循环水泵汽蚀的原因与解决方案_李景新.pdf

2022 年 第 12 期 化学工程与装备 2022 年 12 月 Chemical Engineering&Equipment 171 循环水循环水泵汽蚀的原因与解决方案泵汽蚀的原因与解决方案 李景新（中海壳牌石油化工有眼公司，广东 惠州 516000）摘摘 要要：某化工装置循环水泵自投入运行以来，“噼噼啪啪”噪音明显，轴承振动较高，经检查发现，叶轮表面金属晶粒松动且呈蜂巢状，严重的叶片已出现汽蚀穿孔。严重影响装置长期、可靠运行。通过分析，确定了汽蚀的根本原因并制定了相应的改进措施。关键词：关键词：循环水泵；振动；汽蚀；汽蚀余量 NPSH；汽蚀余量裕度 NPSH margin 引引 言言 循环水泵是化工装置中重要的设备，设备运行一段时间后，检查发现叶轮有明显的汽蚀缺陷。设备因检修、更换叶轮严重影响了装置运行的可靠性。1 1 设备概况设备概况 化工装置循环水场配置循环水泵，循环水通过循环水泵升压后被输送到下游装置，经过用户，温度升高后再次返回循环水场，由冷却塔风机冷却后，回流到循环水池。1.1 设备结构 某化工装置循环水泵设计采用 BB1 型、卧式、双吸、水平剖分中开泵。主要设计数据如下：位号 型号 额定流量 m3/h 额定扬程 m 轴功率 Kw 电机功率 Kw 转速 rpm P401 1000T-56 12000 56 1900 2500 600 1.2 设备运行状况 该循环水泵于 2017 年首次试车，现场监测数据显示轴承振动偏高，约 4.0mm/s，且运行噪音较大，“噼噼啪啪”异响明显。设备运行一个月后，停机检查，发现叶轮每个叶片均有不同程度的汽蚀坑。如图 1.图图 1 1 叶轮汽蚀缺陷叶轮汽蚀缺陷 设备运行一年后，对其揭盖检查叶轮状态，发现叶轮汽蚀缺陷更加严重，且有的叶片已出现穿孔。如图 2.图图 2 2 叶轮汽蚀穿孔叶轮汽蚀穿孔 DOI:10.19566/35-1285/tq.2022.12.108172 李景新：循环水泵汽蚀的原因与解决方案 2 2 叶轮汽蚀原因分析叶轮汽蚀原因分析 2.1 汽蚀形成机理 液体汽化时的压力为液体的汽化压力（即饱和蒸汽压力）。液体的汽化压力的大小和温度有关。温度越高，由于分子运动更为剧烈，其汽化压力越大。20常温清水的汽化压力为 233.8Pa（0.0238kgf/cm2），而 100水的汽化压力为 101296Pa（1.033kgf/cm2），即一个大气压力。液体在一定温度下，降低压力至该温度下的汽化压力时，液体便产生气泡。把这种产生气泡的现象成为汽蚀。汽蚀时产生的气泡，流动到高压处时，其体积减小以致破灭。泵在运转过程中，若过流部分的局部区域，因为某种原因，抽送液体的绝对 压力下降到当时温度下的汽化压力时，液体便在该处开始汽化，产生蒸汽、形成气泡。这些气泡随液体流动至高压处时，气泡周围的高压液体，致使气泡缩小至破裂。在气泡凝结的同时，液体将以告诉填充空穴，发生互相撞击形成水击。由于泵汽蚀，气泡在高压区连续发生突然破裂，以及伴随的强烈水击，而产生噪声和振动，因此会听到“噼噼啪啪”的响声。2.2 振动分析 泵长时间在汽蚀条件下工作时，叶轮表面会受到利刃似的高频强烈冲击，致使叶轮表面出现麻点（汽蚀初期），严重甚至穿孔。该设备自投用以来，轴承振动值约 4.0mm/s，频谱分析显示汽蚀现象明显。如图 3.图图 3 3 机泵运行频谱图机泵运行频谱图 2.3 汽蚀余量分析 超过泵的“必需汽蚀余量 NPSHr”的系统“有效汽蚀余量 NPSHa”的量称为汽蚀余量裕度，即 NPSH margin，定义为泵进口处可用的“有效汽蚀余量 NPSHa”减去泵的“必需汽蚀余量 NPSHr”，即 NPSH margin=NPSHa-NPSHr。汽蚀余量裕度比是指 NPSHa 除以 NPSHr，即 NPSHa/NPSHr。根据美国水力研究所的数据，NPSH 裕度比可以从 1.05 到 2.5，以达到 100%的排放水压头值，从 2 到 20，以完全抑制所有汽蚀。研究表明，通常裕度比达到 45 时，泵内才能完全抑制汽蚀的发生。汽蚀可以在高于泵的必须汽蚀余量条件下存在。必需汽蚀余量不是汽蚀的起点。据研究数据表明，正是有效汽蚀余量导致泵的总排放压头降低 3%。这种水头下降的 3%是由叶轮低压区气穴蒸汽形成的流动堵塞造成的，这意味着叶轮中存在汽蚀，从而导致水头下降。图图 4 4 吸入脉动水平和空气百分比与吸入脉动水平和空气百分比与 NPSHNPSH 裕度比裕度比 李景新：循环水泵汽蚀的原因与解决方案 173 根据研究数据，在较高的“汽蚀余量裕度比”下，吸入压力脉动恒定，波动较小。