xmby4533@163.com 0731-82038999
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安全裕量的大小，不僅涉及到離心泵能否長期安全穩(wěn)定運行，還直接影響到裝置/設備的投資成本。本文是作者關于離心泵汽蝕問題所寫的第二篇專題文章，將收集匯總不同標準/規(guī)范、一些國際同行對不同使用工況的離心泵汽蝕安全裕量的規(guī)定，并結合一些工程實踐，與大家分享特定工況及核電站主要用泵的汽蝕安全裕量應用經(jīng)驗或要求，僅供同行們參考。
1 關于汽蝕的幾個概念
1.1 汽蝕余量
ANSI/API610第11版標準定義如下：
NPSH又稱為凈正吸入壓頭，是從基準標高算起的泵絕對吸入總壓頭減去液體的汽化壓力。
1.2 裝置汽蝕余量NPSHA
裝置汽蝕余量又稱有效汽蝕余量、有效的凈正吸入壓頭，是與泵的操作系統(tǒng)有關的參數(shù)，等于液體到達泵的入口時的壓頭減去汽化壓力頭后液體的剩余壓力頭。
1.3 必需汽蝕余量NPSHR
必須汽蝕余量又稱必須的凈正吸入壓頭，它是與泵本身的結構設計有關的參數(shù)。必需汽蝕余量主要有三種：
? NPSH3：將揚程(第一級葉輪)下降3%作為汽蝕的判別點，ANSI/HI9.6.1、ISO9906、ANSI/API610等標準所推薦，并被全球泵行業(yè)廣泛接受。測量容易，也比較可靠。普遍應用于各種離心泵。
? NPSH0：將揚程即將開始快速下降、但下降為0%作為汽蝕的判別點，定義容易，但測量較困難。常用于軸流泵和混流泵。
? NPSHi(即NPSHincipient汽蝕初生)：將第一只汽泡產(chǎn)生時作為汽蝕的判別點，較NPSH3和NPSH0更嚴格。定義容易，但所需的測量技術復雜、成本非常高。常用于葉輪入口流速較高的高吸入能量泵。
2 NPSH裕量考慮的因素
NPSHA與NPSHR之間的差值稱為NPSH裕量；NPSHA與NPSHR之間的比值稱為NPSH裕量比。
在大多數(shù)泵系統(tǒng)中，NPSHA趨于隨著流量的增加而減小，而NPSHR趨于隨著流量的增加而增加。NPSH裕量考慮的因素較多，具體如下:
2.1 葉輪進口流速
可以通過降低葉輪進口液體流速來降低NPSHR值，它是轉速和葉輪入口直徑的直接函數(shù)。
2.2 葉輪入口直徑
可以通過加大葉輪入口直徑來降低NPSHR值，從而增加葉輪該區(qū)域的靜壓頭。然而，較大的葉輪入口直徑會加劇入口回流的影響，為此必需增加NPSH裕量。
2.3 吸入比轉速
吸入比轉速，是在最大葉輪直徑和給定轉速下、以最佳效率點的流量來計算的，是一個與離心泵吸入性能相關的指數(shù)。吸入比轉速是衡量一臺離心泵對內部回流的敏感程度的評估尺度。
對于大多數(shù)泵設計，通常將低于約145公制單位(7500 美制單位)的吸入比轉速值表示低值，而將高于約250公制單位(13000 美制單位)被認為高值。與較低的吸入比轉速泵設計相比，較高的吸入比轉速泵更有可能遇到不良的噪音和振動，允許的運行區(qū)間也變得較窄。
2.4 泵送介質的影響
? 泵送介質中的磨蝕物在汽蝕工況下會顯著增加磨損率。
? 少量夾帶氣體(1%至2%)可以緩沖汽蝕汽泡坍塌產(chǎn)生的沖擊力，并可以減少由此產(chǎn)生的噪音、振動和侵蝕損壞。
