長(zhǎng)期以來(lái),鶴管氣阻與泵汽蝕一直困擾著眾多石油化工企業(yè),盡管人們?cè)趯?shí)踐中找到一些行之有效的解決辦法,但仍有不少同志對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題認(rèn)識(shí)不清。主要表現(xiàn)在對(duì)其發(fā)生的機(jī)理不清楚,知其然不知其所以然; 甚至出現(xiàn)一些錯(cuò)誤的觀點(diǎn),有人認(rèn)為兩者發(fā)生的部位不同,沒(méi)有關(guān)聯(lián),完全是兩回事; 有人則認(rèn)為,兩者形成機(jī)理相同,聯(lián)系緊密,解決了任一個(gè),另一個(gè)也就解決了。針對(duì)這種情況,筆者認(rèn)為很有必要對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)比分析,以利于澄清錯(cuò)誤認(rèn)識(shí),更好解決鶴管氣阻與泵汽蝕問(wèn)題。

目前,國(guó)內(nèi)鐵路輕油槽車(chē)均采用上部卸油法即利用鶴管從油槽車(chē)上部將油料卸下。鶴管中的油料在負(fù)壓狀態(tài)下流動(dòng),其最高點(diǎn)的壓力最小。當(dāng)鶴管最高點(diǎn)的壓力等于或小于油料的汽化壓強(qiáng)時(shí),油料即開(kāi)始汽化,汽化嚴(yán)重時(shí),在鶴管的最高處形成大量油蒸汽,阻塞液流,這種現(xiàn)象稱(chēng)為氣阻。在我國(guó)南方地區(qū)高溫季節(jié)以及西北高原地區(qū) ( 海拔高,氣壓低) ,接卸車(chē)用汽油 ( 汽化壓強(qiáng)大) 時(shí),氣阻現(xiàn)象十分常見(jiàn),導(dǎo)致油槽車(chē)中油料無(wú)法接卸。

首先進(jìn)行氣阻校核,校核公式如下[2]:

式中: [hx]max——鶴管不發(fā)生氣阻時(shí),從鶴管最高點(diǎn)至油槽車(chē)液面的最大垂直高度,m

pa——當(dāng)?shù)卮髿鈮?Pa

γ——輸送油料的重度,N / m3

pv——輸送油料在當(dāng)?shù)刈罡哂蜏叵碌钠瘔簭?qiáng),Pa

v鶴——鶴管中油料的流速,m/s

g——重力加速度,9. 81 m / s2

hw——鶴管ac段的水頭損失,m

由圖1可以看出,鶴管最易發(fā)生氣阻的位置在C點(diǎn)。利用公式( 1) 可以計(jì)算出,當(dāng)?shù)刈罡哂蜏叵?鶴管流量最大時(shí),不發(fā)生氣阻的[hx]max( 從鶴管最高點(diǎn)至油罐車(chē)液面的最大垂直高度) 。若[hx]max≥ab ( ab為鶴管最高點(diǎn)至油罐車(chē)底部的垂直高度,鶴管型號(hào)不同數(shù)值亦不相同) ,接卸油料時(shí)不發(fā)生氣阻; 若[hx]max< ab,可能會(huì)發(fā)生氣阻,需要進(jìn)一步校核,確定發(fā)生氣阻的最低油溫。令[hx]max= ab代入公式( 1) ,求出不發(fā)生氣阻時(shí)油料的最大汽化壓力pv的值,再查出其對(duì)應(yīng)的油溫,就是不發(fā)生氣阻的最高油溫,即發(fā)生氣阻的最低油溫。若當(dāng)天的油溫低于該溫度,可以判斷不會(huì)發(fā)生氣阻,無(wú)須采取任何措施; 若當(dāng)天的油溫高于該溫度,肯定會(huì)發(fā)生氣阻,必須采取相應(yīng)措施消除氣阻。

通過(guò)以上分析,不難得出以下結(jié)論: 只要保證[hx]max≥ ab,即可消除氣阻。而ab的值是由鶴管的型號(hào)決定的,因此, 從避免氣阻發(fā)生的角度來(lái)說(shuō),我們購(gòu)買(mǎi)鶴管時(shí),盡量選擇ab數(shù)值較小的。鶴管一旦確定,我們只能盡量增大[hx]max的值。 分析公式( 1) 可以看出,能夠通過(guò)增大pa,減小pv、v鶴及hw來(lái)增大[hx]max的值。因此消除鶴管氣阻的措施主要以下三類(lèi):

