化工装置中离心泵气蚀问题分析

杨世杰

（烟台泰和新材料股份有限公司，山东烟台 264006）

0 引言

离心泵具有设备结构简单、流量稳定、扬程高、操作简单、后期维护成本低的特点，在石油化工、煤化工、钢铁冶炼等领域具有广泛应用空间。根据不同结构特点、工程设计和工艺参数需求，可以有针对性地安装不同性能的离心泵。很多大型化工装置，在原料处理环节、产品分离环节和辅助料输送环节，都离不开离心泵的使用。大规模使用离心泵的化工生产都面临以下复杂情况。

（1）化工生产大多需要连续运转，有时为提高装置负荷，完成年度生产计划通常需要提高各个物料的进料量，这也提高了离心泵的工作负荷。

（2）很多化工生产涉及到的物料种类非常复杂，以石油化工生产为例，其输送的原料就包括汽柴油、硫化油、氢气等。输送的辅助料包括高温气体、高温换热油等，输送的物料性质复杂多样，面对的输送条件也不同。这些情况会影响到离心泵的使用性能、寿命和效率。离心泵的气蚀故障是离心泵工作中最常见的故障之一，本文根据化工生产操作经验，总结离心泵气蚀相关文献，调研企业离心泵气蚀故障实例，总结梳理化工生产过程中离心泵的气蚀问题。

1 离心泵工作原理

离心泵设备型号众多，但是工作原理大同小异。大多数离心泵主要由泵壳、中心泵轴、轴承、密封垫圈、轴向力平衡系统、旋转叶轮等部分组成，核心设备是固定泵壳和高速旋转的叶片。通常离心泵都固定有4～10 片弯曲的旋转叶片。离心泵开始工作时，连接离心泵的电动驱动设备带动离心泵轴旋转，连接轴的叶片高速旋转，叶片将沿其圆周切线方向对液体做功，带动叶片与泵壳之间的液体高速旋转。当液体受到旋转产生的离心力作用时，就会从叶轮中心不断向外运动并不断获得机械动能，在离心力和压差作用下，液体经过叶轮出口时会不断向外运动进入泵壳。进入到泵壳后，液体流动速度下降，一部分机械动能转换为静压能，并进入离心泵流出管道。

2 气蚀的概念及产生原因

根据离心泵工作原理，离心泵对入口管线处的液体物料吸入的方式是基于入口管线压力和叶轮中心的压力差来实现的。但是，当离心泵入口管线的压力低于液体工作环境下的饱和蒸汽压时，输送的液体物料就会迅速汽化产生大量气泡，并且随着入口管线的压力不断下降，形成的气泡尺寸和速度不断变大、变快，同时受到压力变化影响，溶解在液体物料中的部分液体也会析出，在液体中形成气泡。无论哪种气泡，当这些气泡被卷吸到离心泵叶轮中心时，受到泵壳内高压区压力的作用又会破碎。在气泡破碎瞬间，会产生大量的液体碰撞，带动周围液体不断撞击、腐蚀流经的离心泵零件。这些离心泵金属零件经过长时间液体的高频率撞击和腐蚀，会产生金属疲劳、性能衰退的情况，进而引发离心泵性能缺陷。这一系列因液体汽化、气泡破碎、液体撞击所带来的离心泵金属零件受损的情况称为气蚀现象。离心泵产生气蚀主要有以下原因。

（1）不同材料制备出的离心泵抗气蚀能力不同，通常不锈钢合金制造成的离心泵抗气蚀能力较强。

（2）制造离心泵时，结构设计不合理，导致离心泵的允许汽蚀余量曲线斜率过高，降低了离心泵的抗气蚀能力。

（3）离心泵设计压力、泵前管线输送压力和输送液体性质不匹配，例如，输送油品时，油品的饱和蒸汽压受到温度变化影响非常大，一旦工艺参数发生变化，很容易在离心泵内产生气蚀。

（4）离心泵开机使用前需要灌泵，使得离心泵内充满带输送的液体。如果离心泵开机前没有做好灌泵工作，会使离心泵内含有一定体积气体，为气蚀提供场所。

（5）工艺管线参数设置不合理或离心泵安装高度过高，导致离心泵吸入物料的阻力过大，离心泵叶轮对泵前管线物料的卷吸能力不足。

（6）离心泵驱动电机设备工作不稳定，导致离心泵运行过程中产生大幅度流量变化或叶轮转速变化，造成液体流动状态变化明显。

3 气蚀产生的危害

气蚀发生时，首先是叶轮内部的液体物料内部和表面处产生大量气泡，叶轮截留面变小，影响液体物料运输的连续性，离心泵的扬程、流量和效率均受到影响。当含有气泡的液体物料进入高压泵后，气泡破碎引发周围液体高速、无规则地向泵壳四周散去，不断撞击泵壳内的各种金属零件，侵蚀金属零件表面，产生表层脱落、裂纹、腐蚀的情况。这些危害表现在离心泵设备上，体现在以下方面。

（1）机械损伤。气泡破碎带来的高速液体不断冲击泵壳内部的各种机械零件，容易产生各种金属机械损伤。微观结构观察发现长期处于气蚀状态的泵壳内部零件表面存在大量蜂窝、沟壑形状伤痕。严重时，金属零件受冲击产生金属碎片，碎片会造成壳体损伤。

