间隙汽蚀对高压多级离心泵的影响分析

成 科，岳维亮，胡四兵，杜振明，王振伟

（1.中国石油化工股份有限公司 洛阳分公司，河南洛阳 471012；2.大连利欧华能泵业有限公司，辽宁大连 116000；3.合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

高压多级离心泵叶轮级数多、进出口压差大、转速高于或等于2极转速，装置对该类泵都有着长周期稳定运行要求，对可靠性和稳定性要求极高［1］。因此，高压多级离心泵摩擦副间隙要求严格，而间隙汽蚀现象在高压多级离心泵应用中，极容易造成间隙的破坏，对设备长周期稳定运行有着重要的影响。

1 高压多级离心泵汽蚀现象

化工装置中众多高压多级离心泵的应用维修，经常存在卧式多级离心泵摩擦副严重磨损，平衡机构汽蚀剥蚀的现象。图1（a）所示为节流轴套（该轴套应用于前后压降1 025 m，介质温度为380 ℃的渣油透平工况）汽蚀破坏，可以看到轴套表面产生了严重的剥离现象。图1（b）所示为高压锅炉给水泵（总扬程1 315 m，单级扬程187.9 m）平衡盘前轴套产生压降过程中产生的汽蚀气孔；图1（c）为其导叶部位汽蚀产生的破坏；图1（d）为其叶轮前口环汽蚀产生的气孔，该泵首级叶轮未发生汽蚀现象，说明入口压力大于介质汽化压力。图1（e）为高压锅炉给水泵（总扬程1 860 m，单级扬程186 m）第7级中段（与导叶反导叶片贴合面）汽蚀产生的严重破坏。

图1 常见汽蚀腐蚀Fig.1 Common cavitation damage

在众多高压多级离心泵入口压力接近介质汽化压力工况下，泵拆解后普遍存在以上现象。泵现场运行时轴系振动大，直接体现在轴承箱体部位振动相比出厂测试振动值加大（或存在高于水联运时振动），由于多级泵平衡机构普遍靠近非驱动侧，非驱动侧振动普遍大于驱动侧，非驱动侧密封使用寿命明显低于驱动侧；一些化工装置部分多级离心泵振动监测频谱显现为高频振动，并且振动频率范围较宽无明显规律；带有轴振动监测的可以明显看出轴运行轨迹不同心，如图2所示。渣油加氢液力透平轴系振动监测6个月轴振动变化，同侧轴振动值差值最大超过12 μm，轴心轨迹明显紊乱，拆机后轴套出现图1（a）间隙汽蚀破坏现象。

图2 渣油加氢液力透平轴系振动监测运行6个月轴振动变化Fig.2 Shaft vibration of residue hydrotreating hydraulic turbine for 6 months

2 间隙汽蚀过程分析

高压多级离心泵出口压力较高，如图3所示，L为间隙长度，h为径向单边间隙，D为环形间隙直径，P1为高压侧压力，P2为低压侧压力。平衡机构节流间隙非常小，平衡鼓结构一般单侧间隙为h=0.1～0.2 mm左右，平衡盘轴向间隙一般在 0.2～0.3 mm 之间［2］，节流高低压差 P1-P2可达10～35 MPa。介质从高压侧进入间隙后，在压差的作用下产生轴向速度，同时由于介质的黏性作用，转子部件高速旋转带动介质产生圆周运动，且随流动介质速度不断增大，介质压力不断降低，直到降到温度所对应的饱和压力时，介质无法保持液体状态，要发生由液相到气相的相变，介质发生汽蚀流动现象［3］。

图3 环形间隙示意Fig.3 Schematic diagram of annular clearance

图4示出了间隙内介质的流动状态，当介质压力未降到温度所对应的饱和压力时，流动以单相液体的形式；当气液相间的压力差满足汽泡产生所需的力学条件时，初期开始产生较少汽泡，溶解在介质中的气体由于扩散而进入汽泡中，将助长汽泡的成长，且随着压力持续降低，汽泡的份额逐渐增加［4］。一部分汽泡在轴套的表面形成空穴，液体高速填充空穴，发生互相撞击而形成水击，使节流轴套壁面受到冲蚀破坏，即发生了固定汽蚀。图1（a）～（c）所示各摩擦副间隙表面的汽蚀现象基本上与上述分析相符。

