭到破坏的过程就是泵的汽蚀过程。 

汽蚀是离心泵的常见问题，会引起泵振动和噪音的增加、性能的下降、造成泵零部件的严重损坏。只有全面、正确地理解离心泵的汽蚀性能，才能科学合理地设计或选择出满足用户装置要求的产品。

1、离心泵汽蚀产生的原理
泵运转过程中，当泵送液体流经过流部件的某些局部区域因某些原因、液体的绝对压力降低到泵送温度下液体的饱和蒸汽压力（汽化压力）时，液体便在此处发生汽化，产生蒸汽、形成汽泡；同时，溶解于液体中的气体也会以汽泡的形式析出，在局部区域形成两相流。
当汽泡移动到高压区时，汽泡周围的高压液体将会使汽泡迅速凝结缩小、破裂。在汽泡凝结缩小、破裂的瞬间，汽泡周围的液体将高速填充（汽泡凝结破裂形成的）空穴，产生强烈的冲击波。当汽泡破裂发生在过流部件的固体壁面时，将会对固体壁面形成高速微射流，导致局部受到腐蚀破坏。这种产生汽泡和汽泡破裂使过流部件遭到破坏的过程就是泵的汽蚀过程。


引起离心泵汽蚀的主要原因有四种：
（1）汽化汽蚀（Vaporization cavitation）
（2）内部回流汽蚀
（Internal recirculation cavitation - Suction specific speed）
（3）叶片流道综合症汽蚀
（Vane passing syndrome cavitation）
（4）紊流汽蚀
（Flow turbulence cavitation）


1.1  汽化汽蚀


当液体的压力低于其汽化压力或者温度太高时，液体便会发生汽化，导致汽蚀。这种汽蚀发生在泵的吸入侧。


1.2  内部回流汽蚀


当泵送流量太小或入口压力太高时，就会发生回流现象。当泵送流量太小时，内部回流发生在叶轮的入口；当泵入口压力太高时，内部回流发生在叶轮出口处。内部回流致使液体流速的增加直至汽化产生汽泡，然后在周围较高压力下破裂。当吸入口发生内部回流时，在泵的吸入口周围会发出不规则的噼噼啪啪的噪音，并伴有高强度的爆震声。


1.3  叶片流道综合症汽蚀


这种汽蚀破坏是由于导叶（对于导叶式泵）或蜗舌（对于蜗壳式泵）与叶轮叶片外径之间的间隙太小所引起的。当液体流经该小通道时，液体的流速增加引起液体压力的下降、局部汽化，产生汽泡，然后在较高的压力下破裂，导致汽蚀。这种汽蚀通常发生在导叶或蜗舌的内侧及叶轮叶片中心。


1.4 紊流汽蚀


当有某种东西干扰或阻碍（如腐蚀、堵塞、直径突变等）液体在泵中正常流动时，就会发生紊流改变液体的流速，液体流速的改变会引起压力的改变，压力的改变最终会引起液体的汽化、汽蚀。这种汽蚀通常发生在与泵连接的管道中。
2、关于汽蚀您必须知道的几个概念及知识


2.1  汽蚀余量NPSH（net positive suction head，净正吸入压头）



ANSI/API610第11版标准[1]定义如下：
NPSH为从基准面算起的泵绝对吸入总压头减去液体的汽化压力。


2.2  装置汽蚀余量NPSHA（net positive suction head available）


装置汽蚀余量又称有效汽蚀余量、有效的净正吸入压头，是与泵的操作系统有关的参数，等于液体到达泵的入口时的压头减去汽化压力头后液体的剩余压力头。


2.3  必需汽蚀余量NPSHR（net positive suction head required）


必须汽蚀余量又称必须的净正吸入压头，它是与泵本身的结构设计有关的参数。当液体从泵的入口进入叶轮入口时，在叶轮叶片离心力的作用下，速度增加、压力下降。


必须汽蚀余量是泵吸入口必需的实际的正压头，其主要是克服泵内的压力下降并保持液体的压力在汽化压力之上。必需汽蚀余量有三种：


NPSH3：将扬程（第一级叶轮）下降3%作为汽蚀的判别点，ANSI/HI9.6.1、ISO9906、ANSI/API610等标准所推荐，并被全球泵行业广泛接受。测量容易，也比较可靠。普遍应用于各种离心泵。


