蝸殼式混流泵汽蝕試驗(yàn)檢測技術(shù)研究

一、檢測原理

汽蝕是當(dāng)泵內(nèi)局部壓力降低至被輸送液體在該溫度下的飽和蒸汽壓時，液體發(fā)生汽化，產(chǎn)生氣泡，隨后氣泡在高壓區(qū)潰滅，引發(fā)噪聲、振動、性能下降并導(dǎo)致過流部件材料損壞的物理現(xiàn)象。汽蝕試驗(yàn)的核心原理在于通過改變泵入口系統(tǒng)的裝置汽蝕余量（NPSHa），觀測泵性能參數(shù)的變化，從而確定其抗汽蝕能力的關(guān)鍵指標(biāo)——必需汽蝕余量（NPSHr）。

1. 臨界汽蝕余量（NPSHc）的確定原理：在恒定流量和轉(zhuǎn)速下，通過逐步降低NPSHa（通常采用在泵入口管路增設(shè)節(jié)流裝置，如真空泵或調(diào)節(jié)閥門，以降低入口壓力），泵的揚(yáng)程或效率會因汽蝕的發(fā)生而開始下降。公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)（如ISO、GB）通常將揚(yáng)程下降達(dá)到特定值（如3%）或揚(yáng)程-斷裂工況發(fā)生時對應(yīng)的NPSHa值，定義為該流量下的NPSHc。NPSHc是泵本身抗汽蝕能力的表征，其值越低，表明泵的抗汽蝕性能越好。

2. 能量守恒與相似原理：汽蝕試驗(yàn)遵循流體機(jī)械的能量守恒定律。同時，基于相似理論，對于幾何相似的泵，在相似工況下，其汽蝕比轉(zhuǎn)速（C或S）是一個常數(shù)，是評價不同泵型抗汽蝕性能的綜合無量綱數(shù)，其值越大，抗汽蝕性能越優(yōu)。

二、檢測項(xiàng)目

汽蝕試驗(yàn)檢測項(xiàng)目系統(tǒng)性地分為性能監(jiān)測項(xiàng)目與狀態(tài)監(jiān)測項(xiàng)目。

1. 性能監(jiān)測項(xiàng)目：

   • 揚(yáng)程-汽蝕余量關(guān)系曲線：核心檢測項(xiàng)目。記錄在不同NPSHa下泵的揚(yáng)程，繪制H-NPSHa曲線，用于確定NPSHc。

   • 效率-汽蝕余量關(guān)系曲線：記錄在不同NPSHa下泵的效率，繪制η-NPSHa曲線，分析汽蝕對能量轉(zhuǎn)換效率的影響。

   • 功率-汽蝕余量關(guān)系曲線：輔助分析項(xiàng)目，觀察汽蝕發(fā)展過程中軸功率的變化情況。

   • 流量穩(wěn)定性監(jiān)測：在試驗(yàn)過程中，必須保持流量恒定，監(jiān)測其波動情況，確保試驗(yàn)條件的準(zhǔn)確性。

2. 狀態(tài)監(jiān)測項(xiàng)目：

   • 噪聲與振動監(jiān)測：汽蝕初生和發(fā)展會伴隨寬頻帶噪聲和振動水平的顯著增高。通過加速度計和聲級計監(jiān)測泵殼或軸承座的振動速度、位移以及特定頻段的噪聲，可作為汽蝕初生的輔助判據(jù)。

   • 可視化觀測（如適用）：對于具備透明觀察窗的試驗(yàn)臺，可采用高速攝影直接觀測葉輪入口處氣泡的生成、發(fā)展和潰滅過程。

三、檢測范圍

蝸殼式混流泵因其大流量、中低揚(yáng)程的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于對汽蝕性能有嚴(yán)苛要求的領(lǐng)域，其汽蝕試驗(yàn)覆蓋以下行業(yè)：

1. 水利工程與農(nóng)田灌溉：大型泵站（如軸流泵、混流泵站）是試驗(yàn)的對象。要求泵在汛期低水位工況下仍能穩(wěn)定運(yùn)行，NPSHr必須遠(yuǎn)低于NPSHa，防止汽蝕導(dǎo)致停機(jī)。

2. 城市供水與排水：用于自來水廠取水泵房、市政雨水及污水提升泵站。介質(zhì)可能含有微量雜質(zhì)，試驗(yàn)需考慮其對汽蝕初生的潛在影響。

3. 工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)：火力發(fā)電、核電、石化、冶金等行業(yè)的循環(huán)冷卻水泵，其可靠性直接關(guān)系到主機(jī)的安全運(yùn)行。試驗(yàn)要求極為嚴(yán)格，通常要求在NPSHa留有充分裕量。

