有獎(jiǎng)?wù)魑?| 離心泵汽蝕的典型癥狀、判別及監(jiān)測

注：

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摘   要：離心泵最常用的監(jiān)測是溫度和振動(dòng)監(jiān)測，而對(duì)于常見的汽蝕監(jiān)測卻極少，這對(duì)于那些特別重要工況的離心泵來說，將是一種潛在隱患。文章從一些典型的汽化汽蝕癥狀著手，通過不同的監(jiān)測來判斷汽蝕的開始、正在發(fā)生或即將發(fā)生。最終的目標(biāo)是為業(yè)主檢修、維護(hù)留下足夠的時(shí)間窗口，由被動(dòng)式維護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)測性維護(hù)。

關(guān)鍵詞：離心泵   汽化汽蝕   癥狀   判別   監(jiān)測

前言

汽蝕廣泛發(fā)生在許多不同的泵送應(yīng)用中，是一種可能對(duì)離心泵造成極大破壞的現(xiàn)象，是運(yùn)行工況不當(dāng)?shù)闹苯咏Y(jié)果。

目前較普遍的共識(shí)是，汽化汽蝕是由液體通過葉輪時(shí)壓力變化引起的兩種變化：

1）當(dāng)液體通過入口管路進(jìn)入泵體內(nèi)部時(shí)，壓力會(huì)略有下降。下降量取決于特定泵該部分的幾何形狀及尺寸，并因泵而異。然后，液體進(jìn)入旋轉(zhuǎn)葉輪的進(jìn)口，在此處將發(fā)生顯著的壓降。如果葉輪進(jìn)口處的壓力低于泵送液體的汽化壓力，則會(huì)發(fā)生汽化汽蝕過程的第一種變化，氣泡的生成。

2）在葉輪離心力的作用下將氣泡輸送到葉輪葉片上時(shí)，它們立即被重新加壓，并在一系列內(nèi)爆中坍塌，從而出現(xiàn)了該過程的第二種變化，即氣泡的坍塌。

在氣泡凝結(jié)縮小、破裂的瞬間，氣泡周圍的液體將高速填充氣泡凝結(jié)破裂形成的空腔，產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波。雖然一次這樣的沖擊波是微不足道的，但它們不斷增加的重復(fù)性和嚴(yán)重性，會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出大多數(shù)葉輪材料屈服強(qiáng)度的能量級(jí)，并對(duì)其造成損傷。

本文結(jié)合了不少工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，從汽化汽蝕所表現(xiàn)出來的典型癥狀著手，區(qū)分了其與回流汽蝕和夾帶空氣汽蝕的不同，列出了不同的監(jiān)測方式以判斷汽化汽蝕的開始、正在發(fā)生或即將發(fā)生。最終的目標(biāo)是為業(yè)主檢修、維護(hù)留下足夠的時(shí)間窗口，由被動(dòng)式維護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)測性維護(hù)。

汽化汽蝕的典型癥狀

對(duì)于很多離心泵用戶及離心泵的從業(yè)人員來說，通常對(duì)于汽化汽蝕的癥狀都有一些大概的了解，具體如下：

1）壓力波動(dòng)。汽化汽蝕發(fā)生的必要條件是泵（葉輪）的入口壓力接近或不大于泵送介質(zhì)的汽化壓力，也就是說，汽蝕的發(fā)生是因?yàn)槿肟趬毫Φ慕档停ú▌?dòng)）；

2）出現(xiàn)噪聲。汽蝕噪聲通常聽起來像聲調(diào)高的噼啪聲，當(dāng)汽蝕趨于嚴(yán)重時(shí)過渡到強(qiáng)烈的嘎嘎聲，但聲音相對(duì)較穩(wěn)定、有規(guī)律；并伴隨

3）性能下降。泵的揚(yáng)程和輸出流量會(huì)下降；并出現(xiàn)

