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离心泵汽蚀安全裕量的探讨
文章作者:谢小青和于丽红(上海电气凯士比核电泵阀有限公司)
汽蚀是离心泵运行过程中较常见的问题，会引起泵振动和噪音的增加、性能的下降、造成泵零部件的严重损坏。只有全面、正确地理解离心泵的汽蚀性能、合理选择安全裕量，才能确保其安全稳定运行，并达到预期的使用寿命。
安全裕量的大小，不仅涉及到离心泵能否长期安全稳定运行，还直接影响到装置/设备的投资成本。本文是作者关于离心泵汽蚀问题所写的第二篇专题文章，将收集汇总不同标准/规范、一些国际同行对不同使用工况的离心泵汽蚀安全裕量的规定，并结合一些工程实践，与大家分享特定工况及核电站主要用泵的汽蚀安全裕量应用经验或要求，仅供同行们参考。
1.关于汽蚀的几个概念
1.1汽蚀余量
ANSI/API610第11版标准定义如下：
NPSH又称为净正吸入压头，是从基准标高算起的泵绝对吸入总压头减去液体的汽化压力。
1.2装置汽蚀余量NPSHA
装置汽蚀余量又称有效汽蚀余量、有效的净正吸入压头，是与泵的操作系统有关的参数，等于液体到达泵的入口时的压头减去汽化压力头后液体的剩余压力头。
1.3必需汽蚀余量NPSHR
必须汽蚀余量又称必须的净正吸入压头，它是与泵本身的结构设计有关的参数。必需汽蚀余量主要有三种：
NPSH3：将扬程(第一级叶轮)下降3%作为汽蚀的判别点，ANSI/HI9.6.1、ISO9906、ANSI/API610等标准所推荐，并被全球泵行业广泛接受。测量容易，也比较可靠。普遍应用于各种离心泵。
NPSH0：将扬程即将开始快速下降、但下降为0%作为汽蚀的判别点，定义容易，但测量较困难。常用于轴流泵和混流泵。
NPSHi(即NPSHincipient汽蚀初生)：将第一只汽泡产生时作为汽蚀的判别点，较NPSH3和NPSH0更严格。定义容易，但所需的测量技术复杂、成本非常高。常用于叶轮入口流速较高的高吸入能量泵。
2 NPSH裕量考虑的因素
NPSHA与NPSHR之间的差值称为NPSH裕量;NPSHA与NPSHR之间的比值称为NPSH裕量比。
在大多数泵系统中，NPSHA趋于随着流量的增加而减小，而NPSHR趋于随着流量的增加而增加。NPSH裕量考虑的因素较多，具体如下:
2.1叶轮进口流速
可以通过降低叶轮进口液体流速来降低NPSHR值，它是转速和叶轮入口直径的直接函数。
2.2叶轮入口直径
可以通过加大叶轮入口直径来降低NPSHR值，从而增加叶轮该区域的静压头。然而，较大的叶轮入口直径会加剧入口回流的影响，为此必需增加NPSH裕量。
2.3吸入比转速
吸入比转速，是在最大叶轮直径和给定转速下、以最佳效率点的流量来计算的，是一个与离心泵吸入性能相关的指数。吸入比转速是衡量一台离心泵对内部回流的敏感程度的评估尺度。
对于大多数泵设计，通常将低于约145公制单位(7500美制单位)的吸入比转速值表示低值，而将高于约250公制单位(13000美制单位)被认为高值。与较低的吸入比转速泵设计相比，较高的吸入比转速泵更有可能遇到不良的噪音和振动，允许的运行区间也变得较窄。
2.4泵送介质的影响
l泵送介质中的磨蚀物在汽蚀工况下会显著增加磨损率。
l少量夹带气体(1%至2%)可以缓冲汽蚀汽泡坍塌产生的冲击力，并可以减少由此产生的噪音、振动和侵蚀损坏。
l液体中的添加剂可能会导致汽蚀破坏加剧。
l液体的腐蚀性会加速汽蚀造成的损害。
2.5运行范围
叶轮通常设计为在特定流量下运行，当超出规定的流量范围运行时，汽蚀的可能性会大大增加。对于经常在优先工作区(POR)外、但在允许工作区(AOR)内运行的泵，需要使用较大的NPSH裕量/裕量比。
2.6材料
叶轮可以使用不同的材料制造。硬质塑料和复合材料通常是最不耐汽蚀的材料。铸铁和黄铜在常用金属中的损坏最为严重，而不锈钢、钛和镍铝青铜在相同的汽蚀条件下的损坏要小得多。