NPSH0：将扬程即将开始快速下降、但下降为0%作为汽蚀的判别点，定义容易，但测量较困难。常用于轴流泵和混流泵。


NPSHi（即NPSH incipient汽蚀初生）：将第一只汽泡产生时作为汽蚀的判别点，较NPSH3和NPSH0更严格。定义容易，但所需的测量技术复杂、成本非常高。常用于叶轮入口流速较高的高吸入能量泵。


2.4  汽蚀试验用介质的规定


ANSI/API610第11版标准规定：卖方应该在数据表上规定出泵在额定流量和额定转速下输送水时（水温低于55℃）的必需汽蚀余量（NPSH3）。对水以外的液体（例如烃类）的汽蚀余量不能采用降低系数或汽蚀余量修正系数。


ISO 9906[2]和GB/T3216标准[3]规定的试验用的介质为低于40℃的“清洁冷水”。


为什么国内外标准中都要求提供清洁冷水（而不是换算到实际泵送液体）的必需汽蚀余量值？


在相同转速和流量下，无论何种液体经过泵入口时的压力降都相同，但是汽化程度却不一样，因为液体的汽化与热力学因素有关。其中一个因素就是对于汽蚀时产生蒸汽越多的液体，汽蚀发展得越严重。


与清洁冷水相比，其它液体（如热水、油、烃类等）在相同的装置汽蚀余量下，汽化程度要小，即不容易发生汽化。相当于泵要求的装置提供的NPSHA小，也就是泵的必需汽蚀余量与常温清水工况下相比要小[4]，这样对泵更安全。


2.5   离心泵流速与压力的关系


流体流速增加，压力将下降；反之，流体流速降低，压力将增加。


以飞机机翼为例[5]，请看图1。空气在机翼下以一定的速度流动，而机翼上方的空气有较长的行进路径，如果它们要加入到机翼下方的空气流中，则必须增加流速。



图1- 机翼上下空气流动示意图


机翼下方的空气为大气压力，但是由于机翼上方的空气流动的速度较高，其压力将下降到低于大气压力，这导致大气压力推动机翼的底部，并提升它，使飞机及飞机内的乘客升空。空气流动如此，液体流动也是如此。


3、离心泵汽蚀的判别


（1） 通过在恒定流量下的模型试验来判别泵到用户现场是否会发生汽蚀。为此，以恒定的流量逐步减小吸入扬程，然后用快速摄像机观察叶轮入口处汽泡的发生、发展情况。对于NPSH3，将出口扬程下降3%作为汽蚀的判别依据；对于NPSH0，将扬程即将开始快速下降、但下降为0%作为汽蚀的判别依据；对于NPSHi，将第一只汽泡产生时作为汽蚀的判别依据。


（2） 对于系统中正在运行的泵，如果听到泵内发生不规则的噼噼啪啪的噪音、并伴随着振动增加及泵性能的下降，说明发生了内部回流汽蚀。


4、如何确定NPSHA - NPSHR之差值？


对于NPSHA - NPSHR之差值（即NPSH margin，称为安全裕量），安全裕量的大小取决于泵的设计、应用及材料等。


在大多数泵系统中，NPSHA趋于随着流量的增加而减小。同样的，在大多数泵设计中，NPSH3趋于随着流量的增加而增加。因此，在系统设计之前，应考虑泵制造商的建议及其应用经验，检查并确认在所有预期运行的流量范围之内给出一个足够的安全裕量。