4）振動(dòng)增加。汽蝕發(fā)生時(shí)，通常會(huì)伴隨著振動(dòng)的顯著增加；并產(chǎn)生

5）汽蝕破壞。由于NPSH安全裕量偏小或不足，汽化汽蝕會(huì)引起過流零件的腐蝕 - 如在葉輪入口葉片的低壓側(cè)表面形成小的凹坑。

容易出現(xiàn)混淆的癥狀

汽蝕仍然是一個(gè)難以準(zhǔn)確判斷的問題，原因是汽化汽蝕的典型癥狀與其它三種情況相同。這意味著，當(dāng)我們遇到獨(dú)特的噪聲和高振動(dòng)水平時(shí)，它們也可能是由入口或出口回流或夾帶空氣引起的，而與入口壓力無關(guān)[1]。

2.1 入口回流

這種情況是由各種類型的不穩(wěn)定性造成的，例如當(dāng)泵在偏小流量工況下運(yùn)行時(shí)，葉輪中可能發(fā)生的湍流、回流和漩渦的共同作用。有時(shí)被稱為“脫流”或“流體動(dòng)力”汽蝕，這些流動(dòng)模式在小流量下將加劇。發(fā)生這種情況的流量會(huì)因葉輪的不同而不同。

2.2 出口回流

出口回流是一種類似的情況，會(huì)導(dǎo)致葉片葉尖處的點(diǎn)蝕損壞，有時(shí)還會(huì)在（蝸殼式泵）泵蝸舌處造成點(diǎn)蝕損壞。它也可能是由于泵在偏小流量下運(yùn)行引起的。

2.3 夾帶空氣

夾帶空氣包含了多種情況，其中，蒸汽氣泡在到達(dá)泵之前就已經(jīng)存在于液體中。當(dāng)它們到達(dá)葉輪進(jìn)口時(shí)，會(huì)發(fā)生完全相同的事情，就好像它們是在那個(gè)點(diǎn)被創(chuàng)造出來的一樣。換言之，蒸汽氣泡到達(dá)葉片后開始承受不斷增加的壓力并因此發(fā)生坍塌，在相同的位置造成與汽蝕相同的損壞。

由于夾帶空氣在與汽化汽蝕完全相同的位置對(duì)葉輪造成相同的點(diǎn)蝕損壞，因此可能會(huì)造成故障診斷上的混亂，尤其是在相同的工況中，兩者可能同時(shí)發(fā)生。然而，快速比較NPSHA和NPSHR，結(jié)合對(duì)管道特性的目視檢查，通常有助于確定所謂“汽蝕”的根本原因，并解決夾帶空氣問題。

2.4 異同點(diǎn)

常規(guī)的汽化汽蝕、夾帶空氣和回流汽蝕都會(huì)導(dǎo)致葉輪上的點(diǎn)蝕損壞，這是由氣泡的形成和隨后的坍塌造成的。它們之間的區(qū)別在于形成氣泡的方法以及由此產(chǎn)生的葉輪損壞的位置不同。

隨著所有這些情況的嚴(yán)重性增加，噪聲、振動(dòng)和葉輪損壞也會(huì)增加。在惡劣的情況下，點(diǎn)蝕損壞會(huì)蔓延到整個(gè)葉輪，也可能延伸到泵殼體。

所有這些情況都有一些相似的癥狀。因此，它們可能被錯(cuò)誤地診斷。然而，它們是由三種不同的情況引起的，通過關(guān)注這些根本原因，可以簡化、并準(zhǔn)確診斷。

必須認(rèn)識(shí)到，對(duì)葉輪的損傷只是上述三種情況的一個(gè)后果。

汽蝕的判別

總的來說，最大的問題是，當(dāng)遇到噪聲和振動(dòng)的常見癥狀時(shí)，如何確定是上述三種水力工況中的哪一種。

可以通過調(diào)節(jié)泵出口閥的開度減少泵的流量，然后根據(jù)流量變化對(duì)噪聲和振動(dòng)產(chǎn)生的效果來進(jìn)行判別。調(diào)節(jié)泵的出口閥門，減少通過泵的流量，會(huì)產(chǎn)生三種可能的情況[1]：