图4 间隙内介质流动状态Fig.4 Medium flow state in the clearance

为了更加清晰地了解汽蚀过程，采用了某多级离心泵平衡鼓结构，以不同叶轮级数的压差条件下CFD流体仿真进行数值模拟，对间隙汽蚀现象进行可视化分析［5］。

2.1 计算模型与边界条件

多级离心泵节流间隙模型为环形缝隙，直径为180 mm，长度为150 mm，单边间隙为0.2 mm。采用网格划分软件对间隙模型进行网格划分，最终生成网格数为2 443 500个，节点数为2 697 805个，如图9所示。采用有限体积法对控制方程进行离散，对流相使用二阶迎风格式离散，扩散项选用中心差分格式［6］。计算域的进口定义压力分别设定为 2.5，5.0，10.0，15.0 和 20.0 MPa，出口处压力为常压。壁面条件采用无滑移固壁条件，并使用标准壁面函数法确定固体附近流动。

图5 节流间隙CFD模型Fig.5 CFD model of the throttling clearance

流体介质为100 ℃水，先对流场进行稳态计算，得到流场的结果作为气液两相计算的初始条件。

2.2 CFD仿真分析

节流间隙内汽泡体积分数分布如图6所示。由图可知，随着间隙两侧压差的增加，间隙内汽蚀区域范围逐渐扩大；间隙压差在5 MPa以下，产生汽蚀区间较小；超过10 MPa以后，间隙内汽泡占据较大空间，并且在间隙内存在一定轴向长度的气液两相流流动距离。这也就可以解释实际运行时，轴高速旋转过程中造成一定的汽泡溃灭，导致摩擦副表面的冲蚀。

图6 不同间隙压差时汽泡体积分数Fig.6 Bubble volume fraction under the diffierent clearance pressure

3 间隙汽蚀对泵部件的影响分析

3.1 对泵汽蚀的影响以及对流道内部蜗壳破坏

对于前后压差超过10 MPa的平衡机构，低压侧充满了大量的气液两相流（或气液固三相流），过流面积没有发生变化，但是汽化后的气液两相流体积会增大很多，这时流体就具备流速高的特点。气液两相流体通过平衡管高速进入泵吸水室内，此时虽然压力大于汽化压力，但是汽泡的溃灭需要一定时间，因流速快，汽泡尚未破灭就已经随着流体进入到多级泵后几级的流道内，随着压力逐级增加，汽蚀的汽泡在导叶里流速相对低的部位溃灭，即发生游离状态的非规律性汽蚀状态，在金属表面呈现蜂巢状［7-15］。此即为泵入口压力大于介质汽化压力，却存在非首级叶轮汽蚀的现象，并且汽蚀发生在多级泵的中间或靠后的流道内的原因，如图1（c）所示的导叶汽蚀现象；压力越高或者更容易汽化的介质工况汽蚀会分布在多级泵多个流道内，严重的会对导叶和中段产生严重的冲蚀，如图1（d）。如果介质中含有固体颗粒，在气体析出的过程中会夹杂固体颗粒，此时对间隙的影响会加大，存在着冲蚀与磨蚀，如图1（a）所示。这种在气液固或固液两相流工况极为明显，煤化工装置中湿法脱硫的硫单质、煤气化装置的高温灰水内的灰渣、渣油加氢液力透平的出口侧析出未液化的油渣等固体颗粒等对摩擦副的影响就极为明显。此即为很多该类现场频谱监测出现高频、宽范围、无规律振动现象的原因。

3.2 对转子轴系径向稳定性的破坏

对整个轴系摩擦副进行分析，因卧式节段导叶式多级离心泵转子挠度的存在，导致动、静摩擦副圆周方向间隙不均匀，而设计过程中要保证挠度最低位置有一定间隙，以保证转动过程中不会接触。然而，在工作过程中，摩擦副圆周方向间隙不同，导致泄漏量以及产生的压降不同，造成局部压降气体析出量高，析出的气体会随着高速旋转，导致汽泡在小间隙位置高压溃灭，对转子径向产生冲击，而这就造成了转子轴心轨迹的不同心，如图2所示，在设备运行初期，摩擦副间隙尚未破坏时，振动偏小，随着冲蚀的累积，逐渐破坏了原有的小间隙对转子的约束能力，导致振动加大，尤其是摩擦副材料选择不正确或表面硬化不合理的时候，这种影响极为严重，如图1（a）～（c）所示。

间隙汽蚀造成摩擦副破坏，严重降低了泵效率，对转子径向产生高频冲击，对高压多级离心泵运行稳定性产生很大影响。同时，尤其是平衡机构的低压端大量气体析出造成的转子轴向冲击较大，严重时会对连接零件造成严重冲蚀，而且，极易造成临近的机械密封的高频压力波动，降低了密封的使用寿命。