4. 船舶與海洋工程：用作船舶壓載泵、冷卻水泵、艙底泵等。由于安裝空間受限，吸入條件往往不佳，對泵的抗汽蝕性能要求極高。

5. 能源領(lǐng)域：在抽水蓄能電站中，水泵水輪機(jī)在水泵工況下的汽蝕性能是關(guān)鍵考核指標(biāo)，其試驗(yàn)規(guī)模龐大，技術(shù)復(fù)雜。

四、檢測標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對汽蝕試驗(yàn)的方法、精度和評判準(zhǔn)則均有詳細(xì)規(guī)定。

1. 標(biāo)準(zhǔn)：

   • ISO 9905:2011《回轉(zhuǎn)動力泵 水力性能驗(yàn)收試驗(yàn) 1級和2級》和ISO 9906:2012《回轉(zhuǎn)動力泵 水力性能驗(yàn)收試驗(yàn) 3級》是通用的標(biāo)準(zhǔn)。它們詳細(xì)規(guī)定了試驗(yàn)裝置、測量不確定度以及NPSHc的判定準(zhǔn)則（通常為揚(yáng)程下降3%）。

   • HI 9.6.1-2017（美國水力學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)）也廣泛采用，其原理與ISO標(biāo)準(zhǔn)基本一致。

2. 中國標(biāo)準(zhǔn)：

   • GB/T 3216-2016《回轉(zhuǎn)動力泵 水力性能驗(yàn)收試驗(yàn) 1級、2級和3級》等效采用ISO 9906:2012，是我國現(xiàn)行的核心標(biāo)準(zhǔn)。

   • GB/T 18149-2017《離心泵、混流泵和軸流泵 水力性能試驗(yàn)規(guī)范》也對汽蝕試驗(yàn)有補(bǔ)充性規(guī)定。

3. 標(biāo)準(zhǔn)對比分析：

   • 一致性：國內(nèi)外主流標(biāo)準(zhǔn)在基本原理、試驗(yàn)方法和關(guān)鍵參數(shù)（如3%揚(yáng)程下降判據(jù)）上高度一致。

   • 差異性：主要差異體現(xiàn)在對測量儀表精度、試驗(yàn)回路不確定度評估的嚴(yán)格程度上。ISO 9905/GB/T 3216中的1級精度要求高，適用于科研和重要合同的驗(yàn)收；2級和3級精度要求逐級放寬，適用于一般工業(yè)應(yīng)用。部分行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如船用、核電）可能會在國標(biāo)基礎(chǔ)上提出更嚴(yán)格的附加要求。

五、檢測方法

主要檢測方法為閉式試驗(yàn)臺法和開式試驗(yàn)臺法。

1. 閉式試驗(yàn)臺法：

   • 原理：在封閉循環(huán)管路中，通過調(diào)節(jié)真空泵或充壓裝置，改變回路中的絕對壓力，從而實(shí)現(xiàn)NPSHa的調(diào)節(jié)。

   • 操作要點(diǎn)：系統(tǒng)需具有良好的密封性；試驗(yàn)前必須對系統(tǒng)進(jìn)行充分排氣，確保無游離氣體存在；溫度和壓力的測量需精確，用于計算液體的飽和蒸汽壓。該方法環(huán)境控制精確，受外界影響小，是實(shí)驗(yàn)室和工廠首選的精確試驗(yàn)方法。

2. 開式試驗(yàn)臺法：

   • 原理：利用泵從敞開的水池中吸水，通過調(diào)節(jié)進(jìn)口管路上的閥門開度來增加管路損失，從而降低泵入口處的壓力。

   • 操作要點(diǎn)：需要保證進(jìn)口水池有足夠的容量和穩(wěn)定的水位；進(jìn)口管路應(yīng)盡可能短而直，減少不必要的局部損失；該方法更接近現(xiàn)場實(shí)際工況，但控制精度和穩(wěn)定性通常低于閉式試驗(yàn)臺。

3. 試驗(yàn)操作流程要點(diǎn)：

   • 在額定轉(zhuǎn)速和數(shù)個恒定流量點(diǎn)（通常包括小流量、額定流量、大流量）下進(jìn)行。

   • 從NPSHa遠(yuǎn)大于預(yù)期NPSHc的工況開始，穩(wěn)定后記錄所有參數(shù)。

   • 逐步、平緩地降低NPSHa（如每次降低0.1~0.2m），在每個新工況點(diǎn)穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，直至揚(yáng)程出現(xiàn)明顯斷裂或達(dá)到預(yù)定的下降值。