（2）电化学腐蚀。告诉液体撞击泵壳内部零件产生大量摩擦热，引发物料中气体产生电化学反应，加剧金属零件损伤，产生化学腐蚀。如果化学腐蚀发生在精密的阀芯部位，对离心泵的损伤是致命的。

（3）振动和噪声。气泡破碎产生高速液体的流速、流动方向是不规则的，高频率撞击到零件后会产生规则的振动，改变叶轮和泵壳之间的协调性，导致叶轮轴分布对称性发生变化，使得电机轴受交变应力，导致叶轮轴承和中心轴使用性能受损。

（4）降低性能。产生气蚀后，离心泵的输送流量、扬程、出口压力、效率都会下降，离心泵使用寿命也会缩短，造成企业经济损失。

4 气蚀的防护及改善措施

4.1 调整吸入系统的装置条件

为使工程设计人员清楚了解各种离心泵的使用性能，使企业在实际使用过程中有效避免气蚀情况的出现，离心泵的生产厂家在离心泵铭牌上都会标注对应离心泵的允许气蚀余量和允许吸上真空度。这两个指标都是衡量评判工艺生产过程中工艺参数是否会对此离心泵产生气蚀的重要参考指标，也是工程设计设备选型工作重要参考指标。对于出厂的成品离心泵，其结构组成、空间构造、材料选型等方面都是固定的，影响离心泵使用过程中的气蚀情况主要依赖于工艺参数。

4.1.1 允许气蚀余量

为避免离心泵发生气蚀，工作状态下的离心泵气蚀余量NHSHα必须满足式（1）。

式中 NHSHα——离心泵工作状态下的汽蚀余量

NHSHr——离心泵固有的汽蚀余量

PA——离心泵吸入罐上压力

PV——工作状态下液体物料的饱和蒸汽压

ρ——液体物料在工作状态下的密度

Zg——离心泵安装高度

ΣhA-S——叶轮卷吸液体的阻力损失

根据式（1）可知，提高NHSHα可以采取以下措施。增大PA，从公式来看，PA越大，NHSHα越大。根据离心泵工作原理，足够大的PA可以有效避免流体因温度过高而发生汽化，产生气泡。现场操作经验发现，除了离心泵前压力过低会导致气蚀以外，离心泵叶轮气蚀转速过高也会产生气蚀；降低流体自身温度，根据流体物理化学原理，流体的饱和蒸汽压与温度成正向关系，温度越高流体的饱和蒸汽压越高。因此，在固定离心泵前压力情况下，温度越高，离心泵越容易产生气蚀。因此，在满足工艺加工前提下，应尽可能降低离心泵前后管线流体体相温度。

4.1.2 允许吸上真空度

为避免离心泵发生气蚀，工作状态下的离心泵吸上真空度应满足式（2）。

式中 HS——离心泵工作状态下的吸上真空度

CS——离心泵工作状态下的入口速度

HSC——离心泵临界吸上真空度

HSC=HS+0.3，其中0.3 为国家标准规定的安全余量。

从上述公式可以得出，要保证离心泵不发生气蚀，就要尽可能降低HS，可以采取以下措施。

（1）降低安装高度。保证安装高度满足Zg≤HSC-（Cs2/2g）+ΣhA-S。

（2）降低流速。在保证装置进料需求前提下，使用低流量工作状态；在保证流量不变条件下，适当增加泵前管线直径，降低流速，或者在泵前管线增设旁路，调整入口管线物料流速。

（3）降低管路阻力。要对泵前管线进行切换清理，降低管壁阻力，使用光滑的材料制备管道。

4.2 提高离心泵本身的抗气蚀性能

调整离心泵的结构和制造材料也可以提高离心泵抗气蚀能力，降低自身气蚀余量，可以采取以下措施。

（1）改变入口结构。增加离心泵入口直径，降低物料进入离心泵的流速；增加叶片进口冲角，降低压力势差系数；根据流体力学计算模拟和冷态模拟，考察离心泵内流体流动状态，设计新型叶片结构，减少流体传动阻力。

（2）采用双吸式叶轮。使用双吸式叶轮离心机，在不改变物料流量的前提下，将每片叶轮通过的液体流量降低一半，相应的叶轮入口流速也降低，降低了气蚀出现的概率。

（3）选用抗气蚀性能好的材料制造设备。使用高性能材料制造离心泵各种零件，可以提高离心泵面对气蚀的抗性，维持离心泵的机械性能和使用寿命。目前材料工程开发出的具有高性能的材料有镍铬合金、不锈钢2Cr13、稀土不锈钢、铝铁青铜9-4 等。

（4）涂层工艺。为降低流体在离心泵处的传质阻力以及提高离心泵材料的抗腐蚀能力，可以对离心泵内能够接触到流体的管道和零件进行涂层，例如，环氧树脂、石油沥青、聚氨酯等。

5 结论

上述分析可以发现，为避免离心泵出现气蚀故障，离心泵制造企业和化工生产企业要采取以下措施。

（1）从离心泵制造角度出发，提高离心泵本身的抗气蚀能力。

（2）从工艺角度出发，保证离心泵有效气蚀余量和吸上真空度满足设备指标要求。同时，现场也要加强巡检、设备检修、设备保养等辅助性工作，保证化工生产顺利进行。