我有幸主持了在美國舉辦的幾次泵和泵系統(tǒng)研討會(huì)。“我的離心泵發(fā)生了氣穴現(xiàn)象，該怎么辦?”這似乎是一個(gè)時(shí)有發(fā)生、反復(fù)出現(xiàn)的問題。首先讓我們來回顧一下什么是氣穴現(xiàn)象。

NPSH和氣穴現(xiàn)象

　　離心泵在泵的入口/吸入端必須具有一定的絕對(duì)液能，才能正常工作。我們把這種以英尺或者公制米為單位來表示的能量稱為必需汽蝕余量，或者NPSHR。在美國，NPSHR由泵制造商根據(jù)液壓協(xié)會(huì)(HI)制定的規(guī)程在其液壓實(shí)驗(yàn)室中來確定。這種必需的絕對(duì)能量超出了液流的汽化壓力，泵需要從與其相連的系統(tǒng)中來獲得該能量，我們把這種絕對(duì)系統(tǒng)能量稱為有效汽蝕余量(NPSHA)。

　　當(dāng)NPSHA不超過NPSHR時(shí)，我們的系統(tǒng)達(dá)到這樣一種狀態(tài)，即液流的絕對(duì)壓力小于液流的汽化壓力。這時(shí)，液流開始發(fā)生狀態(tài)變化，從液體變成氣體，并且開始蒸發(fā)并沸騰。在泵的葉輪內(nèi)形成的蒸汽泡在整個(gè)葉輪內(nèi)不斷延伸，向泵內(nèi)壓力越來越大的區(qū)域移動(dòng)，直到它們?cè)谧銐虼蟮膲毫ο掳l(fā)生爆裂，恢復(fù)液體狀態(tài)。這種狀態(tài)的變化是一種極為強(qiáng)烈的反應(yīng)，導(dǎo)致在極高的局部壓力下出現(xiàn)少量液體射流。射流撞擊葉輪表面，就像水射流切割器一樣，使得少量金屬從葉輪表面脫落。每分鐘要發(fā)生數(shù)千次這種汽泡內(nèi)爆。每次短暫的汽泡內(nèi)爆都會(huì)撞擊金屬，導(dǎo)致金屬疲勞及脫落。結(jié)果會(huì)造成低頻振動(dòng)及噪聲(類似于石頭或者大理石在瓶子中晃動(dòng)的聲音)，帶來極大的潛在危害，包括腐蝕葉輪致使其出現(xiàn)小洞，使金屬密封面產(chǎn)生缺口，導(dǎo)致軸承損壞。這種典型現(xiàn)象被稱為氣穴。

　　現(xiàn)在我們遇到了典型的氣穴問題，我們可以采取哪些措施來減輕、消除或者防止它?我們將這個(gè)難題劃分為導(dǎo)致氣穴現(xiàn)象的兩方面問題來分析，即系統(tǒng)的NPSHA小于泵的NPSHR。在考慮提高NPSHA的途徑之前，首先讓我們來看看有哪些可選方案能夠減小NPSHR。

選擇1——減小泵的必需汽蝕余量(NPSHR)

方案A：低NPSHR葉輪

　　許多泵制造商針對(duì)特定的泵提供可選的低NPSHR葉輪。這些葉輪通常具有較大的進(jìn)氣孔面積(圖1)2，從而降低了為防止氣穴現(xiàn)象發(fā)生所需的絕對(duì)能量。我們所見到的使用這類葉輪的典型裝置包括立式渦輪熱井凝結(jié)泵，其中的初級(jí)葉輪即為低NPSHR葉輪。低NPSHR初級(jí)葉輪還可以應(yīng)用在另一類工作中，如處理液態(tài)氨或者任何其他具有低系統(tǒng)NPSHA的高汽化壓力液流。

　　如果你現(xiàn)有的泵不提供可選的低NPSHR值葉輪，那么下面在方案B中將討論一種類似的但是更徹底的方法。

方案B：更大的泵

　　考慮減小NPSHR，通過安裝一臺(tái)工作轉(zhuǎn)速較慢的更大型的泵，顯然會(huì)得到更大的進(jìn)氣孔面積，從而能夠降低NPSHR。雖然這種方法的成本更高，但是它的確能夠解決你的氣穴問題。