2.7泵大小
与较小的泵相比，大型泵(叶轮入口直径超过450mm)更容易出现汽蚀损坏问题。
2.8运行情况
汽蚀损坏与时间有关。泵在汽蚀条件下运行的时间越长，损坏程度越大。
3不同标准/规范对NPSH裕量的规定
3.1 UOP5-11-7规范
必须有一个0.6米或NPSHA的15%的安全裕量，两者之间取大值。而且该安全裕量包含在系统计算中，因此，只要泵的NPSHR≤NPSHA即可。
3.2 ANSI/API610标准第11版
除了规定的NPSH3以外......通常希望有一个工作安全裕量，这个工作安全裕量足以在所有流量下(从最小连续稳定流量到最大预期运行流量)保护泵免遭回流、汽蚀引起的损坏。卖方应当根据具体的泵型和规定的使用条件推荐一个安全裕量。
3.3 GB/T16907-2014标准
NPSHA应有比NPSHR大10%的裕量，且该裕量不得小于0.5米。
3.4 ANSI/HI9.6.1-2012标准
标准针对不同应用的离心泵给出了推荐的最小裕量比或最小裕量值。
石油(烃类)流程泵
用于石油(烃类)服务的泵流程通常很稳定、且其蒸汽泡破裂(内爆速度较低)时释放的能量较少，因此能够以相对较低的NPSH裕量/裕量比成功运行。在AOR内运行时，建议在每个特定流量下，最小裕量比为1.1或最小裕量1.0米，两者取大值。
化工流程泵
化工流程泵通常具有以下特点：经常以各种不同的流量运行、采用具有抗汽蚀材料的叶轮及NPSHA相对较低。
考虑到这些情况，建议化工流程泵使用以下最低NPSH裕量：
a)对于吸入比转速<210公制单位(11000美制单位)的泵，在AOR内运行时，每个特定流量下的最小裕量比为1.1或最小裕量0.6米，两者取大值。
b)对于吸入比转速≥210公制单位(11000美制单位)的泵，在POR内运行时，每个特定流量下的最小裕量比为1.1或最小裕量0.6米，两者取大值;对于经常在POR外(但在AOR内)运行的泵，每个特定流量下的NPSH裕量比应为1.2或1.0米的裕量，以较大者为准。
电厂(非核)用泵
电厂用泵为水泵。与石油泵处理的碳氢化合物液体不同，冷水在蒸发(闪蒸)时会急剧膨胀。当具有更高破坏能量的蒸汽泡破裂时，将导致更高的冲击速度、对泵零部件造成严重损坏;而热水的特性类似于碳氢化合物液体。
典型的电厂运行周期不是恒定的，泵的流量随功率需求而变化很大。系统发生瞬变，可能导致泵吸入条件的快速变化，如压力和温度，对于锅炉给水系统中的泵尤其如此。电厂中的其它泵通常不会受到锅炉水系统中的严重瞬变的影响。
推荐的NPSH裕量比或裕量值参见表1。
表1-电厂(非核)用泵NPSH裕量比/裕量
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泵类型 |
功率（kW/级） |
POR裕量比 |
AOR |
|
|
裕量比 |
裕量 |
|||
|
锅炉给水 |
<225 |
1.1 |
1.3 |
|
|
锅炉给水 |
≥225但<500 |
1.2 |
1.5 |
|
|
凝结水 |
所有 |
1.0 |
1.0 |
|
|
冷却塔水 |
所有 |
1.1 |
1.3 |
|
|
循环水/冷却水 |
所有 |
1.05 |
|
1.0m |
凝结水应用通常需要能够在非常低的绝对压力下运行的泵，立式筒袋结构通过第一级叶轮上方的水位提供NPSHA。对于这样的应用，在最大流量下通常具有最小的NPSH裕量，并且泵必须设计成能够承受一些汽蚀的情况下运行。第一级叶轮应采用抗汽蚀材料。
循环/冷却水泵通常具有低于26 m/s的叶轮入口圆周速度。
冷却塔应用中的泵需要特别注意NPSH裕量。通过冷却塔泵循环的水高度含气，并且具有高浓度的溶解氧。为了达到合适的叶轮寿命，可能需要较大的裕量。由于泵送介质的侵蚀性，应该考虑选择抗汽蚀的叶轮材料。
