高能泵：一个重要的安全问题（上）
编者按
文章来源于WORLD PUMPS MAY 2011，介绍了“汽锁”现象的发生及其对高能泵（特别是输送高温热水高能泵）的影响、如何避免“汽锁”的发生等，并对泄漏阀进行了重点说明。文章不仅结合了工程实践经验，同时还带有一定的学术研究性质。由泵沙龙翻译整理、并进行小部分修改，仅供同行们参考。
泵沙龙注：
1）文中的“泄漏”阀应该是或类似于再循环管路中的最小流量阀；而“泄漏”系统应该是或相当于再循环系统。
2）文中的“高能泵”定义与API 610第11版标准不同。
前言
当入口管道压力过高或高能泵的转子卡住时，可能会出现灾难性故障。两者都可能是由于低流量保护未能及时采取行动造成的。Edward Grist博士指出，管道布置、泵设计和泄漏系统的设计对可能的故障风险具有极大的影响。
通过提供适当的低流量保护系统，可以很容易地将流量维持在正常使用期间保护离心泵免受损坏或性能损失所需的最小流量以上。在20世纪早期，低流量保护是通过一个“泄漏”阀的小旁通流量实现的，该阀被认为足以防止“过热”。当这些系统中的阀门无法打开时，泵经常被卡住。
1970年代，很少有泵被归类为“高能泵”。当时，最大规格、最大功率的泵是用于发电站给水或深井排水泵。这些泵通常由电动机直接驱动，转速一般低于3600 rpm，功率低于2000 kW。在零流量下，在五只或更多叶轮级内有大量搅拌液体。由于低流量保护系统响应时间较长或失效，因此通常会导致转子卡滞。
当电站泵以高达7500 rpm的转速运行时，只需要2级或3级叶轮驱动机功率便高达2000 kW，大大缩短了对低流量保护故障的响应时间。这些泵需要低流量保护的响应时间在1秒内就起作用，而它们的前辈则需要15秒或更长时间。在这个较短的时间范围内，操作员根本无法干预或消除驱动机能量。
这样，就出现了一个重要的安全问题。在以低流量保护动作过慢或根本无法动作为特征的故障条件下，存在严重损坏泵内部零部件的风险。运行记录表明，当构成定子和转子之间内部水力间隙的部件损坏时，无法在蒸汽锁定（vapour-locked）状态下运行的泵，可能会导致极其昂贵的维修费用。具有汽锁运行能力的泵可避免此类故障。然而，所有高能泵，尤其是那些具有汽锁能力的泵，都有可能产生非常高的入口管压力。泵组和管道设计的某些组合显著增加了导致压力容器故障的可能性，这是一种不可接受的灾难性事件。
在非常低或零流量下，几乎可以瞬间形成大量的蒸汽，同时几乎总是伴随着剧烈的汽蚀冲击。显然，只有了解和处理与低流量保护失效相关的风险，才能获得与高能泵相关的故障解决方案。
注：高能泵定义为“Pipichum”值为100 kW/kg或以上的泵，其中，
对于安全评估，谨慎的做法是包括Pipichum值大于10的泵均建议进行。
汽锁现象
在高能泵中绝对无法避免汽锁运行。汽锁运行的主要原因是低流量保护系统未能及时工作。记录显示这是一个非常罕见的事件。然而，它可能而且确实发生了。
当通过泵的流量非常低时，叶轮内部和周围的搅拌流体内产生的热量会积聚。
在瞬态条件下，汽蚀会发展并迅速扩大。最终，叶轮被蒸汽锁定。在多级泵中，蒸汽体积不断增大，直到入口叶轮产生的扬程坍塌。这会立即导致后续级叶轮产生的扬程坍塌，泵会被蒸汽锁定。
设计用于汽锁运行的泵，其叶轮可在蒸汽中运行。发出的噪音被描述为“一种温和且不令人不快的警报声”。当然，搅动低密度流体所需的功率大大降低。因此，会出现一个相对良好的运行工况，尽管泵内的温度稳步上升，但速度要慢得多。从理论上讲，这种情况可能会持续下去，直到泵内的功率损失与泵外部环境的热损失相平衡。实际上，早在这种情况发生之前，泵的功能就会受到挑战，因为制造泵的材料会膨胀和变形。这会导致内部运行间隙发生变化，轴对中超出规定的限值，有时还会导致泵承压壳体变形。
从结构设计上可确保泵能够轻松承受数分钟的蒸汽锁定。该特性可通过工程（应用）测试证明，可提供充足的时间使泵停止运行而不受损坏。在这些最极端的运行条件下，及时采取措施意味着泵始终可以安全停机。
吸入管回流限制
泵入口前管道布置对潜在后果的严重程度有很大影响。在通过入口回流受到限制的系统（例如止回阀）中，泵中及其附近管道系统内的流体可能被困住（图1）。通常，当吐出管线关闭（例如，在泵启动或停机期间）且低流量保护装置无法动作时，就会发生这种情况。被困流体的加热导致压力的迅速上升，特别是在被困体积较小的布置中。在这种情况下，通过轴密封等的泄漏路径只能提供少量缓解。大多数泵送液体，包括除氧水，在这种情况下实际上是不可压缩的。图1显示了限制回流的典型管道布置。图2显示了可以在不到1秒的时间内达到的非常高的压力。
图1 - 低流量保护系统（限制回流的吸入管）
图2 - 泵吸入管压力测试（入口管回流为零）
被困流体加热过程中产生的工况是非常复杂的。一旦叶轮被蒸汽锁定，随着温度的升高，汽蚀可能发生的程度与限制被困流体的几何形状导致的压力增加之间的平衡进一步复杂化。
在高能泵中观察到汽蚀喘振。在低流量运行的电站给水泵中，这种冲击的剧烈程度非常显著。重约50吨、安装在平台上的泵和机械以3 Hz的频率振动。
汽蚀喘振的特点是入口叶轮中的动量变化较大。这会在轴向推力的大小上产生相应的动态响应。带有外部推力轴承的泵可以测量轴向负荷的变化，从而提供一种检测喘振现象并远程采取补救措施的方法。
随着泵叶轮入口处空腔的不断增大，在达到汽锁条件之前，被困体积中的压力可能达到出口止回阀动作的值，如图2所示（即，大于该阀下游的压力）。过去，入口管道系统的设计很少考虑到这种可能性。显然，如果达到的压力超过泵或管道系统的保压能力，则会导致灾难性故障。
对文献的搜索，没有发现任何由于高能泵中的低流量保护系统故障引起的入口管道故障的记录。然而，作者在给水泵进水管道系统发生故障后不久即到现场，该故障被确定为是由另一原因引起的。进水管道故障的结果如图3所示。高温水逸出时释放的巨大作用力容易扭曲钢制进水管。见过一次就忘不了。
图3 - 给水泵进水管严重故障
当泵送液体为热给水时，随着逸出的蒸汽/水混合物的膨胀，管道故障会伴随着大规模爆炸。对于不幸在这种爆炸附近的人员来说，后果是致命的。
计算进水管所能达到的最大压力需要知道：
1）泵送液体开始时的输入功率；
2）变为泵送蒸汽的蒸汽体积；
3）泵送蒸汽时的输入功率；和
4）从出现蒸汽到停机所经历的时间。
即使上述数据都有，也没有计算进水管道增压程度的通用方法。由于泵送液体性质、进水管道结构形状以及最重要的是，当汽锁后立即显著减少快速增长时，缺乏对特定叶轮所达到的空腔容积进行量化的能力，因此结果会出现很大差异。
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