随着“裕度比”从高水平降低，脉动略有增加，随着“裕度比”进一步降低，叶轮孔被气穴蒸汽吞没，压力脉动显著增加。如图 4.这就是为什么即使系统的“有效汽蚀余量”超过泵的“必需汽蚀余量，一些泵也会产生汽蚀噪声。在必需汽蚀余量后汽蚀区域内运行是否会产生噪音和/或对泵的寿命有害，取决于吸入能量、NPSH裕度、流量和液体的空气含量。该循环水泵所在系统单元“有效汽蚀余量”设计是 7米，泵的设计“必须汽蚀余量”是 6.9 米，汽蚀余量裕度NPSH margin 经计算为 0.1 米（有效汽蚀余量-必需汽蚀余量）。与遵循的设计规范 GBT50746-石油化工循环水场设计规范_给排水规范规定的“汽蚀余量裕度应大于 0.5 米”偏差较大。同时根据工业泵选用手册“石油化工循环水场，NPSHa-NPSHr差值要求在1米以上”及美国国家标准ANSI及美国水力协会标准 HI 均建议汽蚀余量裕度比1.22.5。该循环水泵设计的汽蚀余量裕度（比）较小、这是造成叶轮汽蚀的根本原因。2.4 叶轮材质分析 该循环水泵叶轮材质采用的是马氏体不锈钢，根据材料抗汽蚀性能表可知，如下图 5，该材质抗汽蚀性能低于奥氏体不锈钢及更高的铜合金材质。因此材质选择不当，也是导致该泵汽蚀的一个贡献因素。图图 5 5 金属材料耐汽蚀性能比较金属材料耐汽蚀性能比较 3 3 解决方案解决方案 根据上述分析可知，造成叶轮汽蚀的根本原因是设计的汽蚀余量裕度（比）不足。泵发生汽蚀的条件是由泵本身和吸入装置两方面决定的。为此，解决泵的汽蚀，应从泵本身和吸入装置双方来考虑。3.1 提高系统的“有效汽蚀余量 NPSHa”提高有效汽蚀余量，即提高泵叶轮中心处的剩余压头值。由于装置已经交付，且已投入运行一年，在现有条件下，更改系统管路、抬高水池或降低泵中心线高度，不仅投资大，实施难度也极大，因此并不是首选方案。但在日常操作中，保持泵在水池的最高允许液位下运行，是可以实现的。3.2 降低泵的“必需汽蚀余量 NPSHr”泵汽蚀余量与装置参数无关，只与泵进口的运动参数相关。基于泵汽蚀相似理论，通过优化泵叶轮进口部分几何形状，如进口直径，进口安放角，进口边形状，进口流道形状等，均可以有效地降低泵的必需汽蚀余量。因此，在现有条件下，通过如下方法提高和改进叶轮的抗汽蚀性能：（1）在叶轮改造的水力模型设计时，模拟不同模型泵内部流场分布及泵的外特性曲线。针对泵容易气蚀的特点，对叶轮叶片进行优化设计，具体实施方案如下：a)适当增加叶轮进口直径，减少进口流速；b)增大进口安放角，减少叶片的弯曲，增大叶片进口 过流面积，减少叶片的排挤；c)增加叶片进口宽度，进口过流面积增加，减少进口流速；d)增加前盖板的曲率半径，减少前盖板的流速和改善速度分布的均匀性；e)叶片进口边适当向进口延伸并减薄，叶片提早接受液体的作用，增加叶片的表面积，减少叶片工作面和背面的压差。f)叶片进口厚度越薄，越接近流线型，叶片最大厚度离进口越远，叶片的进口压降越小，泵的抗汽蚀性能越好。叶片进口形状对压降影响是十分敏感。g)吸入室的形状和速度，泵吸入流道至叶轮进口面积应逐渐减小，使流速逐渐增加，提高流动的稳定性，可降低汽蚀的形成。（2）在制造过程中，提高表面的光洁度。在叶轮的制造方式上，通过精密铸造的形式铸造叶轮，整体材料选用抗气蚀性能较好的奥氏体不锈钢，或者采用耐磨材料，同时通过抛丸、机械抛光手段来提高叶轮流道的表面光洁度，进而提高抗汽蚀性能及效率。由于耐磨材料的含碳量都比较高，焊接型比较差，因此通常建议叶轮采用整体精密铸造。（下转第（下转第 155155 页）页）冶志超：磷肥生产余热发电汽轮机组 505E 控制应用 155 phosphate fertilizers Use waste heat boilers to absorb excess smoke heat.The waste heat power generation system is mainly responsible for processing high-energy steam and adjusting and distributing various parameters.It does not have the steam production capacity,and the extraction steam turbine unit cannot effectively digest the excess steam.During the operation