水/污水泵
经验表明，当在POR内运行时，NPSH裕量为1.0米足以抵御大多数市政型水泵和污水泵应用中的汽蚀损坏。对于配有抗汽蚀材料制成的叶轮的泵，允许较低的NPSH裕量，请参见表2。
表2-水/污水泵NPSH裕量比/裕量
|
泵类型 |
功率 （kW/级） |
POR NPSH裕量比 （最小1.0米） |
AOR NPSH裕量比 （最小1.5米） |
|
污水（铸铁叶轮） |
<45 |
1.1 |
1.2 |
|
污水（不锈钢叶轮） |
<45 |
1.05 |
1.1 |
|
污水（铸铁叶轮） |
≥45 |
1.2 |
1.3 |
|
污水（不锈钢叶轮） |
≥45 |
1.1 |
1.2 |
|
水（不锈钢或铝青铜叶轮） |
<75 |
1.05 |
1.1 |
|
水（不锈钢或铝青铜叶轮） |
≥75 |
1.1 |
1.2 |
通用工业用泵
由于大多数通用工业泵都是在充满抽吸的应用中使用的，因此，在没有任何NPSH裕量的情况下，泵在POR内的运行通常不会对泵的内部零部件造成实质性损坏。建议最小NPSH裕量比为1.05或0.6米的裕量，以较大者为准。
在较宽的AOR范围内运行时，建议最小NPSH裕量比为1.1或1.0米的裕量，以较大者为准。
4国际同行对NPSH裕量的规定
4.1 SULZER公司
对于没有规定汽蚀准则的泵，将扬程下降3%作为汽蚀的判别点。对于连续运行的大多数应用工况，要求有足够的安全裕量。这个要求的安全裕量：
图1-SA的近似取值
随着叶轮入口处圆周速度的增加而增加。
如果采用抗汽蚀材料，则安全裕量可以适当减小。
随着介质的腐蚀性增加而增加。
取决于泵的运行条件、型式以及泵送介质的温度，例如介质为海水时，要求稍微高一点的安全裕量;介质为烃类时，要求稍微低一点的安全裕量。
对于单级扬程高的吸入叶轮，装置汽蚀余量应为必需汽蚀余量的SA倍，SA的近似取值范围参见图1。其中，当叶轮采用抗汽蚀性能低的铸钢材料时，SA取上线;当叶轮采用抗汽蚀性能高的铬钢材料时，SA取下线。
4.2 EBARA公司
如果用户没有规定，对于VS6型泵，介质为水系时，EBARA公司NPSH裕量取0.6米;介质为油系时，NPSH裕量取0.3米。不过，在工程实践中对于石化工况，用户通常要求NPSH裕量达到1米。
对于其它泵型，用户没有规定时，NPSH裕量通常不低于0.6米。
4.3 ITT公司
对于标准的低吸入能量泵，防止汽蚀发生的有效方法是保证系统的装置汽蚀余量大于泵的必需汽蚀余量;而对于在允许操作范围内运行的高/很高吸入能量的泵，按美国水力学会ANSI/HI9.6.1标准的建议，有效汽蚀余量是必需汽蚀余量的1.2~2.5倍。
4.4 KSB公司
对于标准的低吸入能量泵，执行通用工业标准中的规定，NPSH裕量通常不低于0.6米。
对于高/很高吸入能量泵，特别是要求超长寿命的核电站重要用泵，其装置汽蚀余量比ANSI/HI 9.6.1标准规定的必需汽蚀余量的1.2到2.5倍要求更高。
5吸入能量的定义及对离心泵可靠性的影响
5.1吸入能量的定义
离心泵的吸入能量=叶轮入口直径(m)×泵转速(rpm)×吸入比转速(m3/s,m,rpm)×泵送液体的比重【将采用公制单位推导出的吸入能量乘以系数2033.07就等于美制单位推导出的吸入能量】。
确定吸入能量是一个非常复杂的过程，目前尚未开发出单一的方程式或关系式准确地将所有这些因素联系在一起。推荐的裕量比通常是泵的NPSHR值的1至5倍，较高的值适用于高/很高的吸入能量泵。
叶轮入口直径实际上是识别泵吸入能量级的一个最好的因素而不是泵入口管径。但对于泵用户来说更容易获得泵入口管径，而且该尺寸通常与叶轮入口直径密切相关。
对于大多数离心泵设计，吸入比转速值低于约135公制单位(7000美制单位)通常表示吸入能量低，而高于约385公制单位(20000美制单位)则被视为吸入能量高。