? 液體中的添加劑可能會導致汽蝕破壞加劇。
? 液體的腐蝕性會加速汽蝕造成的損害。
2.5 運行范圍
葉輪通常設計為在特定流量下運行，當超出規(guī)定的流量范圍運行時，汽蝕的可能性會大大增加。對于經(jīng)常在優(yōu)先工作區(qū)(POR)外、但在允許工作區(qū)(AOR)內運行的泵，需要使用較大的NPSH裕量/裕量比。
2.6 材料
葉輪可以使用不同的材料制造。硬質塑料和復合材料通常是最不耐汽蝕的材料。鑄鐵和黃銅在常用金屬中的損壞最為嚴重，而不銹鋼、鈦和鎳鋁青銅在相同的汽蝕條件下的損壞要小得多。
2.7 泵大小
與較小的泵相比，大型泵(葉輪入口直徑超過450mm)更容易出現(xiàn)汽蝕損壞問題。
2.8 運行情況
汽蝕損壞與時間有關。泵在汽蝕條件下運行的時間越長，損壞程度越大。
3 不同標準/規(guī)范對NPSH裕量的規(guī)定
3.1 UOP5-11-7規(guī)范
必須有一個0.6米或NPSHA的15%的安全裕量，兩者之間取大值。而且該安全裕量包含在系統(tǒng)計算中，因此，只要泵的NPSHR≤NPSHA即可。
3.2 ANSI/API610標準第11版
除了規(guī)定的NPSH3以外......通常希望有一個工作安全裕量，這個工作安全裕量足以在所有流量下(從最小連續(xù)穩(wěn)定流量到最大預期運行流量)保護泵免遭回流、汽蝕引起的損壞。賣方應當根據(jù)具體的泵型和規(guī)定的使用條件推薦一個安全裕量。
3.3 GB/T16907-2014標準
NPSHA應有比NPSHR大10%的裕量，且該裕量不得小于0.5米。
3.4 ANSI/HI9.6.1-2012標準
標準針對不同應用的離心泵給出了推薦的最小裕量比或最小裕量值。
石油(烴類)流程泵
用于石油(烴類)服務的泵流程通常很穩(wěn)定、且其蒸汽泡破裂(內爆速度較低)時釋放的能量較少，因此能夠以相對較低的NPSH裕量/裕量比成功運行。在AOR內運行時，建議在每個特定流量下，最小裕量比為1.1或最小裕量1.0 米，兩者取大值。
化工流程泵
化工流程泵通常具有以下特點：經(jīng)常以各種不同的流量運行、采用具有抗汽蝕材料的葉輪及NPSHA相對較低。
考慮到這些情況，建議化工流程泵使用以下最低NPSH裕量：
a) 對于吸入比轉速<210公制單位(11000美制單位)的泵，在AOR內運行時，每個特定流量下的最小裕量比為1.1或最小裕量0.6米，兩者取大值。
b) 對于吸入比轉速≥210公制單位(11000美制單位)的泵，在POR內運行時，每個特定流量下的最小裕量比為1.1或最小裕量0.6米，兩者取大值；對于經(jīng)常在POR外(但在AOR內)運行的泵，每個特定流量下的NPSH裕量比應為1.2或1.0米的裕量，以較大者為準。
? 電廠(非核)用泵
電廠用泵為水泵。與石油泵處理的碳氫化合物液體不同，冷水在蒸發(fā)(閃蒸)時會急劇膨脹。當具有更高破壞能量的蒸汽泡破裂時，將導致更高的沖擊速度、對泵零部件造成嚴重損壞；而熱水的特性類似于碳氫化合物液體。
典型的電廠運行周期不是恒定的，泵的流量隨功率需求而變化很大。系統(tǒng)發(fā)生瞬變，可能導致泵吸入條件的快速變化，如壓力和溫度，對于鍋爐給水系統(tǒng)中的泵尤其如此。電廠中的其它泵通常不會受到鍋爐水系統(tǒng)中的嚴重瞬變的影響。
