本文将从一个无经验的人的角度来探讨泵的基本理论和工作原理。基于从事泵行业50年的经验，我认为这可能是一个很好的方式来解释泵可靠性道路上的坑洼。如果你读过我的专栏，你会对其中的许多评论感到熟悉。

　　我的建议是首先设计系统以满足工艺（流程）要求，进而选择最适合系统的泵。是系统告诉泵该做什么，而不是相反。你不能购买某个流量X和扬程/压力Y的泵，然后期望该泵能够按照这些参数运行。本文不会指导你如何设计系统。我个人觉得，几乎所有的泵问题都发生在泵的吸入侧（我估计大约占80 %）。这主要是由于一个常见的误解，即泵会将液体“吸入”到泵中，实际的情况是普通离心泵根本做不到这一点。系统的吸入部分必须要提供将液体输送至泵所需的能量，这通常是通过重力或大气压力来实现的。

　　如果正在对任旧存在问题的现有泵进行故障诊断与排除，则该泵可能不正确使用。责怪泵制造商更容易，但这并不能处理问题。审查系统模块设计规范并查看泵的性能。“不良”泵的尺寸可能不适合于应用工况。

　　在了解泵送的实际液体之前，让我们讨论一下为什么大多数泵的额定压力单位是扬程（英尺或米），而不是压力（psi、bar – 表压）。我能解释这一点的最简单方法是，无论流体、密度和相关温度如何（假设为牛顿非粘性液体），离心泵的性能 - 额定扬程是可预测、可测量和一致的。如果你是在65 °F（18℃）的温度下泵送清洁水，那么这不会是一个问题。但当水温变化时，密度和性能（压力）也会随之变化。

　　例如：泵在50 psi的压力下输送常温水，因此相应的扬程为115英尺。如果液体是类似碳氢化合物的柴油燃料【比重（SG） = 0.70】，相应的压力将为35 psi。如果液体是苛性钠溶液，如SG为1.2的氢氧化钠，则压力为60 psi。无论三种不同的流体和同一台泵产生的（不同）压力如何，扬程从始至终保持在115英尺处不变。

　　如果以适当的单位表示，扬程和压力可以互换使用。这种关系如公式1以及图1和图2所示。

　　许多泵的问题都是因为在选择过程中有的人觉得所有的液体都是一样的。在处理问题的过程中，我总是问用户液体是什么及其物理性质。如果你所要做的就是在环境和温度下泵送干净的水，那么生活就是美好的。否则，请注意，在65 - 70 °F（18至21 ℃）的温度下泵送清水以外的任何液体在大多数情况下要改进泵、使用不相同的泵甚至不一样的系统。例如：

　　如果液体中存在固体，带闭式叶轮的标准泵可能没办法工作。一定要选择可以通过固体而不堵塞叶片的叶轮（和相关泵），叶轮的几何设计和结构材料应能减轻夹带固体带来的指数级磨损。如果存在固体，请考虑更坚固或开式叶轮设计、嵌入式叶轮泵或渣浆泵。我将此文章保留在离心泵领域，但作为一个例外，你可能还需要仔细考虑螺杆泵或别的类型的容积泵。

　　如果泵将处理悬浮固体，则应谨慎选择材料。渣浆应用的流变性可能非常大，我建议你研究更硬的材料，例如高铬铁或像CD4MCu一样加工硬化的材料。根据渣浆中固体的类型和大小，也可优先考虑使用橡胶衬里的泵。

　　如果液体是pH值较低的酸性溶液，则标准泵材料可能没办法承受。腐蚀始终是你的敌人，但酸性溶液，尤其是同时伴随着温度较高时，会加剧和加速破坏性过程。咨询制造商或知识渊博的材料人员，使材料与液体特性相匹配。

　　酸溶液通常需要更高的贵金属，并且应用越保守，贵金属使用量和成本就越高。300系统奥氏体不锈钢是一个良好的开端，但要检查兼容性，因为应用可能需要20号合金、哈氏合金、蒙乃尔合金或钛。

