技術知識
化工泵是工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的設備之一，但在使用過程中，有時會遇到汽蝕問題。本文將為您揭示水泵汽蝕的原因、危害、定義以及解決方案，助您更好地了解和應對這一問題。
PART01
泵產(chǎn)生汽蝕的成因
Causes of
pump cavitation
水泵汽蝕是指在泵的吸入口處，液體因受到負壓的作用而產(chǎn)生氣泡，隨著液體流動進入泵內(nèi)部，氣泡在高壓環(huán)境下迅速破裂，對泵葉輪等部件造成嚴重腐蝕和損傷。造成水泵汽蝕的主要原因有以下三點：
1. 安裝高度過高：水泵的安裝高度過高會導致吸入口處的壓力降低，容易引發(fā)汽蝕。
2. 流體溫度過高：流體溫度過高會降低液體的蒸汽壓力，使得液體更容易產(chǎn)生氣泡，從而引發(fā)汽蝕。
3. 吸入管路阻力過大：吸入管路阻力過大會增加泵的吸入口壓力損失，降低吸入口壓力，容易導致汽蝕。
PART02
汽蝕對泵產(chǎn)生的危害
水泵汽蝕對泵的性能和壽命都有極大的影響，主要表現(xiàn)為以下兩方面：
1. 過流部件腐蝕：氣泡破滅時產(chǎn)生高頻（600～25000HZ）沖擊，壓力高49Mpa，致使金屬表面出現(xiàn)機械剝蝕；以及汽化時放出熱量，并有溫差電池作用產(chǎn)生水解，產(chǎn)生的氧氣使金屬氧化，發(fā)生化學腐蝕。
2. 泵性能下降：汽蝕會導致泵葉輪內(nèi)的能量交換受到干擾和破壞，使得泵的外特性曲線下降，嚴重時甚至會使泵中的液流中斷，無法正常工作。
離心泵最易發(fā)生汽蝕的部位
1.葉輪曲率最大的前蓋板處，靠近葉片進口邊緣的低壓側；
2.壓出室中蝸殼隔舌和導葉的靠近進口邊緣低壓側；
3.無前蓋板的高比轉數(shù)葉輪的葉梢外圓與殼體之間的密封間隙以及葉梢的低壓側；
4.多級泵中第一級葉輪。
PART03
汽蝕余量分類
NPSHa（裝置汽蝕余量）
又稱有效汽蝕余量，指的是在泵的吸入口處，單位重量液體所具有的超過汽化壓力（飽和蒸汽壓力）的富余能量。NPSHa越大，說明液體在泵內(nèi)汽化的可能性越小，抗汽蝕性能越好。
NPSHr（泵汽蝕余量）
又稱必需的汽蝕余量或泵進口動壓降，指的是液體在泵吸入口的能頭對壓力最低點處靜壓能頭的富余能頭。NPSHr越小，表明泵的抗汽蝕性能越好。
NPSHc（臨界汽蝕余量）
是指液體泵在工作過程中能夠承受的最大汽蝕程度。臨界汽蝕余量取決于多個因素，如泵的結構、設計參數(shù)、液體性質等。一般情況下，臨界汽蝕余量越大，泵的抗汽蝕能力越強。
[NPSH]（許用汽蝕余量）
為保證離心泵不發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，泵入口處液體的液柱壓強比操作溫度下液體飽和蒸汽壓高出的最少余量。通常取[NPSH] = (1.1～1.5)NPSHc。
蝕余量有如下關系：
NPSHc ≤ NPSHr ≤ [NPSH] ≤ NPSHa
拓展：
必需汽蝕余量和有效汽蝕余量之間的聯(lián)系
必需汽蝕余量（NPSHr）是指在特定轉速和流量下，泵能安全運行不發(fā)生汽蝕的最小汽蝕余量。這個參數(shù)是由泵的設計特性決定，與泵的結構、轉速、葉輪設計等因素密切相關。NPSHr越低表明泵自身對汽蝕的抵抗能力較強，即需要的系統(tǒng)提供的汽蝕余量較小。（此值和泵結構有關，由泵廠家提供）