推薦的NPSH裕量比或裕量值參見表1。
表1 - 電廠(非核)用泵NPSH裕量比/裕量
泵類型功率(kW/級)POR 裕量比AOR
裕量比裕量
鍋爐給水< 2251.11.3
鍋爐給水≥225但 < 5001.21.5
凝結水所有1.01.0
冷卻塔水所有1.11.3
循環(huán)水/冷卻水所有1.05
1.0m
凝結水應用通常需要能夠在非常低的絕對壓力下運行的泵，立式筒袋結構通過第一級葉輪上方的水位提供NPSHA。對于這樣的應用，在最大流量下通常具有最小的NPSH裕量，并且泵必須設計成能夠承受一些汽蝕的情況下運行。第一級葉輪應采用抗汽蝕材料。
循環(huán)/冷卻水泵通常具有低于26 m/s的葉輪入口圓周速度。
冷卻塔應用中的泵需要特別注意NPSH裕量。通過冷卻塔泵循環(huán)的水高度含氣，并且具有高濃度的溶解氧。為了達到合適的葉輪壽命，可能需要較大的裕量。由于泵送介質的侵蝕性，應該考慮選擇抗汽蝕的葉輪材料。
? 水/污水泵
經(jīng)驗表明，當在POR內運行時，NPSH裕量為1.0米足以抵御大多數(shù)市政型水泵和污水泵應用中的汽蝕損壞。對于配有抗汽蝕材料制成的葉輪的泵，允許較低的NPSH裕量，請參見表2。
表2 - 水/污水泵NPSH裕量比/裕量泵類型功率
(kW/級)POR NPSH裕量比
(最小1.0米)AOR NPSH裕量比
(最小1.5米)
污水(鑄鐵葉輪)< 451.11.2
污水(不銹鋼葉輪)< 451.051.1
污水(鑄鐵葉輪)≥451.21.3
污水(不銹鋼葉輪)≥451.11.2
水(不銹鋼或鋁青銅葉輪)< 751.051.1
水(不銹鋼或鋁青銅葉輪)≥751.11.2
通用工業(yè)用泵
由于大多數(shù)通用工業(yè)泵都是在充滿抽吸的應用中使用的，因此，在沒有任何NPSH裕量的情況下，泵在POR內的運行通常不會對泵的內部零部件造成實質性損壞。建議最小NPSH裕量比為1.05或0.6米的裕量，以較大者為準。
在較寬的AOR范圍內運行時，建議最小NPSH裕量比為1.1或1.0米的裕量，以較大者為準。
4 國際同行對NPSH裕量的規(guī)定
4.1 SULZER公司
對于沒有規(guī)定汽蝕準則的泵，將揚程下降3%作為汽蝕的判別點。對于連續(xù)運行的大多數(shù)應用工況，要求有足夠的安全裕量。這個要求的安全裕量：
圖1- SA的近似取值
? 隨著葉輪入口處圓周速度的增加而增加。
?如果采用抗汽蝕材料，則安全裕量可以適當減小。
?隨著介質的腐蝕性增加而增加。
?取決于泵的運行條件、型式以及泵送介質的溫度，例如介質為海水時，要求稍微高一點的安全裕量；介質為烴類時，要求稍微低一點的安全裕量。
對于單級揚程高的吸入葉輪，裝置汽蝕余量應為必需汽蝕余量的SA倍，SA的近似取值范圍參見圖1。其中，當葉輪采用抗汽蝕性能低的鑄鋼材料時，SA取上線；當葉輪采用抗汽蝕性能高的鉻鋼材料時，SA取下線。
4.2 EBARA公司
如果用戶沒有規(guī)定，對于VS6型泵，介質為水系時，EBARA公司NPSH裕量取0.6米；介質為油系時，NPSH裕量取0.3米。不過，在工程實踐中對于石化工況，用戶通常要求NPSH裕量達到1米。
對于其它泵型，用戶沒有規(guī)定時，NPSH裕量通常不低于0.6米。
4.3 ITT公司