对于端吸泵，将吸入能量≥78700公制单位(160×106美制单位)定义为高吸入能量泵;对于卧式水平中开双吸泵，将吸入能量≥59000公制单位(120×106美制单位)定义为高吸入能量泵。很高吸入能量是高吸入能量值的1.5倍。为了便于估算，对于端吸型泵，可以假设叶轮入口直径大约是泵入口(法兰)通径的90%;而对于双吸中开泵，叶轮入口直径取泵入口(法兰)通径的75%。
5.2吸入能量对离心泵可靠性的影响
这种“吸入能量”概念的第一次大规模验证之一是将其应用于两个工业工厂的现场维修记录中，两个工厂共有100台端吸泵和中开泵。验证的结果是，随着“吸入能量”值的增加，泵的可靠性降低。
基于对数百台另外的离心泵的进一步经验发现，低吸入能量泵不会因汽蚀或内部回流而产生噪音、振动或损坏，只有少数例外情况。当处理磨蚀性或对泵结构材料有腐蚀性的液体时，即使这种低吸入能量汽蚀也会被放大而造成损坏。此外，在汽蚀气泡形成过程中，在非常低的NPSH裕量条件下，空气或蒸汽可能从液体中释放出来，对机械密封产生不利的影响。
具有高吸入能量和低NPSH裕量的泵，尤其是在入口回流范围内(低于泵AOR)运行时，可能会受到具有低抗汽蚀性的叶轮材料(例如铸铁)的噪音、振动和/或轻微汽蚀腐蚀损坏。
除了叶轮材料以外，有几个变量可以减轻高吸入能量条件下的汽蚀损坏。另外两个主要的缓解因素是：第一，夹带气体(空气)含量接近1%，例如纸浆和一些污水应用;第二，不会产生大的汽蚀气泡的液体(低热力学液体)，例如碳氢化合物和热水。
具有很高的吸入能量和较低的NPSH裕量的泵，特别是在入口回流范围内(低于泵AOR)运行时，即使使用不锈钢等抗汽蚀材料，也可能会受到高振动和腐蚀损坏。
6特定工况及核电站主要用泵NPSH裕量比/裕量的应用经验或要求
大量工程实践证明，高/很高吸入能量泵需要比当前工业标准推荐的更高的NPSH裕量比/裕量，特别是具有高/很高吸入能量的冷却塔水泵、核电站常规岛主给水泵等，上述文章中推荐的NPSH裕量比/裕量远远不能满足叶轮设计使用寿命要求。
6.1工业冷却塔水泵
针对工业冷却塔水泵，ANSI/HI 9.6.1标准中给出了推荐的最小NPSH裕量比。标准同时指出“高吸入比转速泵，在高入口流速下运行，可能会在振动较大的情况下发出噪音，如果没有足够的NPSH裕量，可能会出现低于最佳泵寿命的情况。”对于这种情况，不建议使用推荐的NPSH裕量值。
文献[8]~[10]对大型工业冷却塔上的六台大型全铸铁双吸中开泵进行了详细的分析研究，并发现：高/很高吸入能量泵需要比当前工业标准推荐的更高的NPSH裕量比。当确定泵具有较高的吸入能量时，如果泵吸入能量不能降低，则需要比标准中列出的更高的NPSH裕量。至少，应为其提供优质的叶轮材料或防汽蚀涂层，尽管这会导致更高的初始成本。
在没有上述缓解因素中的情况下，高吸入能量泵通常需要在AOR内具有1.5到2.0的最小NPSH裕量比;而对于很高吸入能量泵，在AOR范围内推荐的最小NPSH裕量比为2.0至2.5。
6.2百万机组核电站常规岛主给水及其它重要用泵
核电站主要用泵的特点是需要在频繁启动、测试模式、连续和瞬态条件下可靠地运行，文献[6]推荐的最小裕量比为2.0至2.5，而文献[2]却没有对该类用泵(如反应堆冷却剂泵、上充泵、安喷安注泵、凝结水泵及很高吸入能量的常规岛主给水泵等)NPSH裕量比/裕量给出具体规定。
主给水泵
该泵为单级双吸、径向剖分、蜗壳式泵，中心线支撑，通过齿轮箱(或液力偶合器)增速(或调速)来满足所需要的性能。其主要参数如下：
叶轮入口直径为0.375m(14.76英寸)，泵转速为5112 rpm，吸入比转速为188公制单位(9711美制单位)，介质的比重为0.8559。
则：吸入能量=0.375×5112×188×0.8859≈319275公制单位(649×106美制单位)
