鹤管气阻与泵汽蚀的对比分析

长期以来,鹤管气阻与泵汽蚀一直困扰着众多石油化工企业,尽管人们在实践中找到一些行之有效的解决办法,但仍有不少同志对这两个问题认识不清。主要表现在对其发生的机理不清楚,知其然不知其所以然; 甚至出现一些错误的观点,有人认为两者发生的部位不同,没有关联,完全是两回事; 有人则认为,两者形成机理相同,联系紧密,解决了任一个,另一个也就解决了。针对这种情况,笔者认为很有必要对两者进行对比分析,以利于澄清错误认识,更好解决鹤管气阻与泵汽蚀问题。

目前,国内铁路轻油槽车均采用上部卸油法即利用鹤管从油槽车上部将油料卸下。鹤管中的油料在负压状态下流动,其最高点的压力最小。当鹤管最高点的压力等于或小于油料的汽化压强时,油料即开始汽化,汽化严重时,在鹤管的最高处形成大量油蒸汽,阻塞液流,这种现象称为气阻。在我国南方地区高温季节以及西北高原地区 ( 海拔高,气压低) ,接卸车用汽油 ( 汽化压强大) 时,气阻现象十分常见,导致油槽车中油料无法接卸。

首先进行气阻校核,校核公式如下[2]:

式中: [hx]max——鹤管不发生气阻时,从鹤管最高点至油槽车液面的最大垂直高度,m

pa——当地大气压,Pa

γ——输送油料的重度,N / m3

pv——输送油料在当地最高油温下的汽化压强,Pa

v鹤——鹤管中油料的流速,m/s

g——重力加速度,9. 81 m / s2

hw——鹤管ac段的水头损失,m

由图1可以看出,鹤管最易发生气阻的位置在C点。利用公式( 1) 可以计算出,当地最高油温下,鹤管流量最大时,不发生气阻的[hx]max( 从鹤管最高点至油罐车液面的最大垂直高度) 。若[hx]max≥ab ( ab为鹤管最高点至油罐车底部的垂直高度,鹤管型号不同数值亦不相同) ,接卸油料时不发生气阻; 若[hx]max< ab,可能会发生气阻,需要进一步校核,确定发生气阻的最低油温。令[hx]max= ab代入公式( 1) ,求出不发生气阻时油料的最大汽化压力pv的值,再查出其对应的油温,就是不发生气阻的最高油温,即发生气阻的最低油温。若当天的油温低于该温度,可以判断不会发生气阻,无须采取任何措施; 若当天的油温高于该温度,肯定会发生气阻,必须采取相应措施消除气阻。

通过以上分析,不难得出以下结论: 只要保证[hx]max≥ ab,即可消除气阻。而ab的值是由鹤管的型号决定的,因此, 从避免气阻发生的角度来说,我们购买鹤管时,尽量选择ab数值较小的。鹤管一旦确定,我们只能尽量增大[hx]max的值。 分析公式( 1) 可以看出,能够通过增大pa,减小pv、v鹤及hw来增大[hx]max的值。因此消除鹤管气阻的措施主要以下三类:

密闭充气加压卸油法,有相关专利产品,但操作起来较麻烦,没有推广开来; 潜油泵卸油法,有气动、液动及电动潜油三种,目前液动潜油泵使用较为广泛。

夜间或凌晨卸油( 使用较多) 、人工冷却油罐车、混油降油温、倒序混层卸油等。

关小泵的排出阀、降低电机转速及增加同时收油的鹤管数量等,该类措施效果不太显著,大都作为辅助手段与其它措施配合使用。

泵吸入系统中的液体在负压状态下流动时,一旦某处的绝对压力等于或小于其汽化压强时,就会发生汽化,溶解在液体的气体也会同时逸出,形成气液混合体。气液混合体流至叶轮出口时,压力增大,在高压作用下气泡迅速凝结而破裂,气泡周围的液体质点高速冲向气泡占据的空间,可使局部压力高达几百个大气压,冲击频率高达600 ~ 1000次/s,高压频繁作用在金属表面,使金属产生局部疲劳现象,薄弱部分的晶粒首先剥落,产生裂缝,裂缝的产生导致应力更加集中,坚固的晶粒也随之剥落,流道材料受到严重破坏,这种破坏现象称为机械剥蚀。另外,由液体中逸出的氧气等活泼气体,借助气泡凝结时放出的热量,对金属还起着化学腐蚀作用。通常把气泡的形成、发展、破裂及金属受到破坏的全过程称为汽蚀现象[3]。