有效汽蝕余量（NPSHa），亦稱裝置汽蝕余量，是指在特定的泵安裝條件下，由吸入系統(tǒng)提供的、足以使泵在進口處單位重量液體具有的超過汽化壓力水頭的富余能量。這個參數(shù)是由泵的安裝環(huán)境、管路配置以及液體的性質等因素決定的，并通過計算得到。NPSHa較高意味著系統(tǒng)提供的汽蝕余量較大，泵發(fā)生汽蝕的風險較低。
綜上所述，為了防止泵汽蝕，應嚴格計算并確保NPSHa>NPSHr，以確保泵在各種工況下均能穩(wěn)定高效地運行。
通常，為了提供一定的安全裕度，會在計算出的NPSHa值基礎上增加一個額外的富余能頭，即允許汽蝕余量（Δh）。對于小型泵，這個額外的富余能頭可以是Δhc（必需汽蝕余量）加上0.3米；對于大型水泵，則可以是Δhc的1.1至1.3倍。
PART04
汽蝕余量計算示例
計算公式
?一個標準大氣壓折合水柱10.33m。
?不同溫度下水的飽和蒸汽壓如下表所示
實際案例
（案例原文出處：煤化工安全技術）
舉例說明1：(液上式布置)
某地大氣壓為10.3米水柱，輸送介質為30℃的水（對應的飽和蒸汽壓力為絕對壓力0.042MPa，4.2米水柱），泵的銘牌上標注的必須汽蝕余量為2米，已知吸入管路的阻力壓頭約為2米，求泵的最大安裝高度？
解：泵的允許安裝高度=液面上方的氣壓比該溫度下液體飽和蒸汽壓高出的壓頭-允許汽蝕余量-吸入管路的阻力壓頭=10.3-4.2-（2+0.3）-2=1.8米即:該泵的入口管道中心線最多只允許比吸液面高出1.8米，否則運行中將發(fā)生汽蝕
舉例說明2：（液下式布置）
某電廠所在地大氣壓為100kPa,除氧器內(nèi)正常運行水溫102℃（對應的水的密度為956.9kg/m3），除氧器內(nèi)液面上壓力保持20kPa，給水泵的必須汽蝕余量為1.5米，已知給水泵的入口管道阻力壓頭為1.7米，問該給水泵安裝時，入口管道最少要比除氧器運行液面低幾米？
解：注意：本例中液面上方不是大氣壓，
液面上方的氣壓對應水柱=P/（ρg）=（100+20）×1000/（956.9×9.81）=12.78米
該壓力（120kPa）和溫度（102℃）下水的飽和蒸汽壓查表為108.9kPa
飽和蒸汽壓對應的水柱=P/(ρg)=108.9×1000/（956.9×9.81）=11.6米
泵的允許安裝高度=液面上方的氣壓比該溫度下液體飽和蒸汽壓高出的壓頭 - 允許汽蝕余量 - 吸入管路的阻力壓頭=12.78-11.6-（1.5+0.3）-1.7= - 2.32米
即:該給水泵的入口管道中心線至少要比吸液面低出2.32米，否則運行中將發(fā)生汽蝕。
理解：大氣壓加上除氧器內(nèi)部的壓力一共給液體提供了12.78米水柱的壓頭，泵安裝在液面下2.32米又提供了2.32米的額外壓頭，所以泵入口管道中心線處有12.78+2.32=15.1米的動力壓頭，其中1.7米用于克服從除氧器流動到泵入口的流動阻力，1.5米用于克服從泵入口到葉片壓力最低處的壓力降，還有11.9米水柱的富余壓頭比102℃下水的飽和汽壓11.6米還高出0.3米，所以不會汽蝕。
舉例說明三：計算吸程
1. 查找泵樣本中的允許吸上高度：首先，你需要找到泵樣本或者手冊，查看泵的允許吸上高度（也被稱為必需汽蝕余量）。這個值通常是以米為單位給出的。
2. 計算吸程：這個公式可以幫助你確定泵的安裝高度是否在許用汽蝕范圍內(nèi)。
吸程計算公式:
吸程=標準大氣壓(10.33)-汽蝕余量-安全量(0.5)