對于標準的低吸入能量泵，防止汽蝕發(fā)生的有效方法是保證系統(tǒng)的裝置汽蝕余量大于泵的必需汽蝕余量；而對于在允許操作范圍內運行的高/很高吸入能量的泵，按美國水力學會ANSI/HI9.6.1標準的建議，有效汽蝕余量是必需汽蝕余量的1.2~2.5倍。
4.4 KSB公司
對于標準的低吸入能量泵，執(zhí)行通用工業(yè)標準中的規(guī)定，NPSH裕量通常不低于0.6米。
對于高/很高吸入能量泵，特別是要求超長壽命的核電站重要用泵，其裝置汽蝕余量比ANSI/HI 9.6.1標準規(guī)定的必需汽蝕余量的1.2到2.5倍要求更高。
5 吸入能量的定義及對離心泵可靠性的影響
5.1 吸入能量的定義
離心泵的吸入能量 = 葉輪入口直徑(m)×泵轉速(rpm)×吸入比轉速(m3/s, m, rpm)×泵送液體的比重【將采用公制單位推導出的吸入能量乘以系數(shù)2033.07就等于美制單位推導出的吸入能量】。
確定吸入能量是一個非常復雜的過程，目前尚未開發(fā)出單一的方程式或關系式準確地將所有這些因素聯(lián)系在一起。推薦的裕量比通常是泵的NPSHR值的1至5倍，較高的值適用于高/很高的吸入能量泵。
葉輪入口直徑實際上是識別泵吸入能量級的一個最好的因素而不是泵入口管徑。但對于泵用戶來說更容易獲得泵入口管徑，而且該尺寸通常與葉輪入口直徑密切相關。
對于大多數(shù)離心泵設計，吸入比轉速值低于約135公制單位(7000美制單位)通常表示吸入能量低，而高于約385公制單位(20000美制單位)則被視為吸入能量高。
對于端吸泵，將吸入能量≥78700公制單位(160×106美制單位)定義為高吸入能量泵；對于臥式水平中開雙吸泵，將吸入能量≥59000公制單位(120×106美制單位)定義為高吸入能量泵。很高吸入能量是高吸入能量值的1.5倍。為了便于估算，對于端吸型泵，可以假設葉輪入口直徑大約是泵入口(法蘭)通徑的90%；而對于雙吸中開泵，葉輪入口直徑取泵入口(法蘭)通徑的75%。
5.2 吸入能量對離心泵可靠性的影響
這種“吸入能量”概念的第一次大規(guī)模驗證之一是將其應用于兩個工業(yè)工廠的現(xiàn)場維修記錄中，兩個工廠共有100臺端吸泵和中開泵。驗證的結果是，隨著“吸入能量”值的增加，泵的可靠性降低。
基于對數(shù)百臺另外的離心泵的進一步經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，低吸入能量泵不會因汽蝕或內部回流而產(chǎn)生噪音、振動或損壞，只有少數(shù)例外情況。當處理磨蝕性或對泵結構材料有腐蝕性的液體時，即使這種低吸入能量汽蝕也會被放大而造成損壞。此外，在汽蝕氣泡形成過程中，在非常低的NPSH裕量條件下，空氣或蒸汽可能從液體中釋放出來，對機械密封產(chǎn)生不利的影響。
具有高吸入能量和低NPSH裕量的泵，尤其是在入口回流范圍內(低于泵AOR)運行時，可能會受到具有低抗汽蝕性的葉輪材料(例如鑄鐵)的噪音、振動和/或輕微汽蝕腐蝕損壞。
除了葉輪材料以外，有幾個變量可以減輕高吸入能量條件下的汽蝕損壞。另外兩個主要的緩解因素是：第一，夾帶氣體(空氣)含量接近1%，例如紙漿和一些污水應用；第二，不會產(chǎn)生大的汽蝕氣泡的液體(低熱力學液體)，例如碳氫化合物和熱水。
具有很高的吸入能量和較低的NPSH裕量的泵，特別是在入口回流范圍內(低于泵AOR)運行時，即使使用不銹鋼等抗汽蝕材料，也可能會受到高振動和腐蝕損壞。