由于主给水泵泵型结构与卧式中开双吸泵结构近似(只是壳体剖分方式不同)，可参照上文中卧式水平中开双吸泵“高吸入能量泵”的定义，很显然，这是一个很高吸入能量的泵。
为了确保主给水泵在所有规定的运行工况内均不发生汽蚀，同时为了满足核电站对该泵60年的总体设计使用寿命要求，KSB公司在经过40多年的设计和运行经验后，总结出以NPSHi作为主给水泵的必需汽蚀余量，并据此选择前置泵的扬程，见图2。从图中可以看出，NPSH裕量比达到4以上。
图2-三种必需汽蚀余量对比及装置汽蚀余量选取图
其实，国际上对于NPSHi的研究较早，但真正应用于核电站工程实践的仅德国KSB一家。国内极个别同行认为图2中的NPSHi曲线与传统的汽蚀理论不符，是完全错误的，这只能说是缺少见识;还有人说NPSHi只是用于研究目的，实际工程应用没有意义。然而，德国KSB公司将NPSHi作为主给水泵的必须汽蚀余量(并据此选择前置泵扬程)、在经过大量工程实践验证后发现，叶轮(比通用泵采用常规的NPSH裕量比/裕量)具有更长的使用寿命-正常情况下可达到100000小时以上。
在此，需要重点说明的是：根据API610第11版的定义，主给水泵同时也属于高能泵(单级扬程大于200米，且单级功率大于225 kW的泵)。而API610第12版标准明确规定“对于高能泵……根据汽蚀初生(NPSHi)而不仅仅是一般的NPSH3来确定适当的NPSH裕量”。由此我们不得不承认：对于一些特殊用途的关键用泵，KSB公司在设计理念上的先进性。
反应堆冷却剂泵
规格书中推荐的(在AOR范围内)最小NPSH裕量比为2。
低压安注泵/安全壳喷淋泵(立式)
规格书通常要求在泵的运行流量保证点(一般为最大流量点)的NPSH裕量不小于0.2米。
上充泵(立式多级)/中压安注泵(卧式)
规格书要求NPSHR至少比NPSHA低10%，且NPSH裕量不小于0.5米。
凝结水泵
对于核电站常规岛VS6型凝结水泵，规格书中通常仅要求“在所有规定的运行范围内，不允许出现汽蚀”而未给出具体的NPSH裕量比/裕量。不过该泵要求执行GB/T16907-2014标准，标准规定“NPSHA应有比NPSHR大10%的裕量，且该裕量不得小于0.5米”。但在实际工程应用中，凝结水泵的NPSH裕量比/裕量不仅远超表2非核凝结水泵中规定的1.0和GB/T16907-2014标准(NPSH裕量通常在1.0米以上)，而且首级叶轮会采用抗汽蚀材料。
7总结
只有全面、正确地理解离心泵的汽蚀性能，才能科学合理地设计或选择出满足用户装置要求的产品。
连续运行时，汽蚀对泵的伤害最大。
在确定NPSH裕量时，应考虑实际工程应用经验及材料、管道损失、防止涡流所需的最小淹没深度、运行范围等因素。
NPSH裕量的确定，基于最低叶轮寿命的要求。
扬程下降3%作为汽蚀判别的开始可以满足通用寿命要求。即使泵的NPSHA大于NPSH3，也存在一定程度的汽蚀现象。其实，当第一只气泡产生时，汽蚀就已经发生，只是在不同吸入能量级的泵中所导致的损坏不同而已。
低吸入能量泵通常可以在NPSHR处或附近运行，除了扬程下降3%以外，几乎没有汽蚀问题。如果没有研磨剂或腐蚀剂，那么NPSH裕量比只需确保很少或没有因汽蚀而损失压头。在此条件下，最小NPSH裕量比为1.0~1.3就足够了。
对于高或很高吸入能量泵，如果存在缓解因素，则在AOR内具有1.1至1.5的最小NPSH裕量比就足够了。然而，对于冷水或温水应用，在AOR内的最小NPSH裕量比应在1.5至2.0的范围内。如果应用具有“很高”的吸入能量，则在AOR内最小NPSH裕量比至少为2.0至2.5。
从叶轮入口液体中排出的少量的夹带气体或溶解气体，可以在较低的NPSH裕量下消除高吸入能量泵的振动和噪音。
规定过高的NPSH裕量可能导致选择出非最佳的泵型，增加泵送设备、泵站和运行成本。
对于一些特定工况的应用，建议向泵制造商咨询有关适当的NPSH裕量。