方案C：誘導(dǎo)輪

　　有些泵制造商還提供另一種可選方案，即用一種看起來像葡萄酒開瓶器或者包裝拔出器的裝置來代替葉輪螺母(針對(duì)鍵連接葉輪)，該裝置叫做誘導(dǎo)輪。該誘導(dǎo)輪本質(zhì)上是一種高抽吸比轉(zhuǎn)速軸流葉輪，其工作方式就像在葉輪吸入口端放置了一個(gè)小型的前置葉輪或者增壓泵，幫助推動(dòng)液流流入泵內(nèi)，從而減小了NPSHR。并非每家泵制造商都提供這種裝置，但是它作為一種可選的解決方案仍值得研究。

選擇2——增大系統(tǒng)NPSHA

　　NPSHA是離心泵入口處的全部絕對(duì)能量之和，它必須大于泵的NPSHR。本節(jié)將介紹在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，如何應(yīng)用NPSHA公式作為排除故障的診斷工具來減輕或者消除氣穴，甚至防止氣穴現(xiàn)象發(fā)生。讓我們首先來看看NPSHA來源于哪兒，我們?nèi)绾味�義及確定計(jì)算該值的公式。

計(jì)算NPSHA

　　泵入口處的絕對(duì)能量來自于多種系統(tǒng)源。針對(duì)本節(jié)的討論，我們只關(guān)心發(fā)生在泵入口處的那些對(duì)象，這樣我們就能夠把精力集中在系統(tǒng)的泵吸入側(cè)。如圖3所示，我們定義系統(tǒng)的幾個(gè)變量4：

　　hatm = 轉(zhuǎn)換成液流英尺高度的大氣壓力

　　• 始終是有利于我們的正能量。

　　hp = 轉(zhuǎn)換成液流英尺高度的吸入罐內(nèi)的表壓

　　• 如果存在著正壓，則該數(shù)字為正值。

　　• 如果存在著真空，則該數(shù)字為負(fù)值。

　　• 對(duì)于敞開的吸入罐，hp = 0。

　　hel =相對(duì)于泵吸入端的靜態(tài)液位高度，用液流英尺高度來表示

　　• 如果液位高于泵的吸入端，該值為正。

　　• 如果液位低于泵的吸入端，該值為負(fù)。

　　hf = 摩擦/出口/入口/發(fā)生在吸入管道內(nèi)的所有損失

　　• 它是泵入口處的負(fù)值，表示能量損失，需要從我們的凈能量中減去。

　　hvp =被泵送液流的汽化壓力，由泵送溫度決定

　　• 該值往往要從凈有效能量中減去，因?yàn)槿绻麅裟芰康扔谄�化壓力，則系統(tǒng)將發(fā)生氣穴現(xiàn)象。

　　NPSHA是在泵吸入端的所有絕對(duì)系統(tǒng)能量之和。表1是一張‘能量分類賬簿’，它幫助我們確定吸入端的能量源究竟是能量貸方——有利于我們的，還是能量借方——不利于我們的。

　　回到圖3，NPSHA是正能量與負(fù)能量之和。

　　NPSHA = hatm + hp + hel - hf - hvp

　　請(qǐng)注意，以英尺為單位計(jì)量的揚(yáng)程=(psi × 2.31)/SG，其中SG是液流在泵送溫度下的比重。

　　確認(rèn)在你的泵送條件下，NPSHA充分大于NPSHR，那么可以開始工作。NPSHA 與NPSHR之比被稱為NPSH裕量。很多情況下只要使用2英尺的裕量就足夠安全：NPHSA > NPSHR +2 ft。你的安全裕量應(yīng)該根據(jù)具體的工作情況來確定。HI關(guān)于NPSH裕量值的規(guī)定建議普通工業(yè)泵的NPSHA裕量值至少應(yīng)該達(dá)到NPSHR值的 1.3倍。HI建議高抽吸能量泵的裕量值應(yīng)高達(dá)NPSHR的1.6倍，這一要求通常很難達(dá)到。

研究NPSHA的各組成分量

　　我們可以研究NPSHA的各組成分量，通過提高系統(tǒng)的NPSHA，來幫助減輕、消除或者預(yù)防氣穴問題。我們有五個(gè)和系統(tǒng)有關(guān)的NPSHA組成分量，它們會(huì)引起氣穴。我們將NPSHA劃分成單個(gè)分量以便運(yùn)用診斷工具進(jìn)行分析，該診斷工具通過提高系統(tǒng)的NPSHA來幫助減輕、消除或者預(yù)防氣穴問題。