1）噪聲和振動(dòng)會(huì)明顯變小，甚至可能完全消失。

2）噪聲和振動(dòng)會(huì)變得更嚴(yán)重。

3）噪聲和振動(dòng)變化很小或沒有變化。

第一種情況，在流量減小的情況下泵運(yùn)行得更安靜、更平穩(wěn)，表明汽化汽蝕正在消除。

第二種情況，噪聲和振動(dòng)變得更嚴(yán)重，表明泵在低流量下出現(xiàn)了回流。

第三種情況，噪聲和振動(dòng)變化很小或沒有變化，表明存在夾帶空氣問題，不會(huì)立即受到流量變化的影響。

另外，一些經(jīng)驗(yàn)表明，正常的汽化汽蝕引起的破壞出現(xiàn)在葉輪入口葉片的低壓側(cè)（非工作面），而回流汽蝕引起的破壞在葉輪葉片的承壓側(cè)（工作面）。同時(shí)，回流汽蝕產(chǎn)生的噪聲是不規(guī)則的噼啪聲。

汽蝕的監(jiān)測

離心泵最常用的監(jiān)測是溫度（如軸承溫度）和振動(dòng)監(jiān)測。由于涉及到投資成本問題，絕大多數(shù)離心泵都沒有配備專門的汽蝕監(jiān)測設(shè)備。

汽蝕監(jiān)測可分為兩大類：

1）被動(dòng)式監(jiān)測。汽蝕已經(jīng)發(fā)生且較嚴(yán)重，并伴隨著出現(xiàn)非常明顯的外特性癥狀，如噪聲和振動(dòng)的顯著增加、性能的下降等。

2）主動(dòng)式監(jiān)測。汽蝕可能在不久的將來發(fā)生，或者汽蝕已開始但處于早期階段，并沒有出現(xiàn)非常明顯的汽蝕癥狀（如已開始出現(xiàn)少量氣泡，無明顯汽蝕外特性癥狀）。

4.1 壓力監(jiān)測

如果泵的入口壓力出現(xiàn)明顯的下降或者突降，且當(dāng)其低于某一值時(shí)，便可能發(fā)生汽蝕。

1）采用泵入口壓力測量儀表（如壓力表、壓力變送器）所測到的壓力值減去汽化壓力（換算成揚(yáng)程），就可以判斷出NPSHA是否大于或等于泵制造廠特性曲線上所要求的NPSHR。這是一種最簡單、最常用的被動(dòng)式汽蝕監(jiān)測。

2）安裝于泵的入口（盡可能靠近葉輪吸入口）的壓力變送器，還可用于監(jiān)測壓力波動(dòng)，一旦壓力波動(dòng)超過某一范圍或某一值，泵可能會(huì)面臨汽蝕的風(fēng)險(xiǎn)。通過壓力變送器在線連續(xù)監(jiān)測，可以獲取壓力變化的趨勢，然后對(duì)可能發(fā)生的汽蝕作了相應(yīng)預(yù)測。為此，被動(dòng)式汽蝕監(jiān)測變成了主動(dòng)式監(jiān)測。

4.2 噪聲監(jiān)測

當(dāng)蒸汽氣泡到達(dá)高壓區(qū)時(shí)，它們會(huì)發(fā)生內(nèi)爆、坍塌、凝縮成液體并產(chǎn)生沖擊波?？焖賰?nèi)爆會(huì)產(chǎn)生與汽蝕相關(guān)的特征性噼啪聲，聽起來像石頭穿過泵體。

汽蝕噪聲是泵和系統(tǒng)發(fā)出的總噪聲的一部分，通過使用合適的聲音測量設(shè)備持續(xù)在線監(jiān)測，分析噪聲的發(fā)展趨勢，并預(yù)測汽蝕可能發(fā)生的時(shí)間、汽蝕的強(qiáng)度、潛在的腐蝕能力等。這是主動(dòng)式汽蝕監(jiān)測。

汽蝕噪聲頻率一般為10 kHz～100 kHz，而回流引起的汽蝕噪聲頻率在幾百Hz左右[2]。

4.3 性能監(jiān)測

汽蝕發(fā)生時(shí)，除了會(huì)產(chǎn)生明顯的噪聲以外，還會(huì)伴隨著泵流量和揚(yáng)程的下降?？梢圆捎昧髁勘O(jiān)測設(shè)備（如文丘里管、流量噴嘴等）和揚(yáng)程監(jiān)測設(shè)備（如差壓變送器）適時(shí)監(jiān)測流量和揚(yáng)程的變化趨勢。