不同的标准及规范、应用于不同场合的泵，安全裕量各有差异。但其最终目的就是确保泵在所有规定的运行工况下均不会发生汽蚀。


4.1   UOP 5-11-7规范


必须有一个0.6米或NPSHA的15%的安全裕量，两者之间取大值。而且该安全裕量包含在系统计算中，因此，只要泵的NPSHR≤NPSHA即可。


4.2   ANSI/API610标准第11版


除了规定的NPSH3以外......通常希望有一个工作NPSH margin安全裕量，这个工作安全裕量足以在所有流量下（从最小连续稳定流量到最大预期运行流量）保护泵免遭回流、汽蚀引起的损坏。卖方应当根据具体的泵型和规定的使用条件推荐一个安全裕量。


4.3   ANSI/HI 9.6.1标准[6]


对于高或很高吸入能量的泵，在允许的操作范围内运行时，建议装置汽蚀余量是必需汽蚀余量的1.2到2.5倍。


注：吸入能量=叶轮入口直径（英寸）×泵转速（rpm）×吸入比转速（GPM, ft, rpm）×液体的比重。对于端吸泵，将吸入能量≥160×106定义为高吸入能量泵；对于水平中开双吸泵，将吸入能量≥120×106定义为高吸入能量泵。很高吸入能量是高吸入能量值的1.5倍。为了便于估算，对于端吸型泵，可以假设叶轮入口（impeller eye）直径大约是泵入口（法兰）通径的90%；而对于双吸中开泵，叶轮入口直径取泵入口（法兰）通径的75%。


4.4   GB/T16907-2014标准[7]


NPSHA应有比NPSHR大10%的裕量，且该裕量不得小于0.5米。


4.5    SULZER公司


对于没有规定汽蚀准则的泵，将扬程下降3%作为汽蚀的判别点。对于连续运行的大多数应用工况，要求有足够的安全裕量。这个要求的安全裕量：


随着叶轮入口处圆周速度的增加而增加。
如果采用抗汽蚀材料，则安全裕量可以适当减小。
随着介质的腐蚀性增加而增加。
取决于泵的运行条件、型式以及泵送介质的温度，例如介质为海水时，要求稍微高一点的安全裕量；介质为烃类时，要求稍微低一点的安全裕量。


对于单级扬程高的吸入叶轮，装置汽蚀余量应为必需汽蚀余量的SA倍[8]，SA的近似取值范围参见图2。其中，当叶轮采用抗汽蚀性能低的铸钢材料时，SA取上线；当叶轮采用抗汽蚀性能高的铬钢材料时，SA取下线。                    
                 

图2- SA的近似取值



4.6    EBARA公司


如果用户没有规定，对于VS6型泵，介质为水系时，EBARA公司安全裕量取0.6米；介质为油系时，安全裕量取0.3米。不过，在工程实践中对于石化工况，用户通常要求安全裕量达到1米。


对于其它泵型，用户没有规定时，安全裕量通常不低于0.6米。


4.7    ITT公司规定


对于标准的低吸入能量泵，防止汽蚀发生的有效方法是保证系统的装置汽蚀余量大于泵的必需汽蚀余量。高吸入能量泵需要更高的安全裕量才能防止汽蚀的产生，执行ANSI/HI9.6.1标准的要求。


4.8    KSB公司规定


对于高或很高吸入能量泵，其装置汽蚀余量比ANSI/HI 9.6.1标准规定的为必需汽蚀余量的1.2到2.5倍要求更高。


以某BB2型泵为例，该泵为单级双吸、径向剖分式泵，中心线支撑。由于转速较高，该泵配置前置（增压）泵。其主要参数如下：


叶轮入口直径为375mm（14.76英寸），泵转速为5112 rpm，吸入比转速为9711（GPM, ft, rpm），介质的比重为0.8559。


则：吸入能量 = 14.76 × 5112 × 9711 × 0.8859 ≈ 649 × 106


很显然，这是一个很高吸入能量的泵。


为了确保主给水泵在所有规定的运行工况内均不发生汽蚀，同时为了满足核电站对该泵60年的总体设计使用寿命要求（叶轮虽然属于泵的正常磨损件，但KSB公司确保在正常规定运行范围内，叶轮比通用泵具有更长的使用寿命 - 通常可达100000小时以上），KSB公司在经过40多年的设计和运行经验后，总结出以NPSHi作为主给水泵的必需汽蚀余量，并据此选择前置泵的扬程，

