装卸鹤管气阻与泵汽蚀分析具体说明

     装卸鹤管气阻与泵汽蚀分析具体说明，装卸鹤管气阻与泵汽蚀所指的对象不同，但两者具有相同的物理意义，都是指当液体介质的绝对压力小于其实时饱和蒸气压时所体现的物理现象。阐述了装卸鹤管气阻的原因及目前解决的措施，分析了离心泵汽蚀方程的物理意义。根据能量平衡方程，推导出吸入系统管道不发生气阻的安装高度方程，并与泵不发生汽蚀的安装高度方程进行了对比分析。后得出结论，要保证离心泵正常工作，必须同时满足吸入系统工艺管道安装高度要求以及泵安装高度要求。
1装卸鹤管气阻
1.1气阻
     在管输工艺中，气阻通常指管道输送液体介质时，由于输送介质的气化现象，形成气液两相流动，并造成不连续流或断流的现象。在铁路油槽车上部卸油工艺中，泵吸入系统处于负压工作状态(潜油泵装卸鹤管除外),当液体介质的绝对压力小于其实时饱和蒸气压时，液体蒸气充满整个管道截面积，发生气阻，气阻严重时导致断流而无法卸油。
1.2装卸鹤管气阻的原因
     液体性质是装卸鹤管气阻的内因。车用汽油、航空汽油等轻质油品，馏程温度低，分子量小，气化能力强，饱和蒸气压高，是造成装卸鹤管气阻的直接原因。
     环境温度是装卸鹤管气阻的外部原因。随着环境温度升高，油品的温度随之升高，油品气化能力增强，饱和蒸气压提高。工艺特点是装卸鹤管气阻的另一个外部原因。铁路油槽车上部卸油工艺流程中，装卸鹤管处于翻越段(点),液体经过翻越段时不仅要克服摩阻损失，而且要克服翻越段相对油槽车液面的高差位能。因此，装卸鹤管是泵吸入系统中发生气阻的关键部位。
1.3装卸鹤管气阻的解决措施
     目前，用于克服装卸鹤管气阻的设备或方法有潜油泵装卸鹤管、分层卸油装置、油槽车密闭充气加压工艺、冷却法及改造铁路轻油槽车等。其中潜油泵装卸鹤管能较好地消除装卸鹤管气阻，得到推广使用，其它方法由于工艺配套不完善、技术不成熟以及效果不明显、技术措施无法实现等原因，难以推广使用。
2泵汽蚀
2.1汽蚀
     当离心泵叶轮入口的液体压力小于液体的饱和蒸气压时，液体开始气化，出现蒸气；同时在负压状态下溶解在液体中的气体也相继逸出，形成大量小气泡。当这些小气泡随液体进入叶轮高压区时，便会在叶片表面附近被压破而重新凝结，液体质点就象无数小弹头一样，连续打击在叶片表面上。这种高速冲击，速度很快，频率又高，叶片表面因疲劳破坏而形成机械剥蚀。若在气泡内还夹杂有活泼性气体(如氧等),它们借助气泡凝结时所放出的热量，对叶片起化学腐蚀作用。这种液体的气化、凝结、冲击和腐蚀的综合现象称为泵的汽蚀。
     离心泵开始发生汽蚀时，汽蚀区域较小，对泵的正常工作没有明显的影响。但当汽蚀发展到一定程度时，气泡大量产生，泵内液体的流动连续性遭到破坏，使泵发生振动和噪音，同时泵的流量、扬程和效率明显下降，直至泵“抽空”断流。
2.2汽蚀方程
     液体由泵入口至叶轮出口，压力低的部位位于叶轮入口稍后的非工作面的K点(或K截面)处，如图1所示。液体流过K点后，在叶片的作用下，液体的能量增加，压力逐步提高。因此，只要叶轮内低压力处(K点，或K截面)的绝对压力不小于液体的实时饱和蒸气压，即可避免离心泵发生汽蚀。
     由离心泵入口和叶轮内低压力处列能量平衡方程式，整理可得：P?/r+Vg/2g-P/r=λ?ν6/2g+λ?i/2g(1)当K点压力(p?)等于液体的实时饱和蒸气压(p?)时，离心泵发生汽蚀，可得汽蚀方程：P/r+vb/2g-P/r=λ?b/2g+λ?wi/2g(2)式(1)、(2)中，Pp——泵入口处的静压力，Pa;vp泵入口处液体的流速，m/s;w?——叶轮入口处液体的相对速度，m/s;λ,与叶轮入口几何形状有关的经验参数，取1.0～1.4;λ,与液体在叶片头部绕流的情况有关的经验参数，取0.2～0.4;r——输送液体的密度，kg/m3。式(2)左端称为泵装置有效汽蚀余量，表示单位质量液体在泵入口处所具有的超过液体气化压力的富余能量，记为△h。△h。的大小决定于泵装置的操作条件(如泵吸入罐压力、吸入管道水力损失、液体性质及液体温度等),而与泵本身的结构尺寸无关。△h。值越大，离心泵抗汽蚀能力越强。式(2)右端称为泵必须的小汽蚀余量，表示液流从泵入口到叶轮内低压力处的全部能量损失，记为△h,。△h,与离心泵的吸入室和叶轮入口的几何形状以及泵的转速和流量等因素有关。△h,是表征一台泵本身抗汽蚀能力好坏的主要标志，也是泵的一个重要性能参数，其值越小，离心泵越不易发生汽蚀。
3装卸鹤管气阻与泵汽蚀的水力分析
3.1泵吸入管道不发生气阻的安装高度
     如图2所示的铁路油槽车上部卸油工艺，由油槽车底部极限位置0—0截面与泵吸入管道任一点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——油槽车液面压力，也即大气压力，Pa;v?——油槽车液面下降速度，可忽略；v,——计算点液体的流速，m/s;p?——为油槽车底部和管道计算点的标高，m;△h?-;——由装卸鹤管吸入口至管道计算点的水力损失，m。图2中，A、B、C分别为装卸鹤管或管道的拐弯点，D为泵入口法兰处。显然，管道B点和D点易发生气阻。
图2铁路油槽车上部卸油工艺示意图
     由式(3)可得管道计算点的绝对压力：P/r=P/r+(Z?-Z)-v2/2g-△ho--(4)为保证泵吸入管道任一点不发生气阻，计算点的绝对压力应不小于液体的实时饱和蒸气压，也即P?/r≥P/r,代入式(4)可得泵吸入管道任一点不发生气阻的安装高度：(Z-Z?)≤(Pa-P?)/r-v2/2g-△ho-(5)
3.2泵不发生汽蚀的安装高度
     图2铁路油槽车上部卸油工艺示意图离心泵不发生汽蚀的大安装高度由下式确定21:AZ≤(P?-P?)/r-△h?-o-△h,(6)式(6)中，△Z——泵轴中心线至吸入液面的高度，m,正值表示泵轴中心线高于吸入液面，负值表示低于吸入液面；△h,——泵允许汽蚀余量，m。
4结论
     1)式(6)与式(5)的区别在于，式(6)考虑了由泵入口至叶轮内低压力处(K点)的能量损失(忽略速度头),也即泵允许汽蚀余量△h,。
     2)式(6)给出了泵不发生汽蚀的大安装高度，并没有考虑泵吸入系统的整个工艺特点如起伏变化或翻越段(点),因此，泵吸入管道任一点是否发生气阻应由式(5)给出。
     3)为保证离心泵正常工作，必须同时满足泵吸入管道安装高度要求及泵安装高度要求。