裝卸鶴管氣阻與泵汽蝕分析具體說明

     裝卸鶴管氣阻與泵汽蝕分析具體說明，裝卸鶴管氣阻與泵汽蝕所指的對象不同，但兩者具有相同的物理意義，都是指當(dāng)液體介質(zhì)的絕對壓力小于其實時飽和蒸氣壓時所體現(xiàn)的物理現(xiàn)象。闡述了裝卸鶴管氣阻的原因及目前解決的措施，分析了離心泵汽蝕方程的物理意義。根據(jù)能量平衡方程，推導(dǎo)出吸入系統(tǒng)管道不發(fā)生氣阻的安裝高度方程，并與泵不發(fā)生汽蝕的安裝高度方程進行了對比分析。后得出結(jié)論，要保證離心泵正常工作，必須同時滿足吸入系統(tǒng)工藝管道安裝高度要求以及泵安裝高度要求。
1裝卸鶴管氣阻
1.1氣阻
     在管輸工藝中，氣阻通常指管道輸送液體介質(zhì)時，由于輸送介質(zhì)的氣化現(xiàn)象，形成氣液兩相流動，并造成不連續(xù)流或斷流的現(xiàn)象。在鐵路油槽車上部卸油工藝中，泵吸入系統(tǒng)處于負壓工作狀態(tài)(潛油泵裝卸鶴管除外),當(dāng)液體介質(zhì)的絕對壓力小于其實時飽和蒸氣壓時，液體蒸氣充滿整個管道截面積，發(fā)生氣阻，氣阻嚴(yán)重時導(dǎo)致斷流而無法卸油。
1.2裝卸鶴管氣阻的原因
     液體性質(zhì)是裝卸鶴管氣阻的內(nèi)因。車用汽油、航空汽油等輕質(zhì)油品，餾程溫度低，分子量小，氣化能力強，飽和蒸氣壓高，是造成裝卸鶴管氣阻的直接原因。
     環(huán)境溫度是裝卸鶴管氣阻的外部原因。隨著環(huán)境溫度升高，油品的溫度隨之升高，油品氣化能力增強，飽和蒸氣壓提高。工藝特點是裝卸鶴管氣阻的另一個外部原因。鐵路油槽車上部卸油工藝流程中，裝卸鶴管處于翻越段(點),液體經(jīng)過翻越段時不僅要克服摩阻損失，而且要克服翻越段相對油槽車液面的高差位能。因此，裝卸鶴管是泵吸入系統(tǒng)中發(fā)生氣阻的關(guān)鍵部位。
1.3裝卸鶴管氣阻的解決措施
     目前，用于克服裝卸鶴管氣阻的設(shè)備或方法有潛油泵裝卸鶴管、分層卸油裝置、油槽車密閉充氣加壓工藝、冷卻法及改造鐵路輕油槽車等。其中潛油泵裝卸鶴管能較好地消除裝卸鶴管氣阻，得到推廣使用，其它方法由于工藝配套不完善、技術(shù)不成熟以及效果不明顯、技術(shù)措施無法實現(xiàn)等原因，難以推廣使用。
2泵汽蝕
2.1汽蝕
     當(dāng)離心泵葉輪入口的液體壓力小于液體的飽和蒸氣壓時，液體開始氣化，出現(xiàn)蒸氣；同時在負壓狀態(tài)下溶解在液體中的氣體也相繼逸出，形成大量小氣泡。當(dāng)這些小氣泡隨液體進入葉輪高壓區(qū)時，便會在葉片表面附近被壓破而重新凝結(jié)，液體質(zhì)點就象無數(shù)小彈頭一樣，連續(xù)打擊在葉片表面上。這種高速沖擊，速度很快，頻率又高，葉片表面因疲勞破壞而形成機械剝蝕。若在氣泡內(nèi)還夾雜有活潑性氣體(如氧等),它們借助氣泡凝結(jié)時所放出的熱量，對葉片起化學(xué)腐蝕作用。這種液體的氣化、凝結(jié)、沖擊和腐蝕的綜合現(xiàn)象稱為泵的汽蝕。
     離心泵開始發(fā)生汽蝕時，汽蝕區(qū)域較小，對泵的正常工作沒有明顯的影響。但當(dāng)汽蝕發(fā)展到一定程度時，氣泡大量產(chǎn)生，泵內(nèi)液體的流動連續(xù)性遭到破壞，使泵發(fā)生振動和噪音，同時泵的流量、揚程和效率明顯下降，直至泵“抽空”斷流。
2.2汽蝕方程
     液體由泵入口至葉輪出口，壓力低的部位位于葉輪入口稍后的非工作面的K點(或K截面)處，如圖1所示。液體流過K點后，在葉片的作用下，液體的能量增加，壓力逐步提高。因此，只要葉輪內(nèi)低壓力處(K點，或K截面)的絕對壓力不小于液體的實時飽和蒸氣壓，即可避免離心泵發(fā)生汽蝕。