   • 整個過程中，必須嚴(yán)格監(jiān)控并保持轉(zhuǎn)速和流量的恒定。

六、檢測儀器

1. 壓力測量：

   • 壓力變送器/傳感器：用于泵進(jìn)出口壓力的測量。要求精度高（通常優(yōu)于±0.1%FS）、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快。進(jìn)口壓力測量對NPSHa計算至關(guān)重要，應(yīng)緊靠泵法蘭安裝。

   • 絕對壓力變送器：用于測量閉式試驗(yàn)臺穩(wěn)壓罐內(nèi)的絕對壓力或開式試驗(yàn)臺的大氣壓力，精度要求同壓力傳感器。

2. 流量測量：

   • 電磁流量計：常用，無壓損，精度高（可達(dá)±0.2%），線性度好，但要求介質(zhì)具有低電導(dǎo)率。

   • 渦輪流量計：精度高，但對介質(zhì)清潔度要求高，且會產(chǎn)生一定壓損。

   • 超聲波流量計：為非接觸式測量，安裝方便，適用于現(xiàn)場測試，但其精度受管路條件、流體性質(zhì)影響較大。

3. 轉(zhuǎn)速與功率測量：

   • 轉(zhuǎn)速傳感器：采用磁電式或光電式編碼器，與泵軸相連，精度需達(dá)±0.1%以內(nèi)。

   • 扭矩儀/功率分析儀：用于直接測量泵軸的輸入扭矩和轉(zhuǎn)速，從而計算軸功率。這是精確的功率測量方式，精度可達(dá)±0.2%。

4. 輔助監(jiān)測儀器：

   • 振動傳感器：壓電式加速度計，用于監(jiān)測泵軸承或殼體振動。

   • 聲級計：用于測量泵周圍特定距離的噪聲水平。

   • 溫度傳感器：鉑電阻（PT100）用于精確測量介質(zhì)溫度。

七、結(jié)果分析與評判標(biāo)準(zhǔn)

1. 數(shù)據(jù)處理：

   • 根據(jù)原始數(shù)據(jù)（壓力、流量、轉(zhuǎn)速、扭矩、溫度）計算出各工況點(diǎn)的揚(yáng)程（H）、軸功率（P）、效率（η）和裝置汽蝕余量（NPSHa）。

   • 繪制H-NPSHa、η-NPSHa等曲線。

2. NPSHc的判定：

   • 揚(yáng)程下降法：在H-NPSHa曲線上，找到比無汽蝕揚(yáng)程下降ΔH（通常ΔH=3%×H0，H0為無汽蝕揚(yáng)程）的點(diǎn)，該點(diǎn)對應(yīng)的NPSHa即為NPSHc。這是標(biāo)準(zhǔn)方法。

   • 揚(yáng)程斷裂法：在曲線上找到揚(yáng)程開始急劇下降的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，作為NPSHc。此法主觀性較強(qiáng)，多用于初步判斷。

3. 性能評判標(biāo)準(zhǔn)：

   • 基本要求：在合同或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的運(yùn)行范圍內(nèi)，泵的NPSHr（通常取NPSHc加上一個安全裕量，或直接以NPSHc作為NPSHr）必須小于現(xiàn)場的NPSHa，即 NPSHa ≥ NPSHr + 安全裕量。安全裕量通常為0.5~1.5米或取NPSHr的某一百分比（如10%~20%），具體取決于應(yīng)用的重要性。

   • 汽蝕比轉(zhuǎn)速評判：計算泵的汽蝕比轉(zhuǎn)速S值，與同類優(yōu)秀產(chǎn)品進(jìn)行對比，S值越高表明水力設(shè)計抗汽蝕性能越好。

   • 狀態(tài)參數(shù)評判：分析振動和噪聲數(shù)據(jù)。在NPSHc附近，振動和噪聲水平應(yīng)有顯著躍升。若在NPSHa遠(yuǎn)大于NPSHc時即出現(xiàn)異常振動和噪聲，可能預(yù)示其他機(jī)械問題或初生汽蝕。

4. 試驗(yàn)不確定度分析：按照GB/T 3216或ISO 9905的要求，對所有測量儀器的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差進(jìn)行合成，給出關(guān)鍵性能參數(shù)（如效率、NPSHr）的終不確定度，這是判定試驗(yàn)結(jié)果是否滿足驗(yàn)收等級（1級、2級、3級）的依據(jù)。