浅析影响往复泵必须汽蚀余量的因素

姜新喜?张燕

摘 要：往复泵是一种应用非常广泛的流体机械，汽蚀严重影响了往复泵的工作性能。本文阐述了往复泵汽蚀的产生机理及其危害;详细描述了有效汽蚀余量和必须汽蚀余量;利用有效汽蚀余量和必须汽蚀余量，对汽蚀现象进行了详细的理论分析，并提出了提高往复泵抗汽蚀能力的措施。

关键词：往复泵;汽蚀性能;防治策略

往复泵在运转中，若其过流部分的局部区域因为某种原因，抽送液体的绝对压力降低到当时温度下的液体汽化压力时，液体便在该处开始汽化，产生大量蒸汽，形成气泡，当含有大量气泡的液体向前经活塞（柱塞）内的高压区时，气泡周围的高压液体致使气泡急剧地缩小以至破裂。在气泡凝结破裂的同时，液体质点以很高的速度填充空穴，在此瞬间产生很强烈的水击作用，并以很高的冲击频率打击金属表面，冲击应力可达几百至几千个大气压，冲击频率可达每秒几万次，严重时会将壁厚击穿。在往复泵中产生气泡和气泡破裂使过流部件遭受到破坏的过程就是往复泵中的汽蚀过程。往复泵产生汽蚀后除了对过流部件会产生破坏作用以外，还会产生噪声和振动，并导致泵的性能下降，严重时会使泵中液体中断，不能正常工作。

1.泵阀的结构及理论分析

往复泵中所采用的泵阀的结构多种多样，其中比较常用的一种是弹簧自动阀类中的锥形阀。传统的钻井泵锥形阀，通常都是由阀座、阀盘、弹簧、升程限制器等零部件组成。阀盘由阀体、螺母、橡胶密封圈及导架组成。其中，橡胶密封圈主要起密封作用，导架起导向作用。泵阀的工作由开启和封闭两过程组成。开启：阀盘受到液缸内的液体压力作用克服弹簧力向上运动，液体从阀盘与阀座间的间隙流出;封闭：开启结束后，活塞返程使液缸内压力迅速减小，阀盘将在弹簧弹力及阀盘上残余的液力作用下迅速回复形成密封。泵阀在每冲次内作一次往复运动，完成液体的吸入或排出。往复泵工作时，活塞（柱塞）由原动机驱动作往复运动。同时，即通过泵的做功，液体从低压变为高压实现物料的输送。在往复泵活塞（柱塞）入口处，由于液体向活塞（柱塞）外缘流动形成低压区，而入口来流还未获得活塞（柱塞）的足够能量，即使无外界热量导入，也易于出现压力低于液体气化压的情况，此时泵会产生空化汽蚀现象。

2.往复泵汽蚀产生的原因

对往复泵的每一个吸入行程来说，其吸入管路里的液柱也总是伴随着由静止开始而后逐步被加速的。而这一过程乃是周而复始，反复进行下去的。为了使泵能够稳定地运行，就要求吸入管路系统始终能够提供一个足够的有效压头，以便在泵的每一吸入行程中把液柱本身加速。倘若这一要求的最低限度不能得到满足，就将意味着液柱本身的连贯性会遭到破坏，从而液柱本身可能被分开。其结果将首先是在液柱与柱塞之间出现一个空隙，于空隙处，液体所具有的压头显然低于抽送温度下液体的饱和蒸汽压。此时，原来溶解于液休中的气体因此而部分释出（液体本身也可能同时汽化），并充于空隙，形成汽泡或汽塞。这就是导致往复泵产生汽蚀现象的主要原因。当汽泡或汽塞在缸里形成以后，缸内的压力平衡即遭到破坏，随即发生液体敲缸现象。通过对往复泵汽蚀过程的观察，这种敲缸现象通常是反复地约在三分之二的吸入行程时出现。泵因此开始部分抽吸，容积效率随之明显下降，并发出震动和噪声。在排液的行程里，由于气相的可压缩性，以及压缩过程可能伴随的相变化，当汽泡或汽塞因受压而最终破裂时可能产生一种巨大的瞬时冲击力（约为泵工作压力的2、3倍）。这种瞬时的冲击力将导致填料、单向阀的迅速损坏，并逐渐侵蚀缸体，严重时甚至会导致缸体的断裂。显而易见，只要往复泵的吸入系统能够保证在泵的每一吸入行程里，始终朝柱塞工作面的方向给液柱以一个足够的压头，以满足液柱本身加速的要求。换句话说，也就是保证缸内液休所具有的压头能够始终有效地超过抽送温度下液体的饱和蒸汽压，就有可能避免汽蚀现象的产生。当然，往复泵汽蚀现象的产生还与操作工况的波动有关。而且，在NPSHA不是十分充裕的情况下，特别对输送多组分而又容易汽化的介质来说，这些因素的影响会更加敏感。

3.防止往复泵产生汽蚀的对策分析

防止往复泵产生汽蚀的途径是多方面的，但主要应从提高吸入管路的NPSHA来考虑。限制泵的吸程，或者提高泵的静吸入压头，是可以防止往复泵产生汽蚀现象的。但是，这样做却住往与工艺条件相矛盾。为提高NPSHA，还可以从减小加速度头损失入手，这是防止往复泵产生汽蚀现象的有效途径。因此，从泵的设计制造到吸入管路的配置，都务必为减小加速度头损失创造条件。在进行设备和管路布置时，应尽可能地缩短泵的吸入管线长度;可适当加大吸入管路的直径以降低流速;如果泵的有关参数容许的话，可以适当加大柱塞的直径以降低泵的转速;可酌情增加泵的柱塞数以降低常数值;可在泵吸入管路的适当位置上安装入口稳定器。所谓入口稳定器是指一种消除吸入管路上的脉冲振动和气体夹带的设备。国外的使用经验证明，只要结构、型式及安装位置合理，其所能起到的作用，可相当于把泵的吸入管线长度缩短到约6、15倍管径的长度，从而有可能大大降低吸入管路的加速度头损失。此外，在泵的吸入管路上安装升压泵，也可以提高NPSHA。但是，这无疑将增加设备维修和操作费用。所以，一般情况下是不推荐采用的。对某些饱和蒸汽压力受温度变化影响敏感的液体（如甲胺液或液化气体），如能采取有效措施，以适当降低入泵前液体温度的办法来降低液体的饱和蒸汽压，同样也可收到提高NPSHA的效果。因此，也可作为防止产生汽蚀现象的一种措施。

4.结束语

最后，还必须强调指出，为防止泵的汽蚀，除必须有合理的吸入管路系统设计外，还必须有严格的工艺操作相配合，把操作工况的波动控制在最小的范围内。特别要防止操作压力和液面的骤然降低，防止大量的气体夹带，从而在使用中增强泵的使用寿命，提高泵的运行效率。

参考文献：

[1]丰镇平，汽蚀流动下泵水力性能数值预测[J]，科技传播，2013

[2]中国机械工程学会 主编 机械设计手册，电子工业出版社