浅析化工装置中离心泵汽蚀的有效解决方法

第４９卷第６期　２０１１年１２月　化肥设计　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｄｅｃ．２０１１　・３９・　

浅析化工装置中离心泵汽蚀的有效解决方法　

陈鹏　（开封龙宇化工有限公司，河南开封４７５２００）　

摘　要：简述了离心泵的工作原理和离心泵汽蚀的概念；分析了离心泵汽蚀产生的原因；提出了避免离心泵汽蚀的　

方法和措施。　关键词：离心泵；汽蚀；解决方法　中图分类号：ＴＨ３１１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—８９０１（２０１１）０６—００３９—０３　

Ｂｒｉｅｆｌｙ　Ａｎａｌｙｚｉｎｇ　Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　Ｓｏｌｕｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　Ｐｕｍｐ　Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　

ＣＨＥＮ　Ｐｅｎｇ　（Ｋａｉｆｅｎｇ　Ｌｏｎｇｙｕ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｍｐａｎｙ　Ｌｔｄ．，Ｋａｉｆｅｎｇ　Ｈｅｎａｎ　４７５２００　Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｕｔｈｏｒ　ｈａｓ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　ｐｕｍｐ　ａｎｄ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｏｆ　ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　ｐｕｍｐ；ｈａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｃａｕｓｅｄ　ｒｅａｓｏｎ　ｏｆ　ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　ｐｕｍｐ；ｈａｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｔｏ　ａｖｏｉｄ　ｔｈｅ　ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　ｐｕｍｐ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　ｐｕｍｐ；ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ；ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　

离心泵在化工生产中的应用非常广泛，但其在　

运行中发生汽蚀的现象相当普遍，不仅影响化工装　

置的稳定运行，而且还会造成设备检修频繁、备品　

配件消耗增大和成本增加。离心泵汽蚀的原因很　

多，如选型、安装、操作、使用等多方面的原因均可　

导致离心泵汽蚀。业界对汽蚀的机理及防止汽蚀　

破坏进行了大量研究，但至今对这一问题的认识仍　

有待深化，因此有必要对离心泵汽蚀的影响因素及　

有效的解决方法进行全面分析，进而有效地解决这　

一影响生产的实际问题。　

１　离心泵的工作原理　

离心泵的种类很多，但工作原理相同，构造大　

同小异。其主要工作部件是旋转叶轮和固定的泵　壳。叶轮是离心泵直接对液体做功的部件，其上有　

若干后弯叶片，一般为４～８片。离心泵工作时，叶轮　由电机驱动作高速旋转运动（１　０００～３０００　ｒ／ｍｉｎ），迫　

使叶片间的液体也随之作旋转运动。同时因离心　

力的作用，使液体由叶轮中心向外缘作径向运动。　

液体在流经叶轮的运动过程中获得能量，并以高速　

离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗壳内，由于流道　

的逐渐扩大而减速，又将部分动能转化为静压能，　

达到较高的压强，最后沿切向流入压出管道。在液　

体受迫由叶轮中心流向外缘的同时，在叶轮中心处　形成真空。泵的吸人管路一端与叶轮中心处相通，　另一端则浸没在输送的液体内，在液面压力（常为　

大气压）与泵内压力（负压）的压差作用下，液体经　

吸入管路进入泵内，只要叶轮的转动不停，离心泵　

便不断地吸人和排出液体。由此可见，７葛心泵主要　

是依靠高速旋转的叶轮所产生的离心力来输送液　

体，故名离心泵。　

２　离心泵汽蚀的概念与发生部位　

２．１基本概念　离心泵的叶轮在高速旋转时产生很大的离心　力，液体在离心力的作用下，流体动力使泵的叶轮　

叶片人口附近液体压力小于或等于液体输送温度　

下的饱和蒸汽压力时所产生的低于大气压的真空　

度，当这种运动液体的压力降低到在该温度下的液　

体汽化压力时，叶轮叶片入口附近液体压力小于或　等于液体输送温度下的饱和蒸汽压力时，液体就开　

始汽化形成汽泡，同时，当压力降低时，溶解在液体　

内的气体常在汽化之前释放出，从而形成大量汽　泡。这样，在运动中的液体内形成的汽泡随液体一　

起流动到叶道内压力较高处时，当汽泡达到静压超过　

作者简介：陈鹏（１９７７年一），男，河南济源人，１９９９年毕业于郑州工　业大学精细化工专业，工程师，开封龙宇化工有限公司单体厂副厂　长，从事化工装置的生产技术管理工作。