理解：大氣壓提供10.3米水柱的動力，其中1.8米水柱用于克服液體從液面到泵入口的靜壓力，2米用于克服入口管道的流動阻力，還有2米用于讓液體從泵入口流動到葉片壓力最低處，當前溫度下液體壓力低于4.2米就會汽化，我們還比他高了0.3米液柱的壓力，所以不會汽蝕。
例題：某泵必需汽蝕余量為4.0米，那么吸程Δh就是：Δh =
10.33 - 4.0 - 0.5 = 5.83米
如果你的實際安裝高度為6.0米，那么你就需要采取措施降低安裝高度，以確保在許用汽蝕范圍內(nèi)。
因此最后，你需要比較你的實際安裝高度是否小于或等于吸程。如果實際安裝高度大于吸程，那么就存在汽蝕的風險。
請注意，以上計算方法適用于理想情況，實際情況可能會受到許多其他因素的影響，比如液體的性質、溫度、壓力等。因此，最好咨詢專業(yè)的工程師或者泵制造商，以確保計算的準確性。
PART04
提高泵汽蝕性能的對策
一、提高泵進液裝置有效氣蝕余量的措施
（1）將水泵上吸裝置改為倒灌裝置；
（2）減小水泵吸上裝置泵的安裝高度；
（3）增加泵前貯液罐中液面的壓力，以提高水泵有效氣蝕余量。
（4）降低泵入口工質介質溫度（當輸送工質接近飽和溫度時）。
（5）減小泵前管路上的流動損失，例如在要求范圍盡量縮短管路，減小管路中的流速，減少彎管和閥門，盡量加大閥門開度等。
二、提高水泵本身抗氣蝕性能的措施
（1）改進泵吸入口至葉輪附近的結構計。增大過流面積，增大葉輪蓋板進口段的曲率半徑，減小液流急劇加速與降壓，適當減少葉片進口的厚度，并將葉片進口修圓，使其接近流線形，也可以減少繞流葉片頭部的加速與降壓，提高葉輪和葉片進口部分表面光潔度以減小阻力損失，將葉片進口邊向葉輪進口延伸，使液流提前接受作功，提高壓力。
（2）采用雙吸葉輪，讓液流從葉輪兩側同時進入葉輪，則進口截面增加一倍，進口流速可減少一倍。
（3）采用前置誘導葉輪，使液流在前置誘導輪中提前作功，以提高液流壓力。
（4）采用抗氣蝕的材料，實踐表明，材料的強度、硬度、韌性越高，化學穩(wěn)定性越好，抗氣蝕的性能越強。
（5）設計工況采用稍大的正沖角，以增大葉片進口角，減小葉片進口處的彎曲，減小葉片阻塞，以增大進口面積，改善大流量下的工作條件，以減少流動損失，但正沖角不宜過大，否則影響效率。
三、下降必需汽蝕余量
（1）適當增大葉輪入口直徑和增大葉片進口寬度，可降低水泵臨界空化裕度。
（2）降低葉輪入口速度和相對速度，減少氣泡產(chǎn)生
（3）采用在多級泵葉輪、感應輪和設置感應輪的方法，產(chǎn)生壓力輪在同軸裝配后共同工作，在此過程中對泵葉輪進料增壓的壓力，以提高泵的抗氣蝕性能。
四、提高過流元件數(shù)據(jù)的抗空化能力
選擇具有較強的抗氣蝕水泵材質部件
（1）鑄造選擇錳、青銅和不銹鋼等材質
（2）表面采用聚合物涂層或激光噴涂
五、提高進口設備防氣蝕能力
（1）泵進水設備和管道系統(tǒng)的設置與氣蝕裕度有著密切的關系，為了滿足水泵動態(tài)壓降的要求，必須規(guī)劃出優(yōu)秀的進水設備，盡可能提高泵廠家引進的氣蝕裕度。
（2）其次，合理確定泵的吸水率，應充分考慮泵生產(chǎn)廠家在運行過程中可能遇到的各種工況，確定的吸水率應滿足在任何工況下的吸水率要求。
（3）此外，還選擇了合理的進氣管道，盡量減少臥式泵進水管的長度和不必要的管件，適當增加進水管直徑，以減少進水口的水力損失，提高水泵入口的空化裕度。
除了上述措施，還可以在泵的運行中選擇變量閥、變速、變角度等調理方式，以避免泵的運行狀況與計劃工況相差太遠，從而進一步提高泵的抗汽蝕性能。通過這些綜合措施，可以顯著提升泵在面對汽蝕問題時的穩(wěn)定性和效率。