密閉充氣加壓卸油法,有相關(guān)專(zhuān)利產(chǎn)品,但操作起來(lái)較麻煩,沒(méi)有推廣開(kāi)來(lái); 潛油泵卸油法,有氣動(dòng)、液動(dòng)及電動(dòng)潛油三種,目前液動(dòng)潛油泵使用較為廣泛。

夜間或凌晨卸油( 使用較多) 、人工冷卻油罐車(chē)、混油降油溫、倒序混層卸油等。

關(guān)小泵的排出閥、降低電機(jī)轉(zhuǎn)速及增加同時(shí)收油的鶴管數(shù)量等,該類(lèi)措施效果不太顯著,大都作為輔助手段與其它措施配合使用。

泵吸入系統(tǒng)中的液體在負(fù)壓狀態(tài)下流動(dòng)時(shí),一旦某處的絕對(duì)壓力等于或小于其汽化壓強(qiáng)時(shí),就會(huì)發(fā)生汽化,溶解在液體的氣體也會(huì)同時(shí)逸出,形成氣液混合體。氣液混合體流至葉輪出口時(shí),壓力增大,在高壓作用下氣泡迅速凝結(jié)而破裂,氣泡周?chē)囊后w質(zhì)點(diǎn)高速?zèng)_向氣泡占據(jù)的空間,可使局部壓力高達(dá)幾百個(gè)大氣壓,沖擊頻率高達(dá)600 ~ 1000次/s,高壓頻繁作用在金屬表面,使金屬產(chǎn)生局部疲勞現(xiàn)象,薄弱部分的晶粒首先剝落,產(chǎn)生裂縫,裂縫的產(chǎn)生導(dǎo)致應(yīng)力更加集中,堅(jiān)固的晶粒也隨之剝落,流道材料受到嚴(yán)重破壞,這種破壞現(xiàn)象稱(chēng)為機(jī)械剝蝕。另外,由液體中逸出的氧氣等活潑氣體,借助氣泡凝結(jié)時(shí)放出的熱量,對(duì)金屬還起著化學(xué)腐蝕作用。通常把氣泡的形成、發(fā)展、破裂及金屬受到破壞的全過(guò)程稱(chēng)為汽蝕現(xiàn)象[3]。

泵汽蝕的危害主要有三項(xiàng)。一是產(chǎn)生噪音與振動(dòng),因?yàn)槠g本身就是一個(gè)脈動(dòng)過(guò)程; 二是金屬材料受到嚴(yán)重破壞,主要由機(jī)械剝蝕與化學(xué)腐蝕造成; 三是泵的性能曲線(xiàn)大幅下降,嚴(yán)重時(shí)無(wú)法工作。泵開(kāi)始發(fā)生汽蝕時(shí),汽蝕區(qū)域較小,對(duì)泵的正常工作沒(méi)有明顯影響。這種尚未影響到泵外部性能時(shí)的汽蝕稱(chēng)為 “潛伏汽蝕”。泵長(zhǎng)期在 “潛伏汽蝕”工況下工作時(shí),泵的材料仍要受到破壞,影響它的使用壽命[4]。

當(dāng)泵的有效汽蝕余量大于必需汽蝕余量時(shí),一定不會(huì)發(fā)生汽蝕; 反之則肯定會(huì)發(fā)生汽蝕。因此,消除泵汽蝕的主要措施有兩類(lèi)即提高泵有效汽蝕余量的措施及降低必需汽蝕余量的措施。

具體措施有合理確定泵的幾何安裝高度、減少吸入管路的水力損失、在吸入系統(tǒng)安裝低速前置泵、裝置誘導(dǎo)輪、采用雙重翼葉輪等。泵用戶(hù)使用較多的措施是通過(guò)縮短吸入管路長(zhǎng)度、減少局部附件達(dá)到降低吸入管路阻力的目的。