　・４０・　化肥设计　２０１１年第４９卷　

饱和蒸汽压的区域，汽泡中的汽体又突然瞬时凝结而　使汽泡溃灭。在气泡凝结溃灭的瞬间，汽泡周围的液　

体高速冲入气泡凝失形成的空穴，从而形成强大的局　部高频高压的水锤作用，打击叶轮表面，并产生噪音　

和振动。这种汽泡的产生和破灭过程反复进行，就对　

这一区域的叶轮表面产生破坏作用，金属表面因疲劳　而产生剥蚀。同时，由于活泼气体（如氧气）的存在　以及气泡凝结时产生的局部高温，导致金属表面发生　

电化学腐蚀。上述过程称为泵的汽蚀。　

２．２汽蚀易发部位　离心泵最易发生汽蚀的部位如下。　

（１）叶轮曲率最大的前盖板处，靠近叶片进口　边缘的低压侧。　

（２）压出室中蜗壳隔舍和导叶的靠近进口边缘　低压侧。　

（３）无前盖板的高比转数叶轮的叶梢外圆与壳　

体之间密封间隙以及叶梢的低压侧。　（４）多级泵中第１级叶轮。　

３　离心泵汽蚀产生原因及危害　

３．１汽蚀产生原因　

离心泵产生汽蚀的原因与其进口结构参数、操　

作条件、安装位置、介质性质以及操作温度相关。　（１）泵进口的结构参数。包括叶轮吸入口的　

形状、叶片入口边宽度及叶片进口边的位置和前　盖板形状等。　（２）泵的操作条件包括流量、扬程及转速等。　（３）泵的安装位置包括泵的吸入管路水力损　

失及安装高度。　

（４）环境因素。包括泵安装地点的大气压力。　（５）介质本身的性质及介质操作温度也是离　心泵产生汽蚀的影响因素之一。　

３．２汽蚀造成的危害　离心泵汽蚀的危害主要有以下几个方面。　

（１）汽泡破裂和高速冲击产生噪声和振动。由　

于泵汽蚀时，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，可以听到像爆豆　

似的劈劈啪啪的声音。实测表明，汽蚀引起的振动频　率范围为６００～２５　０００　Ｈｚ，压力可达４９　ＭＰａ。　

（２）过流部件被汽蚀破坏。如果上述气泡在金　

属表面上破裂，金属表面将受到连续强烈的水击，　

并出现麻点，进而使金属晶粒松动并剥落而呈蜂窝　状，甚至穿孔。汽蚀破坏除机械作用外，还伴随有　

电解、化学腐蚀等多种复杂的作用。实际破坏情况　表明，泵过流部件被汽蚀破坏的部位，正是气泡消　失的地方，如叶轮出口和压水室进口部位，而高速　轴流泵和斜流泵的汽蚀部位通常在叶片背面和　

外周。　（３）泵性能下降。泵发生汽蚀的初始阶段，对　泵的外特性并无明显影响，称此为潜在汽蚀。待汽　

蚀发展到一定程度，由于叶轮和液体的能量交换受　到干扰和破坏，泵的流量、扬程、效率、轴功率曲线　下降，严重时会使液流中断，泵不能工作。　

（４）材料破坏。一方面，气穴破灭区的金属受　高频高压液击而发生疲劳破坏；另一方面，氧气借　

助汽泡凝结时的放热，对金属有化学腐蚀作用。在　上述双重作用下，叶轮外缘的叶片及盖板、蜗壳或　

导轮等处会产生麻点和蜂窝状的破坏，离心泵在汽　蚀状态下长期运转，将导致叶片的过早损坏。　

（５）影响泵的寿命，增加设备更新维修费用。　

４　离心泵汽蚀解决方法　

４．１改进泵入口的结构参数　对泵人口的结构参数进行修正适于在离心泵　的设计制造阶段，该方法在生产现场很少采用，但　

也有使用此方法的，这要视具体情况而定。例如，　

我厂有１台离心泵Ｐ３１０１，其叶轮直径为２００　ｍｍ，　其在正常使用时允许的最大流量为３８．５　ｍ　／ｈ，扬　

程不小于４０　ｍ即可满足工艺条件，而泵在实际运　行中发现其正常流量为４５　Ｉ／１　／ｈ，扬程为６５　ｍ。一　

般来说，离心泵的叶轮直径如果因为出口压力高　而需要减少时，其扬程和流量也会发生相应的变　

化，具体切削尺寸可根据离心泵的切割定律来进　

行计算。离心泵的切割定律可用下列公示表示：　Ｑ１／ｑ２＝Ｄ１／Ｄ２，Ｈ　／１－１２＝Ｄ１／Ｄ　。式中Ｑ１、Ｈｌ、Ｄ，分　别表示泵原来的流量、扬程和叶轮直径，Ｑ：、Ｈ　、Ｄ　分别表示泵叶轮直径切割后的流量、扬程和叶轮直　径。经过计算，发现只需要将叶轮直径切削至１７０　ｍｍ，而不需改动其他工艺条件，泵的流量和扬程即　