4.4 振動(dòng)監(jiān)測

汽蝕發(fā)生時(shí)，除了會(huì)產(chǎn)生明顯的噪聲以外，還會(huì)伴隨著泵振動(dòng)的增加。

振動(dòng)傳感器用于振動(dòng)監(jiān)測。離心泵上通常會(huì)用到兩種振動(dòng)傳感器：

1）趨近式振動(dòng)傳感器，用于測量泵軸的相對(duì)振動(dòng)。軸振動(dòng)測量應(yīng)為峰-峰值位移，單位是μm。

2）加速度振動(dòng)傳感器，用于測量泵軸承箱的絕對(duì)振動(dòng)。軸承箱的振動(dòng)測量應(yīng)該用均方根（RMS）速度，單位為mm/s。

對(duì)于裝有流體動(dòng)壓軸承的泵，通常采用趨近式（渦流）振動(dòng)傳感器；而對(duì)于安裝滾動(dòng)軸承的泵，通常采用加速度振動(dòng)傳感器；如果泵徑向軸承為流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承、而推力軸承是7300系列背靠背安裝的角接觸球軸承，那么最佳的配置方法是在徑向軸承采用趨近式振動(dòng)傳感器，而推力滾動(dòng)軸承選用接觸式加速度振動(dòng)傳感器。不過，這種配置在工程實(shí)踐中很少遇見。

上述這種振動(dòng)監(jiān)測方法通常與噪聲一起用于間接判定泵是否發(fā)生了汽蝕。

還可以通過測量泵的振動(dòng)頻率（汽蝕產(chǎn)生振動(dòng)的主要頻率一般在1 kHz左右[2]），來直接判定是否發(fā)生了汽蝕。

不同水力原因（振動(dòng)激勵(lì)源）而產(chǎn)生的振動(dòng)頻率如表1所示。

表1：不同激勵(lì)源而產(chǎn)生的振動(dòng)頻率[3]

目前的工程應(yīng)用中，振動(dòng)監(jiān)測基本屬于被動(dòng)式汽蝕監(jiān)測。如果持續(xù)在線監(jiān)測泵的振動(dòng)頻率，一旦發(fā)現(xiàn)了上述振動(dòng)頻率分量（說明泵已開始出現(xiàn)汽蝕，但屬于早期），可及時(shí)發(fā)出汽蝕預(yù)警，用戶將根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行干預(yù)或重點(diǎn)關(guān)注。這樣，被動(dòng)式汽蝕監(jiān)測就變成了主動(dòng)式監(jiān)測。

4.5 氣泡監(jiān)測

氣泡監(jiān)測只能在透明的泵殼體上進(jìn)行，使用快速攝像機(jī)觀察葉輪入口處汽泡的發(fā)生、發(fā)展情況。

對(duì)于高附加值、重要工況用泵，如百萬機(jī)組核電站常規(guī)島主給水泵，為了確保其在任何規(guī)定工況下均不會(huì)發(fā)生汽蝕、并能夠長期安全可靠運(yùn)行，KSB公司將第一只氣泡產(chǎn)生（即汽蝕初生）時(shí)作為汽蝕的判別依據(jù)，并以此來選擇前置泵的揚(yáng)程。

不過，由于各方面的原因，氣泡監(jiān)測目前并未直接應(yīng)用到工程實(shí)踐中。國際上僅極少數(shù)跨國泵公司（如德國KSB）在重要工況用泵上進(jìn)行氣泡測試。

4.6 電機(jī)扭矩監(jiān)測

對(duì)于采用變頻驅(qū)動(dòng)的泵組，可以使用智能變速驅(qū)動(dòng)器（VSD）- 也稱為變頻驅(qū)動(dòng)器（VFD）的功能來監(jiān)測。除了能源效率的好處和各種有用的功能（例如，清潔并清除泵的堵塞）之外，一些VSD現(xiàn)在還集成了防汽蝕軟件。這使得在不增加任何額外成本和提高系統(tǒng)復(fù)雜性的情況下防止汽蝕成為可能。