4 解决方案

针对以上问题，可以通过特殊结构设计与合理的摩擦副表面硬化处理方案来降低或改善间隙汽蚀对摩擦副造成的影响。

结构设计过程中，使摩擦副动静环圆周间隙均匀以及摩擦副表面结构特殊设计（例如反螺旋槽结构）有利于改善间隙汽蚀或降低间隙汽蚀对摩擦副的破坏。摩擦副表面喷涂或者镀铬虽可以提高表面硬度，但是间隙汽蚀造成的高频冲击，极易使喷涂层与镀铬层脱落；马氏体钢采用淬火的方式，奥氏体不锈钢或者双相钢宜采用堆焊硬化层的方式提高表面硬度。

除了材料与结构设计细节上的关注，针对高压多级离心泵间隙汽蚀从根本上的解决方案是降低间隙前后压差，尤其是平衡机构前后压差，同时提高摩擦副动静环的同心度，则可以从本质上提高使用寿命，针对不同工况特点，可不同选择。

4.1 介质易汽化带有固体颗粒的高压工况

因降压过程极容易产生气液固三相流，对摩擦副的破坏增大，极不利于长周期稳定运行。进出口压力差超过5 MPa时，不宜采用节段导叶式非自平衡结构多级泵，适合采用自平衡结构多级泵，这样可以减少平衡结构的压降是扬程的50%，很大程度降低间隙汽蚀产生的气液固三相流造成的冲蚀和磨蚀。

4.2 介质易汽化不含固体颗粒的高压工况

当介质易汽化（入口压力与汽化压力相差很小）不存在磨蚀时可分以下几种情况进行分析。

（1）进出口最高压差低于10 MPa的卧式多级泵，平衡管最小过流面积不小于间隙面积5～6倍时［16］，可以采用节段式导叶非自平衡多级离心泵；进出口最高压差10～15 MPa的卧式多级泵，宜采用自平衡多级离心泵，从而可以减少平衡机构约50%的间隙汽泡量，结构上基本具备长周期使用需求，如一定要采用非自平衡多级离心泵，则建议平衡管不与泵入口直接相连，而是与泵入口连接的吸入储罐顶部连接（注意安全操作上要相应进行完善），这样可避免平衡机构间隙汽蚀出的气体影响泵的运行稳定性。

（2）进出口最高压差15～20 MPa的卧式多级离心泵，最好采用自平衡多级离心泵，如果采用非升速泵型，则适合采用双壳体内芯水平剖分自平衡多级离心泵，可以做到摩擦副动静同心，维修便利，可实现快速维修，如果采用齿轮箱或变频电机升速泵，可在泵设计干态刚性轴的前提下，选用非自平衡节段卧式多级离心泵（平衡管与吸入罐连接）。从长周期稳定运行角度，自平衡多级泵要优于非自平衡多级泵，从长周期稳定运行与便于维护角度，内芯水平剖分自平衡多级泵要优于节段式自平衡多级泵。

（3）进出口最高压差超过20 MPa的卧式多级离心泵，无论升速与否，均适宜采用内芯水平剖分自平衡结构多级离心泵。同时无论哪种结构，都要加大平衡管过流面积，以减少平衡腔低压侧积气，降低压力波动对轴向稳定性的影响。

根据以上解决方案方法，对中石化某公司渣油加氢液力透平原进口透平设备进行了重新研制替换，更换后的轴系运行振动监测如图7所示，运行6个月，轴系振动初期振动最大20 μm，经过短期的磨合后，振动逐渐变小，不超过15 μm，两侧轴振动保持稳定，同侧轴振动一直保持偏差最大值不超过2 μm，两侧振动偏差最大不超过5 μm，轴系振动轨迹明显驱动侧与非驱动侧趋于同心，运行效果得到明显改善。

图7 更换设备后轴系运行振动情况Fig.7 Operation vibration of shafting after equipment replacement

5 结论

（1）间隙汽蚀会造成摩擦副的破坏，一些苛刻工况会造成内部流道的汽蚀，对泵运行稳定性造成严重破坏。

（2）数值模拟结果表明，压差超过10 MPa时间隙汽蚀影响比较明显，这与大量泵的检维修结果相匹配。因此，对进出口压差超过10 MPa的高压多级离心泵，采用自平衡型多级离心泵可以减小平衡机构压差，降低间隙汽蚀气体析出量；采用内芯水平剖分自平衡多级离心泵可以从本质上提高高压多级离心泵的长周期运行稳定性。