可完全满足正常工艺需要。Ｑ　＝Ｑ　Ｄ：／Ｄ　＝（４５×　

１７ｏ）／２ｏｏ＝３８．３（ｍ　／ｈ），Ｈ２＝Ｈ１　Ｄ２／Ｄ１＝６５×　（１７０／２００）＝４７（ｍ）。离心泵改造后已运行１年　

多，目前运行效果良好。　

４．２泵吸入口加装诱导轮　在泵的吸入口加装诱导轮，可显著提高泵的抗　

汽蚀性能，阻止汽蚀现象发生，提高设备运行周期，　

从而稳定装置生产，降低设备检维修费用，提高企　业经济效益。由于诱导轮结构简单、易于制造安　

装、维修方便、造价低，在不影响生产的前提下即可　安装调试，故特别适于在生产现场推广应用。

　第６期　陈鹏浅析化工装置中离心泵汽蚀的有效解决方法　・４１・　

由于目前对于诱导轮的认识尚处于摸索阶段，　对一些理论问题存在争论。因此，诱导轮的设计在　很大程度上还是根据经验，并结合机泵的实际结构　

而进行的。一般说来，在泵的吸入口加装诱导轮的　方法比较适用于高转速、高扬程、易汽化的流体。　

我厂尿素装置中所使用的由美国ＳＵＮＤＳＴＲＡＮＤ公　司生产的ＨＭＰ５１１２型卧式高速离心液氨泵，转速　为２２　０１１　ｒ／ｍｉｎ，出口压力为２２．３　ＭＰａ，其叶轮经　常出现损坏现象，解体检修后发现泵叶轮上有许　

多点蚀，说明叶轮损坏的原因是经常出现汽化所　致。为此，经与厂家交流，将该泵叶轮由全开式叶　轮改为诱导轮全开式叶轮，即在叶轮前部焊接带　

有螺旋状的”Ｂ，’头诱导轮，改进后该泵的运行状　况良好。　

４．３　吸入管路及安装高度的调整　对离心泵的吸人管路和安装高度进行调整，虽　

能彻底消除汽蚀问题，但在生产现场应谨慎采用。　这是因为调整泵的吸人管路及安装高度，不仅工程　

量大、施工费用高，而且受施工环境的制约，只能在　

装置停车或大检修时才能进行；同时，由于工艺条　件的限制，调整泵的吸入管路及安装高度又将影响　后续工艺，具有连锁反应。因此，在工程项目设计　

时，应充分考虑离心泵吸入管路和安装高度的各项　

设计条件，确定合适的方案。　４．４优化工艺操作条件　

在工艺条件允许的情况下，改变泵的流量、扬　

程、转速及介质的操作温度、液位等操作参数，可以　避免汽蚀的发生。由于工艺条件的限制，优化工艺　

操作条件具有很大的局限性，大部分情况下效果并　

不显著。所以，可将该方法作为解决汽蚀问题的辅　

助方法。我厂Ｐ３１０７泵机封曾经常损坏，分析其原　

因是泵前料浆槽液位设置过低所致。料浆槽液位　经常控制在３０％左右，当液位过低时，泵吸入口会　

有气体带入，导致泵体出现汽化。为此将泵前料浆　

槽液位由３０％提至６０％，经过１年多的检验，该泵　目前运行平稳。　

参考文献：　［１］崔继哲．化工机器与设备检修技术［Ｍ］．北京：化学工业出版　社，２０００．　［２］舒安庆，张生，赵彦修．加装诱导轮改善离心泵抗汽蚀性能［Ｊ］．　化工设备与管道，２００３（３）．　收稿日期：２０１１－０８—１５　

（上接第３５页）　参考文献：　［１］唐宏青．壳牌煤气化工艺的评述和改进意见［Ｊ］．煤化工，２００５，　３３（６）：９—１４．　［２］项爱娟．煤成分对壳牌煤气化工艺的影响［Ｊ］．化肥工业，２００６，　３３（６）：６—８．　［３］吴枫，阎承信．关于壳牌气化法原料用煤的探讨［Ｊ］．大氮肥，　２００２，２５（５）：３１３—３１７．　［４］陈家仁．加压气流床煤气化工艺的发展现状及存在问题［Ｊ］．煤　化工，２００６，３４（６）：３．　［５］汪寿建．壳牌煤气化关键设备设计探讨［Ｊ］．大氮肥，２００３，２６　（５）：３０４—３０６．　［６］郑振安．煤种特性对壳牌煤气化装置设计和操作的影响［Ｊ］．化　肥设计，２００３，４１（６）：１５一ｌ９．　［７］宫经德．壳牌煤气化技术及其工程应用［Ｊ］．化肥设计，２００７，４５　（６）：８—１２．　［８］张宗飞，汤连英，章卫星等．壳牌煤气化装置的运行现状与展望　［Ｊ］．化肥设计，２０１０，４８（３）：８—１Ｏ．　［９］牛玉奇，段志广，沈小炎．壳牌气化炉合成气冷却器积灰原因及　应对策略［Ｊ］．化肥设计，２００９，４７（４）：２２—２５．　［１０］李亚东．壳牌粉煤气化装置合成气冷却器积灰结垢的控制　［Ｊ］．化肥设计，２０１０，４８（２）：２７—２９．　［１　１］李亚东，王可运．壳牌煤气化装置高温高压飞灰过滤器的使用　与维护［Ｊ］．化肥设计，２０１０，４８（４）：３７—３９．　［１２］任晓旺．壳牌煤气化装置的生产运行与技改措施［Ｊ］．化肥设　计，２０１１，４９（１）：２７—２９．　［１３］汪家铭．壳牌煤气化技术在国内的应用与技术创新［Ｊ］．化肥　设计，２０１１，４９（４）：１—６　收稿日期：２０１１－０９—１５