　　此外，泵送介质可能需要非金属泵。解决方案可以是氟塑料，如全氟烷氧基/聚四氟乙烯（PFA/PTFE）衬里的非金属和/或磁力驱动泵。有时，非金属或磁力驱动泵可能比具有相关机械密封和支持系统的高合金金属泵便宜。

　　单位体积液体的质量称为液体的密度。比重（SG）是液体密度与（在标准大气压下、4℃时）纯水密度的比值。SG本身可能不是泵的问题，但相关的驱动电机会注意到（液体的SG将对所需功率产生直接影响）。

　　例如，计算一台额定工况下扬程为160 ft、流量为500 gpm、效率为75 %的泵所需的BHP。首先，用SG1.0的液体计算BHP，然后将SG更改为1.3。SG的差异将使BHP从27变为35。如果你有一台30 hp的电机来驱动泵，即使在工作系数下运行，也会导致过载跳闸。

　　粘度是离心泵的氪石。在1到100厘泊（cP）的较低粘度范围内，对泵的性能有一些明显的负面影响，但在较高粘度下，泵性能将显著恶化。泵的性能曲线以水为基础，如果要泵送的流体比水更粘稠，则必须对性能进行修正。请咨询制造商以获取此信息。粘度增加的主要负面影响是泵效率，但流量和扬程同样会受到负面影响。在30到40 cP或更高时，需要进行粘度修正，否则可能会产生不利的性能影响。在5到10 cP的范围内，你至少必须意识到这些影响，无论多么轻微。

　　泵效率的降低和为达到所需扬程和流量的水基工况点所需的粘度修正都需要更大的马力。因此，需要更大功率的驱动机（电机）。然而，泵动力支架可能没办法承受因粘度引起的额外的功率和扭矩要求。所有泵都有轴和轴承架BHP限制，在处理粘度流体时必须对相关零件（强度等）进行校核。

　　如果泵送介质的粘度接近2000 cP，并且你仍在考虑使用离心泵，请重新考虑并使用容积泵。

　　如果你已经在泵行业工作了几天以上，我相信你已经听说过最佳效率点（BEP）这个术语。从本质上讲，所有离心泵都是针对曲线上的一个流量和扬程工作点而设计的。流量X和扬程Y的这一设计点通常称为BEP或最佳运行点，用户通常将其定义为额定工况点。而所有其它可能的工作点在不同程度上与效率、汽蚀、径向推力（轴偏转）和回流问题相对应。忽略这些应用问题将缩短轴承和机械密封的常规使用的寿命，使泵的可靠性降低，运行成本增加。

　　如果时间和金钱不是问题，泵OEM将乐于为用户的独特运行点进行专门的设计和制造泵。是的，这种情况确实发生过，但并不经常发生。

　　当然，大多数最终用户通常不会只有一个工作点，他们盼望泵能在通常称为安全或允许工作区（AOR）的较宽的区域内工作。假设最终用户知道泵在其曲线上的运行位置，并完全理解泵将在系统曲线强制其运行的位置运行。

　　如果你遇到泵故障，问题可能是泵选择错误和/或系统曲线计算错误？假设泵的选择是应用的折衷的最佳选择方案，并且由于许多泵的应用需要在BEP的设计区域以外运行，因此有一些方法来管理负面影响。所有缓解方法都承担着降低泵效率的额外成本，但增加的成本通常是可靠性和维护成本降低的可接受的折衷方案。你可以与你的泵销售人员、技术人员/工程师或知识渊博的系统模块设计人员探讨多种方法来减少或消除负面影响。如果无法确定泵的压差（例如一套简单的压力表或传感器即可处理问题），那么泵可靠性的第一个选项是安装一组压力测量仪表（进口侧一只，出口侧一只），然后计算泵在曲线上的运行位置。