5、如何确定泵的必需汽蚀余量NPSHR之值？

必需汽蚀余量是泵设计过程中不得不面对的一个重要参数，其值的大小不仅直接影响到泵的运行性能、安全可靠性，而且还会影响到泵系统的设计、投资成本。在设计泵系统时，对于适当的泵提供适当的装置汽蚀余量是非常必要的。不适当的装置汽蚀余量不仅会严重限制泵的选择，而且可能被迫重新设计系统而付出高昂的代价。反之，提供过量的装置汽蚀余量会使系统成本不必要的增加。
吸入比转速（也称汽蚀比转速）在这种情况下会很有帮助。吸入比转速是衡量一台离心泵吸入性能的一个指标，也是对内部回流敏感程度的一个评估尺度，其主要功能是用于预测（流量太小时）内部回流汽蚀。


5.1    美国水力学会标准ANSI/HI 1.3[9]对吸入比转速的定义
吸入比转速S，用最高效率点流量、给定转速及最大叶轮直径下，总扬程（多级泵为第一级叶轮的扬程）下降3%时的必需汽蚀余量来计算。公式定义如下：

式中：


n = 转速，单位rpm；


Q = 流量，单位m3/s（US制：加仑/分钟）；对于单吸叶轮，Q为总流量，对于双吸叶轮，Q为总流量的一半；


NPSH3 = 必需汽蚀余量，单位m（ft）。
注：将用公制单位推导出的吸入比转速乘以系数51.64就等于美制单位的吸入比转速，美制单位通常用符号Nss表示；公制单位推导出的吸入比转速乘以系数5.62就等于中国的吸入比转速C。


5.2 吸入比转速限值的规定


关于吸入比转速对离心泵运行可靠性的影响，国际同行具有非常丰富的工程应用经验，并给出了吸入比转速的最大限定值。其中，UOP 5-11-7规范中规定的吸入比转速的限定值在全球得到了广泛认可和应用，其规定如下：


泵的吸入比转速不得高于11000(USGPM, rpm ft.)【13000（m3/h, rpm m）】；当泵送介质为水或水含量超过50%的溶液，并且泵的单级叶轮功率超过75 kW时，吸入比转速不得高于9500 (USGPM, rpm ft.)【11000 （m3/h, rpm, m）】。对于高速整体齿轮箱驱动型泵（OH6型泵），吸入比转速达到24000 (USGPM, rpm ft.)是可以接受的。


尽管随着科技的进步，出现了一些其它可改善离心泵吸入性能的设计手段，吸入比转速的限定值也随之相应提高。但是根据国际同行的实际工程使用经验，对于BB2型泵限定值通常控制在14400（m3/h, rpm, m）[10]。


5.3    通过吸入比转速的限值计算泵的必需汽蚀余量


仍以某BB2型泵为例，主要参数如下：


泵的最高效率点的流量Q = 3372.8 m3/h，泵转速n = 5112 rpm。现根据上述比转速的限定值S = 14400（m3/h, rpm, m），可计算NPSH3值：NPSH3 = 35.6 m


考虑到我国泵厂普遍还采用加大叶轮入口直径的方法来改善泵的吸入性能，为了确保安全，现按UOP规范取吸入比转速的限定值S = 11000 （m3/h, rpm, m），则可算出NPSH3 = 51 m