     由離心泵入口和葉輪內(nèi)低壓力處列能量平衡方程式，整理可得：P?/r+Vg/2g-P/r=λ?ν6/2g+λ?i/2g(1)當(dāng)K點壓力(p?)等于液體的實時飽和蒸氣壓(p?)時，離心泵發(fā)生汽蝕，可得汽蝕方程：P/r+vb/2g-P/r=λ?b/2g+λ?wi/2g(2)式(1)、(2)中，Pp——泵入口處的靜壓力，Pa;vp泵入口處液體的流速，m/s;w?——葉輪入口處液體的相對速度，m/s;λ,與葉輪入口幾何形狀有關(guān)的經(jīng)驗參數(shù)，取1.0～1.4;λ,與液體在葉片頭部繞流的情況有關(guān)的經(jīng)驗參數(shù)，取0.2～0.4;r——輸送液體的密度，kg/m3。式(2)左端稱為泵裝置有效汽蝕余量，表示單位質(zhì)量液體在泵入口處所具有的超過液體氣化壓力的富余能量，記為△h�！鱤。的大小決定于泵裝置的操作條件(如泵吸入罐壓力、吸入管道水力損失、液體性質(zhì)及液體溫度等),而與泵本身的結(jié)構(gòu)尺寸無關(guān)�！鱤。值越大，離心泵抗汽蝕能力越強。式(2)右端稱為泵必須的小汽蝕余量，表示液流從泵入口到葉輪內(nèi)低壓力處的全部能量損失，記為△h,�！鱤,與離心泵的吸入室和葉輪入口的幾何形狀以及泵的轉(zhuǎn)速和流量等因素有關(guān)�！鱤,是表征一臺泵本身抗汽蝕能力好壞的主要標(biāo)志，也是泵的一個重要性能參數(shù)，其值越小，離心泵越不易發(fā)生汽蝕。
3裝卸鶴管氣阻與泵汽蝕的水力分析
3.1泵吸入管道不發(fā)生氣阻的安裝高度
     如圖2所示的鐵路油槽車上部卸油工藝，由油槽車底部極限位置0—0截面與泵吸入管道任一點x—x截面列能量平衡方程：P/r+b/2g+Z?=p/r+2/2g+Z?+△h?-,(3)式中，pe——油槽車液面壓力，也即大氣壓力，Pa;v?——油槽車液面下降速度，可忽略；v,——計算點液體的流速，m/s;p?——為油槽車底部和管道計算點的標(biāo)高，m;△h?-;——由裝卸鶴管吸入口至管道計算點的水力損失，m。圖2中，A、B、C分別為裝卸鶴管或管道的拐彎點，D為泵入口法蘭處。顯然，管道B點和D點易發(fā)生氣阻。
圖2鐵路油槽車上部卸油工藝示意圖
     由式(3)可得管道計算點的絕對壓力：P/r=P/r+(Z?-Z)-v2/2g-△ho--(4)為保證泵吸入管道任一點不發(fā)生氣阻，計算點的絕對壓力應(yīng)不小于液體的實時飽和蒸氣壓，也即P?/r≥P/r,代入式(4)可得泵吸入管道任一點不發(fā)生氣阻的安裝高度：(Z-Z?)≤(Pa-P?)/r-v2/2g-△ho-(5)
3.2泵不發(fā)生汽蝕的安裝高度
     圖2鐵路油槽車上部卸油工藝示意圖離心泵不發(fā)生汽蝕的大安裝高度由下式確定21:AZ≤(P?-P?)/r-△h?-o-△h,(6)式(6)中，△Z——泵軸中心線至吸入液面的高度，m,正值表示泵軸中心線高于吸入液面，負值表示低于吸入液面；△h,——泵允許汽蝕余量，m。
4結(jié)論
     1)式(6)與式(5)的區(qū)別在于，式(6)考慮了由泵入口至葉輪內(nèi)低壓力處(K點)的能量損失(忽略速度頭),也即泵允許汽蝕余量△h,。
     2)式(6)給出了泵不發(fā)生汽蝕的大安裝高度，并沒有考慮泵吸入系統(tǒng)的整個工藝特點如起伏變化或翻越段(點),因此，泵吸入管道任一點是否發(fā)生氣阻應(yīng)由式(5)給出。
     3)為保證離心泵正常工作，必須同時滿足泵吸入管道安裝高度要求及泵安裝高度要求。