6 特定工況及核電站主要用泵NPSH裕量比/裕量的應用經(jīng)驗或要求
大量工程實踐證明，高/很高吸入能量泵需要比當前工業(yè)標準推薦的更高的NPSH裕量比/裕量，特別是具有高/很高吸入能量的冷卻塔水泵、核電站常規(guī)島主給水泵等，上述文章中推薦的NPSH裕量比/裕量遠遠不能滿足葉輪設計使用壽命要求。
6.1 工業(yè)冷卻塔水泵
針對工業(yè)冷卻塔水泵，ANSI/HI 9.6.1標準中給出了推薦的最小NPSH裕量比。標準同時指出“高吸入比轉速泵，在高入口流速下運行，可能會在振動較大的情況下發(fā)出噪音，如果沒有足夠的NPSH裕量，可能會出現(xiàn)低于最佳泵壽命的情況。”對于這種情況，不建議使用推薦的NPSH裕量值。
文獻[8]~[10]對大型工業(yè)冷卻塔上的六臺大型全鑄鐵雙吸中開泵進行了詳細的分析研究，并發(fā)現(xiàn)：高/很高吸入能量泵需要比當前工業(yè)標準推薦的更高的NPSH裕量比。當確定泵具有較高的吸入能量時，如果泵吸入能量不能降低，則需要比標準中列出的更高的NPSH裕量。至少，應為其提供優(yōu)質的葉輪材料或防汽蝕涂層，盡管這會導致更高的初始成本。
在沒有上述緩解因素中的情況下，高吸入能量泵通常需要在AOR內具有1.5到2.0的最小NPSH裕量比；而對于很高吸入能量泵，在AOR范圍內推薦的最小NPSH裕量比為2.0至2.5。
6.2 百萬機組核電站常規(guī)島主給水及其它重要用泵
核電站主要用泵的特點是需要在頻繁啟動、測試模式、連續(xù)和瞬態(tài)條件下可靠地運行，文獻[6]推薦的最小裕量比為2.0至2.5，而文獻[2]卻沒有對該類用泵(如反應堆冷卻劑泵、上充泵、安噴安注泵、凝結水泵及很高吸入能量的常規(guī)島主給水泵等)NPSH裕量比/裕量給出具體規(guī)定。
主給水泵
該泵為單級雙吸、徑向剖分、蝸殼式泵，中心線支撐，通過齒輪箱(或液力偶合器)增速(或調速)來滿足所需要的性能。其主要參數(shù)如下：
葉輪入口直徑為0.375m(14.76英寸)，泵轉速為5112 rpm，吸入比轉速為188公制單位(9711美制單位)，介質的比重為0.8559。
則：吸入能量 = 0.375 × 5112 × 188 × 0.8859 ≈ 319275公制單位(649× 106美制單位)
由于主給水泵泵型結構與臥式中開雙吸泵結構近似(只是殼體剖分方式不同)，可參照上文中臥式水平中開雙吸泵“高吸入能量泵”的定義，很顯然，這是一個很高吸入能量的泵。
為了確保主給水泵在所有規(guī)定的運行工況內均不發(fā)生汽蝕，同時為了滿足核電站對該泵60年的總體設計使用壽命要求，KSB公司在經(jīng)過40多年的設計和運行經(jīng)驗后，總結出以NPSHi作為主給水泵的必需汽蝕余量，并據(jù)此選擇前置泵的揚程，見圖2。從圖中可以看出，NPSH裕量比達到4以上。
圖2- 三種必需汽蝕余量對比及裝置汽蝕余量選取圖
其實，國際上對于NPSHi的研究較早，但真正應用于核電站工程實踐的僅德國KSB一家。國內極個別同行認為圖2中的NPSHi曲線與傳統(tǒng)的汽蝕理論不符，是完全錯誤的，這只能說是缺少見識；還有人說NPSHi只是用于研究目的，實際工程應用沒有意義。然而，德國KSB公司將NPSHi作為主給水泵的必須汽蝕余量(并據(jù)此選擇前置泵揚程)、在經(jīng)過大量工程實踐驗證后發(fā)現(xiàn)，葉輪(比通用泵采用常規(guī)的NPSH裕量比/裕量)具有更長的使用壽命 - 正常情況下可達到100000小時以上。
