科技的发展给离心泵行业带来的改变（上）
编者按
不可否认，我们目前真正处在一个知识大爆炸的年代！同时，也是一个非常注重安全、环保、节约和智能的年代！随着科技的日新月异、人工智能技术的不断普及，不仅改变了人们的日常工作和生活方式，而且给或即将给传统制造业带来翻天覆地的变化 – 设计及验证手段、加工及制造方法、运行及维护方式……
本篇文章是由IPC公司的运营经理Massimiliano Di Febo和技术经理Pasquale Paganini共同完成，阐述了一些新材料、新的设计手段、控制和监测技术在离心泵上的应用。由泵沙龙收集、翻译、修改和补充。仅供参考。
前言
旋转机械技术在很多下游产业中占有重要地位，而且很多流程工况通常很恶劣。典型尺寸的拔顶蒸馏装置可提供1,500 t/h的输出能力。关键流程，如温度接近800℃的炉料泵，需要特殊的技术解决方案。流化催化裂化（FCC）装置要求进料与催化剂混合，然后泵入温度在500℃左右的反应器。该过程所需的空气通常由离心式或轴流式压缩机提供，正常流量约为50,000 Nm3/h，功率要求可能达到几兆瓦。用于压缩和泵送应用的旋转机械在确保设备的整体稳健性方面起着关键作用。离心泵几乎存在于所有工厂流程中，尤其重要。
离心泵市场涵盖了很多下游流程应用。已经针对不同应用开发了许多离心泵配置，包括单级或多级、轴向或径向剖分以及卧式或立式安装。
卧式泵在下游应用中最为常见。它们适用的压力范围非常宽（最高可达400 bars）和温度很高（高达450 ℃）的场合；而立式泵则用于比较有限的应用范围，主要用于低的NPSHA和低温工况。
技术法规和行业标准是旋转机械行业的主要参与者。API 610和HI标准提供了广泛而全面的指导方针，以推动整个泵的设计及生产流程。这些标准涵盖了从早期工程（选型设计）到设备车间制造阶段的大部分方面。为了适应市场的需求，API 610标准进行了修订，评估泵效率的标准从以前的效率容差改为施加在总吸收功率上的实际容差。振动限制也有类似的修改，反映了为实现更长的设备生命周期和更高的能源效率所做的努力。
离心泵改进
工厂管理层对最终市场竞争力的不断追求，推动了离心泵技术在性能和总体成本降低方面的发展。金属材料技术的发展起到了重要的作用。在运行过程中，泵会受到腐蚀、侵蚀和疲劳。从设计角度来看，合适的材料选择是确保设备使用寿命的一个非常重要的因素。
今天的材料技术提高了对恶劣条件的抵抗力。先进的冶金工艺对材料的化学性质有更好的控制，如双相钢、超级双相钢或特殊钢种（如常用于轴的沉淀硬化不锈钢17-4PH）。在其它情况下，如用于（轴）套表面硬化的等离子、激光涂层、爆炸喷涂、3D打印等创新工艺，可获得更好的耐磨性。计算机有限元方法（FEM）的发展也促进了对泵部件内部应力场的更好理解。现代旋转机械设计利用了软件工具的可用性，允许对所关注设备的设计点（如轴承选择、平衡鼓和平衡套间隙尺寸等）进行详细评估。所有这些要素和边界设计运行条件，都有助于确保转子最终运行的可靠性。
除了材料以外，影响离心泵的另一个众所周知的问题是汽蚀。这种现象的特点是，当流道内的净压力低于蒸汽压力时，会发生流体汽化。而下游压力恢复正常后会导致蒸汽气泡突然内爆，从而可能引起损坏叶轮的点蚀。汽蚀效应产生的后果可能非常严重，从性能和零部件使用寿命的下降到泵的故障。
图1：叶轮中的压力分布/速度矢量
过去，专业的泵操作人员常常通过识别噪声来检测汽蚀。振动研究的最新进展表明，也可以使用谐波（快速傅立叶变换或FFT）检测到汽蚀，从而为自动诊断打开了大门。解决汽蚀问题的传统方法是基于设备大小确定，并在运行工况点对NPSHR给与一定的安全裕量。
泵沙龙注1：谈到汽蚀问题，就不可避免地涉及到吸入比转速的概念。随着人们对吸入比转速研究的不断深入和理解，可以通过吸入比转速的限值来较准确地确定泵NPSHR。同时，根据吸入能量值的大小，来确定安全裕量（了解更详细的信息，可参阅泵沙龙相关文章）。
可以通过测量泵吸入点的压力、温度和流速来监测汽蚀。过去，在少数情况下使用了永久安装的监测系统。一些人认为监测系统的成本过高，尤其是对于小型泵组。随着市场上价格合理的逻辑控制器的出现改变了这一点，今天，即使是小型离心泵也可能受益于此类控制和监测系统。
另一个一直有助于泵技术进步的因素是测试方法的发展。先进振动测量系统的商业可用性，可以方便地获取大量设备运行数据。趋近式探头和速度/加速度传感器使测试工程师能够对机械振动进行详细调查，并找到机械参数、流量读数、性能、FFT频谱谐波分量、轨迹形状和特定现象（如汽蚀或内部流动脱流）之间的相关性。
计算流体动力学（CFD）的引入大大提高了水力设计的准确性和工作效率。使用3D形状对泵的流动模式进行水力设计是一项精细的任务。不断提高的计算能力和可靠代码的可用性，允许持续改进离心泵的设计过程，并将原始设备制造商（OEM）的经验与可靠的模拟和预测相结合。现代CFD商业代码具有用于模拟粘性和非粘性流体的先进功能。它们还为涡轮机械旋转区域提供了几种湍流方程和非平稳算法。
图2：叶轮中的压力分布和流线
整个设计虽然仍需要在OEM车间进行最终的物理测试，但CFD方法的实施可以带来更好的水力设计和更短的设计周期。计算机模拟允许OEM在最终用户指定的运行条件下，快速开发针对特定目标（如最高效率或相对较低的NPSHR）优化的水力流道形状。鉴于可以通过与现代计算机辅助设计或计算机辅助制造（CAD / CAM）技术的集成，可以制造从CFD设计中获得的定制水力零件，使这些技术进步的重要性变得更加明显。
泵沙龙注2：在我国，市场上有很多独立的水力设计软件，但却没有一款结合了简单的、初始选型用的性能分析的水力设计软件，无法让OEM在投标阶段确定其采用独立的水力设计软件设计的产品是否满足用户现场需求。这可能会给后期的设计及应用带来一定的风险。希望有实力的国内水力设计软件公司，能够开发出这种符合市场需求的成套软件。
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