具體措施有首級(jí)葉輪采用雙吸、降低葉輪入口部分液體的流速、選擇適當(dāng)?shù)娜~片數(shù)和沖角、葉片在葉輪入口處延伸布置、適當(dāng)增大葉輪前蓋板處液流轉(zhuǎn)彎半徑等。該類(lèi)措施通常由泵制造商來(lái)完成。

采用抗機(jī)械剝蝕、化學(xué)腐蝕性能強(qiáng)的材料如不銹鋼、合金、陶瓷制造葉輪或過(guò)流部件,使用超汽蝕泵。

鶴管氣阻發(fā)生在鶴管最高點(diǎn)壓力最低處; 泵汽蝕起源于泵內(nèi)壓力最低點(diǎn),結(jié)束于泵內(nèi)高壓區(qū)。

鶴管氣阻發(fā)生的機(jī)理是鶴管最高點(diǎn)的絕對(duì)壓力等于或小于油料的汽化壓強(qiáng),油料即開(kāi)始汽化,汽化嚴(yán)重時(shí),在鶴管的最高處形成大量油蒸汽,阻塞液流,產(chǎn)生氣阻; 泵汽蝕形成的機(jī)理是泵內(nèi)低壓區(qū)產(chǎn)生的氣泡進(jìn)入高壓區(qū)后,發(fā)生機(jī)械剝蝕與化學(xué)腐蝕,使泵內(nèi)金屬材料受到破壞,產(chǎn)生振動(dòng)和噪音,同時(shí)泵的流量、揚(yáng)程和效率明顯下降,直至泵 “抽空”斷流。

鶴管氣阻導(dǎo)致油罐車(chē)下部油料無(wú)法接卸,影響油料供應(yīng), 造成壓車(chē),影響鐵路運(yùn)輸,產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)損失; 泵長(zhǎng)期在 “潛伏汽蝕”工況下工作時(shí),泵的材料仍要受到破壞,影響它的使用壽命,當(dāng)汽蝕發(fā)展到一定程度時(shí),泵發(fā)生振動(dòng)和噪音, 流道材料受到嚴(yán)重破壞,同時(shí)泵的流量、揚(yáng)程和效率明顯下降,直至泵 “抽空”斷流。

鶴管氣阻的防治措施首先要判斷是否會(huì)發(fā)生鶴管氣阻,針對(duì)可能發(fā)生氣阻的狀況可以采用增大油罐車(chē)自由液面的壓強(qiáng), 降低輸送介質(zhì)汽化壓強(qiáng),減小鶴管內(nèi)液體流速及水力損失等措施; 泵汽蝕的防治措施主要有提高泵的有效汽蝕余量,降低泵的必需汽蝕余量及其他措施等。

兩者均發(fā)生在泵的吸入系統(tǒng)內(nèi),輸送介質(zhì)壓力低于其汽化壓強(qiáng)處。

兩者均會(huì)產(chǎn)生汽化現(xiàn)象,兩者均與當(dāng)?shù)卮髿鈮骸⑤斔徒橘|(zhì)的汽化壓強(qiáng)及流量有關(guān),當(dāng)?shù)卮髿鈮涸降?輸送介質(zhì)的汽化壓強(qiáng)越高,流量越大,兩者發(fā)生的概率越大。

鶴管最高點(diǎn)處油料開(kāi)始汽化,未形成氣阻時(shí),其產(chǎn)生的氣泡隨油料流進(jìn)泵內(nèi)會(huì)形成 “潛伏汽蝕”,泵長(zhǎng)期在 “潛伏汽蝕” 工況下工作時(shí),泵的材料仍要受到破壞,影響它的使用壽命。

兩者均可以采取增大油罐車(chē)自由液面的壓強(qiáng),降低輸送介質(zhì)汽化壓強(qiáng),減小流量的防治措施。例如,采用潛油泵卸油、 降低輸送介質(zhì)液溫、降低泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法都可以有效地解決鶴管氣阻與泵汽蝕問(wèn)題。

鶴管氣阻與泵汽蝕是石油管道運(yùn)輸中十分常見(jiàn)的故障,它們?cè)诎l(fā)生部位、形成機(jī)理、產(chǎn)生危害及防治措施等諸多方面, 既有區(qū)別又有聯(lián)系。只有充分認(rèn)清這些規(guī)律,并采取有效的措施,才能收到事半功倍的效果。