在此，需要重點說明的是：根據(jù)API610第11版的定義，主給水泵同時也屬于高能泵(單級揚程大于200米，且單級功率大于225 kW的泵)。而API610第12版標準明確規(guī)定“對于高能泵……根據(jù)汽蝕初生(NPSHi)而不僅僅是一般的NPSH3來確定適當?shù)腘PSH裕量”。由此我們不得不承認：對于一些特殊用途的關鍵用泵，KSB公司在設計理念上的先進性。
反應堆冷卻劑泵
規(guī)格書中推薦的(在AOR范圍內)最小NPSH裕量比為2。
低壓安注泵/安全殼噴淋泵(立式)
規(guī)格書通常要求在泵的運行流量保證點(一般為最大流量點)的NPSH裕量不小于0.2米。
上充泵(立式多級)/中壓安注泵(臥式)
規(guī)格書要求NPSHR至少比NPSHA低10%，且NPSH裕量不小于0.5米。
凝結水泵
對于核電站常規(guī)島VS6型凝結水泵，規(guī)格書中通常僅要求“在所有規(guī)定的運行范圍內，不允許出現(xiàn)汽蝕”而未給出具體的NPSH裕量比/裕量。不過該泵要求執(zhí)行GB/T16907-2014標準，標準規(guī)定“NPSHA應有比NPSHR大10%的裕量，且該裕量不得小于0.5米”。但在實際工程應用中，凝結水泵的NPSH裕量比/裕量不僅遠超表2非核凝結水泵中規(guī)定的1.0和GB/T16907-2014標準(NPSH裕量通常在1.0米以上)，而且首級葉輪會采用抗汽蝕材料。
7 總結
只有全面、正確地理解離心泵的汽蝕性能，才能科學合理地設計或選擇出滿足用戶裝置要求的產(chǎn)品。
連續(xù)運行時，汽蝕對泵的傷害最大。
在確定NPSH裕量時，應考慮實際工程應用經(jīng)驗及材料、管道損失、防止渦流所需的最小淹沒深度、運行范圍等因素。
NPSH裕量的確定，基于最低葉輪壽命的要求。
揚程下降3%作為汽蝕判別的開始可以滿足通用壽命要求。即使泵的NPSHA大于NPSH3，也存在一定程度的汽蝕現(xiàn)象。其實，當?shù)谝恢粴馀莓a(chǎn)生時，汽蝕就已經(jīng)發(fā)生，只是在不同吸入能量級的泵中所導致的損壞不同而已。
低吸入能量泵通?？梢栽贜PSHR處或附近運行，除了揚程下降3%以外，幾乎沒有汽蝕問題。如果沒有研磨劑或腐蝕劑，那么NPSH裕量比只需確保很少或沒有因汽蝕而損失壓頭。在此條件下，最小NPSH裕量比為1.0~1.3就足夠了。
對于高或很高吸入能量泵，如果存在緩解因素，則在AOR內具有1.1至1.5的最小NPSH裕量比就足夠了。然而，對于冷水或溫水應用，在AOR內的最小NPSH裕量比應在1.5至2.0的范圍內。如果應用具有“很高”的吸入能量，則在AOR內最小NPSH裕量比至少為2.0至2.5。
從葉輪入口液體中排出的少量的夾帶氣體或溶解氣體，可以在較低的NPSH裕量下消除高吸入能量泵的振動和噪音。
規(guī)定過高的NPSH裕量可能導致選擇出非最佳的泵型，增加泵送設備、泵站和運行成本。
對于一些特定工況的應用，建議向泵制造商咨詢有關適當?shù)腘PSH裕量。