也就是说，为了确保泵的吸入比转速不超标，泵的必须汽蚀余量NPSH3不得小于51 m。


6、汽蚀对离心泵的影响
当汽蚀发生时，汽泡在高压区内连续发生爆裂（如果是由内部回流引起的汽蚀，可以听到泵内发出不规则的噼噼啪啪的声音），同时伴有高强度的撞击声，从而导致不可接受的噪音和振动、叶轮和泵壳体的损坏以及泵性能的下降（如流量减少、扬程下降等）。

内部回流是引起泵汽蚀最主要和常见的原因，而吸入比转速是衡量一台离心泵吸入性能的一个指标，也是对内部回流敏感程度的一个评估尺度。

根据汽蚀基本原理，吸入比转速越大则泵的抗汽蚀能力越好，但泵的效率则越低。


之所以对吸入比转速给出限定值，是因为每台泵都有一个流量运行范围，在泵的运行范围之内，可接受的振动特性与吸入比转速密切相关。对于高吸入比转速的泵，当其在最高效率点附近运行时，叶轮入口处介质的流动较为稳定和均匀；而当流量不足、泵偏离最高效率点运行时，将会在叶轮的吸入口和吐出口产生内部回流、增加能量损失，导致泵的振动明显增大。


7、如何改善离心泵的汽蚀性能？
改善离心泵汽蚀性能的措施主要集中于以下三大点：


（1） 提高装置汽蚀余量
提高吸入池的液位。
增加水箱的压力。
将泵安装到一个地坑中，如VS6型泵。
减少吸入管路水力损失
给主泵安装一台前置（增压）泵，如百万机组核电站主给水泵等。


（2） 降低必需汽蚀余量
降低泵的转速。
采用双吸叶轮（多级泵首级采用双吸）。
安装一只诱导轮。不过，在石化及石油化工的实际工程应用中，很多用户不希望采用带诱导轮的泵。因为当诱导轮设计不当或出现腐蚀时，易导致其在过负荷区工作，不仅起不到增压作用，而且更容易造成泵的汽蚀。UOP规范中明确规定卧式泵不允许带诱导轮。
加大叶轮入口直径。但是，如果叶轮入口直径过大，这种方法不仅影响离心泵的运行性能，而且还会导致泵振动的显著增加。
使用几台较小的泵。三台半容量的泵可能比一台大泵加一台备用泵便宜，并且在较小的负荷下更节能。
叶轮叶片向泵入口边适当延伸，相当于增加一只小的诱导轮。
后掠叶片，以减少其前缘的任何汽蚀。
优化叶轮叶片前缘轮廓（如采用抛物线前缘轮廓、减薄吸入侧叶片厚度等），可有效限制叶片前缘的压力峰值和降低对部分负荷下运行的敏感程度。


利用现代计算机计算分析技术给定叶轮入口设计可优化的条件，从而更好地控制和了解叶轮流道中流量及压力分布情况。
在水力设计方面，西方发达国家较我国同行具有非常显著的优势。例如：德国KSB公司对每台离心泵的叶轮设计均进行CFD模拟分析，以获得最佳的水力及叶片上最佳的压力分布（防止出现压力突降而引起汽蚀）。如图4所示，从深红色到深蓝色体现了叶片上压力分布的细微差别。 
正如你所看到的，叶片上的压力分布较均匀，这样可以确保叶片不会发生汽蚀腐蚀，同时可以确保叶轮具有最佳的性能。


（3） 改善材料的抗汽蚀性能


采用抗汽蚀材料，如铜、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢。
提高金属的致密度（如采用特殊的压铸工艺等）和硬度，可以延缓汽蚀破坏的速度。


8、结论
只有全面、正确地理解离心泵的汽蚀性能，才能科学合理地设计或选择出满足用户装置要求的产品。


作者简介：
谢小青(1967-)，男，汉族，安徽怀宁，高级工程师，硕士，电站泵和石化泵的设计。上海电气凯士比核电泵阀有限公司