智能VSD內(nèi)置的防汽蝕軟件，使用算法測量泵的扭矩和轉(zhuǎn)速，以檢查是否存在表明發(fā)生汽蝕的特定模式。由于直接從泵軸進(jìn)行測量，檢測過程中沒有延遲，因此響應(yīng)幾乎是即時(shí)的。當(dāng)檢測到汽蝕現(xiàn)象時(shí)，VSD可以自動(dòng)調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速以對(duì)壓力變化做出反應(yīng)。一旦泵停止汽蝕，它將恢復(fù)正常運(yùn)行。圖1顯示了防汽蝕算法背后的工作原理[4]。

圖1：防汽蝕算法檢查泵電機(jī)扭矩如何隨時(shí)間變化

VSD算法通過將軸上測得的扭矩與公稱扭矩進(jìn)行比較，來檢測汽蝕的開始。如果汽蝕現(xiàn)象已開始，那么以紅色顯示的扭矩曲線開始上升。軟件通過將藍(lán)色顯示的轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)調(diào)整到較低的水平來做出響應(yīng)。這會(huì)導(dǎo)致實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，如綠色所示。算法可以調(diào)整以適應(yīng)不同的運(yùn)行工況。在許多情況下，如果電機(jī)轉(zhuǎn)速降低后汽蝕持續(xù)時(shí)間超過設(shè)定時(shí)間，VSD將設(shè)置為停止電機(jī)運(yùn)行。在其它應(yīng)用中，可能需要在檢測到汽蝕時(shí)立即停止電機(jī)運(yùn)行。

現(xiàn)在，新一代智能VSD使得在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)實(shí)時(shí)解決泵的汽蝕問題成為可能。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置的防汽蝕軟件，意味著不需要傳感器或可編程邏輯控制器（PLC）等額外組件。唯一需要做的額外工作是設(shè)置運(yùn)行參數(shù)。

其結(jié)果是，通過檢測泵電機(jī)軸上的扭矩變化，可立即發(fā)現(xiàn)汽蝕造成的潛在流動(dòng)問題。這提供了消除汽蝕現(xiàn)象的準(zhǔn)確、即時(shí)響應(yīng)。這是一種新型的主動(dòng)式汽蝕監(jiān)測。

總結(jié)

1）汽化汽蝕發(fā)生的必要條件是泵（葉輪）的入口壓力接近或不大于泵送介質(zhì)的汽化壓力。

2）汽蝕仍然是一個(gè)難以準(zhǔn)確判斷的問題，汽化汽蝕與入口回流、出口回流和夾帶空氣引起的汽蝕都會(huì)導(dǎo)致葉輪上的點(diǎn)蝕損壞、噪聲和振動(dòng)的明顯增加。它們之間的區(qū)別僅在于形成氣泡的方法以及由此產(chǎn)生的泵損壞的位置不同。

3）可以通過調(diào)節(jié)出口閥的開度減少泵的流量，然后根據(jù)流量變化對(duì)噪聲和振動(dòng)產(chǎn)生的效果來對(duì)汽蝕進(jìn)行判別。

4）汽蝕監(jiān)測可分為被動(dòng)式監(jiān)測和主動(dòng)式監(jiān)測。主動(dòng)式監(jiān)測可以在汽蝕產(chǎn)生破壞之前提出預(yù)警，并給維修預(yù)留出足夠的時(shí)間窗口。

5）對(duì)于采用變頻驅(qū)動(dòng)的泵組，新一代智能VSD使得在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)實(shí)時(shí)解決泵的汽蝕問題成為可能。

【參考文獻(xiàn)】

[1] Ross Mackay, Diagnose and rectify the basic problems plaguing centrifugal pumps, pumpsandsystems.com

[2] 焦偉才，謝小青，服務(wù)工程師談離心泵汽蝕及現(xiàn)場成功案例，《泵友圈》，2021年8月17日

[3] 謝小青，API 610標(biāo)準(zhǔn)的解讀：振動(dòng)篇，泵工程師，2017年6月號(hào)總第63期，P48-53

[4] James Chalmers, Decreasing the Risk of Pump Cavitation for the Water Industry, pumpsandsystems.com