第1項(xiàng)：研究hatm

　　我們沒辦法提高大氣壓力hatm。除非把您的工廠搬到海拔較低的地區(qū)來獲得更高的大氣壓力，否則別無他法。

第2項(xiàng)：研究hp

　　對(duì)于敞開的吸入罐，液流表面的表壓(hp)為0psig。如果你遇到了氣穴問題，可以考慮將吸入罐密閉，并且對(duì)其加壓到一定程度，這樣就能夠消除氣穴現(xiàn)象。

　　對(duì)于密閉的吸入罐，可以考慮增大罐內(nèi)的現(xiàn)有壓力。只要你有辦法增大NPSHA的該組成分量，就能夠改善氣穴問題。

第3項(xiàng)：研究hel

　　液位相對(duì)于泵吸入端的高度是提高NPSHA及減輕氣穴或者氣穴威脅的一項(xiàng)關(guān)鍵因素。提高供給罐內(nèi)的液位。在氣穴問題嚴(yán)重的極端情況下，據(jù)我所知，有些工廠設(shè)法增大了其供給罐的高度，從而提高了液位。

第4項(xiàng)：研究hf

　　認(rèn)真分析吸入管道。增大管道尺寸以減小摩擦分量。使管路呈直線，減少吸入管內(nèi)彎頭的數(shù)量，從而減小摩擦。將吸入管道內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)彎管更換成長半徑彎管。吸入管道內(nèi)的閥門應(yīng)該采用低摩擦損失閥門，例如球閥(ball valves)，而非具有高摩擦損失的截止閥(globe valves)。將吸入管濾網(wǎng)清理干凈。盡一切可能盡量減小吸入管道內(nèi)的摩擦。

第5項(xiàng)：研究hvp

　　汽化壓力是當(dāng)液流從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)時(shí)的內(nèi)在壓力。汽化壓力受溫度的影響很大，特別是在高溫時(shí)。降低液流的溫度能夠降低其汽化壓力并提高NPSHA，從而減輕氣穴問題。

　　只要你采取任何措施來提高這些組成分量，就能夠提高NPSHA，從而減輕或者消除氣穴問題。

　　你已經(jīng)盡全力對(duì)泵做了調(diào)整，來改善其NPSHR，并且也對(duì)你的系統(tǒng)做了優(yōu)化，增大其NPSHA，但是仍然存在著損害泵的氣穴問題。那么現(xiàn)在該怎么辦?

選擇3——制造材料

　　第3種可選方案并不能幫助你消除或者預(yù)防氣穴問題，但是它有助于減輕氣穴現(xiàn)象對(duì)泵所造成的損害。對(duì)于易發(fā)生氣穴的泵，尤其是其葉輪，不適宜采用青銅、鑄鐵或者任何其他較軟的金屬來制造。你應(yīng)該選擇更硬的材料，至少要選用316 SS葉輪，大多數(shù)泵制造商都將其作為標(biāo)準(zhǔn)可選材料來提供。11–13%鉻合金、CD4MCU、涂層斯特來特硬質(zhì)合金、28%鉻鐵或者其他硬質(zhì)葉輪表面能夠更好地抵御氣穴現(xiàn)象造成的損害。當(dāng)處理非常熱的液流時(shí)，例如溫度超過~180°F(82°C)，或者處理高汽化壓力的液流時(shí)，我通常建議客戶在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段就考慮采取一定的安全保障措施，即采用最硬的材料來制造泵。

結(jié)論

　　氣穴現(xiàn)象已經(jīng)被公認(rèn)為是造成離心泵可靠性降低的主要原因之一。相比于泵所需的能量(NPSHR必需汽蝕余量)，泵吸入端的絕對(duì)系統(tǒng)能量不夠大就會(huì)造成氣穴問題，導(dǎo)致泵的可靠性降低。本文中提出了有助于減輕、消除或者預(yù)防氣穴的兩種可選方案，在實(shí)施方案1和2都失敗的情況下，本文還提供了第3種可選措施，它能夠?qū)�氣穴造成的不良影響減至最小。我相信這些故障診斷技術(shù)將有助于提高你的泵和泵系統(tǒng)性能，使它們能夠更好地工作，并且所需的維護(hù)和工作成本更少。