process,the steam pressure and temperature Therefore,it is necessary to optimize and adjust the traditional production system,reduce the operating load of the steam turbine unit,and improve the temperature,pressure and air control effect,so as to ensure the stability and safety of the phosphate fertilizer production process.Based on this,this paper analyzes an example case,takes the Woodward 505E controller as the main research object,and explores the optimal control effect of the waste heat power generation steam turbine in the process of phosphate fertilizer production,in order to provide some reference for the innovation and development of phosphate fertilizer production enterprises.Key wordsKey words:waste heat power generation;phosphate fertilizer production;control application;steam turbine unit;505E （上接第（上接第 173173 页）页）_ 4 4 结结 论论 通过对叶轮水力模型优化及材质的改进，新叶轮必需汽蚀余量 NPSHr 降低了 1m，即由原来的 6.9 米降低至 5.9 米，汽蚀余量裕度 NPSH margin 增加了 1 米，即由原来的 0.1米增加至 1.1 米，裕度比（NPSHa/NPSHr）由原来的 1.02增加至 1.2，同时新的叶轮采用了耐磨材料，叶轮整体抗汽蚀性能有了明显的提高。新叶轮自 2020 年投入使用，现场运行的“噼噼啪啪”噪音明显降低，机泵的振动值也保持在 2.5-3.0mm/s 之间，运行 2 年多来，状态良好。极大程度上延长了泵的维修间隔时间，提高了装置的可靠性。参考文献参考文献 1 关醒凡.泵的理论与设计M.机械工业出版社.2 Allan R.Budris&Philip A.Mayleben.Effects of entrained air,NPSH margin,and suction piping on cavitation in centrifugal pumpsJ.（上接第（上接第 179179 页）页）_ 5 5 结结 论论 随着井下作业方式的转变，连续管作业技术正在为油田行业提供新的工程利器，滚筒技术的发展直接关系到行业的进步，通过优化结构并满足国内运输条件，实现大容量缠绕连续管是未来滚筒发展的趋势。本文通过对滚筒结构、工作原理以及主要系统的详细分析说明了 GT6080QK 滚筒的型式特点，结合现场作业情况，进一步证明了该滚筒的可靠性和稳定性，所做研究为连续管行业及相关工程技术服务提供了重要参考，具有较强的工程指导意义。参考文献参考文献 1 李帅,刘怀,陈钊.基于 Fluent 的吹扫装置效率主要参数分析J.辽宁化工,2021,50(09):1362-1366.2 窦益华,韩璐,秦彦斌,等.滚筒处弯曲连续油管起出力学性能分析J.机械设计与制造工程,2017,46(4):95-98.3 郭峰,张保弟,孙晓明,等.连续管作业机油管滚筒的研制J.机电产品开发与创新,2012(3):54-55.4 曹银平,潘莹,米红雪,等.连续油管在三维弯曲井中的下入能力分析/IOP 会议系列:地球与环境科学C.2021804(2)5 施志辉,范佳,许立,等.连续油管在滚筒上缠绕的力学研究J.大连交通大学学报,2011(5):50-52.6 张延忠.连续油管作业机注入与滚筒同步控制系统研究J.设备管理与维修,2015(10):60.7 钱北岳,孙国豪,王刚,等.非破坏性和破坏性连续油管弯曲和矫直周期影响的试验研究J.工程失效分析,2021(12).