泵汽蚀的危害主要有三项。一是产生噪音与振动,因为汽蚀本身就是一个脉动过程; 二是金属材料受到严重破坏,主要由机械剥蚀与化学腐蚀造成; 三是泵的性能曲线大幅下降,严重时无法工作。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影响。这种尚未影响到泵外部性能时的汽蚀称为 “潜伏汽蚀”。泵长期在 “潜伏汽蚀”工况下工作时,泵的材料仍要受到破坏,影响它的使用寿命[4]。

当泵的有效汽蚀余量大于必需汽蚀余量时,一定不会发生汽蚀; 反之则肯定会发生汽蚀。因此,消除泵汽蚀的主要措施有两类即提高泵有效汽蚀余量的措施及降低必需汽蚀余量的措施。

具体措施有合理确定泵的几何安装高度、减少吸入管路的水力损失、在吸入系统安装低速前置泵、装置诱导轮、采用双重翼叶轮等。泵用户使用较多的措施是通过缩短吸入管路长度、减少局部附件达到降低吸入管路阻力的目的。

具体措施有首级叶轮采用双吸、降低叶轮入口部分液体的流速、选择适当的叶片数和冲角、叶片在叶轮入口处延伸布置、适当增大叶轮前盖板处液流转弯半径等。该类措施通常由泵制造商来完成。

采用抗机械剥蚀、化学腐蚀性能强的材料如不锈钢、合金、陶瓷制造叶轮或过流部件,使用超汽蚀泵。

鹤管气阻发生在鹤管最高点压力最低处; 泵汽蚀起源于泵内压力最低点,结束于泵内高压区。

鹤管气阻发生的机理是鹤管最高点的绝对压力等于或小于油料的汽化压强,油料即开始汽化,汽化严重时,在鹤管的最高处形成大量油蒸汽,阻塞液流,产生气阻; 泵汽蚀形成的机理是泵内低压区产生的气泡进入高压区后,发生机械剥蚀与化学腐蚀,使泵内金属材料受到破坏,产生振动和噪音,同时泵的流量、扬程和效率明显下降,直至泵 “抽空”断流。

鹤管气阻导致油罐车下部油料无法接卸,影响油料供应, 造成压车,影响铁路运输,产生一定的经济损失; 泵长期在 “潜伏汽蚀”工况下工作时,泵的材料仍要受到破坏,影响它的使用寿命,当汽蚀发展到一定程度时,泵发生振动和噪音, 流道材料受到严重破坏,同时泵的流量、扬程和效率明显下降,直至泵 “抽空”断流。

鹤管气阻的防治措施首先要判断是否会发生鹤管气阻,针对可能发生气阻的状况可以采用增大油罐车自由液面的压强, 降低输送介质汽化压强,减小鹤管内液体流速及水力损失等措施; 泵汽蚀的防治措施主要有提高泵的有效汽蚀余量,降低泵的必需汽蚀余量及其他措施等。

两者均发生在泵的吸入系统内,输送介质压力低于其汽化压强处。

两者均会产生汽化现象,两者均与当地大气压、输送介质的汽化压强及流量有关,当地大气压越低,输送介质的汽化压强越高,流量越大,两者发生的概率越大。

鹤管最高点处油料开始汽化,未形成气阻时,其产生的气泡随油料流进泵内会形成 “潜伏汽蚀”,泵长期在 “潜伏汽蚀” 工况下工作时,泵的材料仍要受到破坏,影响它的使用寿命。

两者均可以采取增大油罐车自由液面的压强,降低输送介质汽化压强,减小流量的防治措施。例如,采用潜油泵卸油、 降低输送介质液温、降低泵电机转速的方法都可以有效地解决鹤管气阻与泵汽蚀问题。

鹤管气阻与泵汽蚀是石油管道运输中十分常见的故障,它们在发生部位、形成机理、产生危害及防治措施等诸多方面, 既有区别又有联系。只有充分认清这些规律,并采取有效的措施,才能收到事半功倍的效果。