　　简单的答案是，如果泵跑得太右，也就是说，在曲线末端或附近，泵将发生汽蚀，结果将是产生高的振动，这将快速损坏机械密封和轴承，叶轮也可能遭受汽蚀损坏。

　　正如我在培训课程中经常说的那样，“曲线的末端……就是曲线的终点。”如果泵制造商认为你可以或应该在那里工作，他们会延长曲线。每个人都想要更多的自由度，但物理定律一直在阻碍着我们。

　　在曲线末端附近要考虑的另一个主要的因素是径向推力，当你远离BEP并向曲线末端移动或处于曲线末端时，径向推力将成倍增加。根据轴挠性系数（L3/D4），轴可能会偏转一定量。轴偏转是轴在运转时的动态弯曲，每转一圈发生两次。以3,550 rpm旋转的轴每分钟就会产生7,100 次偏转。轴偏转会损坏机械密封和轴承。更重要的是，过度偏转往往会导致轴循环应力疲劳和断裂。此外，请注意，如果停机并将轴从泵上拆卸下来，你可能发现轴将是完全笔直的。正如我之前提到的，挠度是一种在运行过程中有几率发生的弯曲现象。如果轴已经弯曲和/或叶轮失衡，情况会严重恶化。

　　在曲线左侧运行泵也会产生负面影响。当我们说向“左侧”运行时，我们指的是在BEP和关死点之间的运行点运行（有时简称为SO）。关死点是没有流量（即零流量）的点，例如关闭出口阀。在关死点附近运行也会增加径向推力并使轴偏转，这与我们在最右边（曲线末端附近）时讨论的现象相同，并受到相同的负面影响。与曲线左侧相比，在曲线最右边所经历的径向推力的唯一区别是，现在从相对侧（180度反向）施加推力。

　　大多数泵制造商都会建议你的泵在曲线BEP左侧的最小流量以上运行，这通常被称为最小连续稳定流量（或允许流量）。最小连续稳定流量（MCSF）是指泵在任何时间内都不能低于的运行流量。没有定义的是时间量，我建议尽可能减少时间。泵的能量（轴功率）越高，在此流量下允许的时间就越短。

　　考虑这一点的一种基本方法是将驱动器的功率转换为英国热量单位（Btu），然后意识到大部分能量都用于加热泵壳中的液体，同时轴每转1圈弯曲两次。

　　在确定可接受的最小流量点时，需要计算/评估四个因素。在本文中，我们只研究主要的两个因素。第一个是从泵的机械角度来看：从径向和轴向推力的角度来看，泵能承受多少动态载荷？第二个是从热力学角度来看的：液体在何时转化/闪蒸为蒸汽？泵OEM将针对机械和热因素确定泵的最小连续稳定流量，其中较高者将成为该泵的最小流量。

　　换句话说，离心泵不吸入液体。在本文的第1部分中提到，由于对离心泵的这种误解，大多数泵问题发生在系统的吸入侧。“这主要是由于一个普遍的误解，即泵会将液体吸入到泵中 - 其实它们不会。系统的吸入部分必须要提供所需的能量，以将液体输送到泵中。这通常是通过重力或大气压力实现的。”

　　从技术角度来看，泵叶轮确实在叶轮正前方产生了一个较小的压差，但能量水平不足以克服启动和维持流量所需的重力和摩擦力。此外，请注意，液体不具有拉伸特性，因此泵无法将液体吸入自身。

　　描述泵吸入法兰处系统吸入侧所需能量的一种方法称为装置汽蚀余量（NPSHA），这是离心泵一个基础性的问题【泵沙龙注：涉及汽蚀方面的议题，《泵沙龙》中相关的文章较多，如“离心泵基础 – 了解离心泵汽蚀”、“离心泵NPSH裕量：工程实践中无法回避的问题”、“福斯公司谈离心泵汽蚀及其预测”、“关于汽蚀及其现场问题处理，服务工程师有话说”、“全面理解汽蚀及其对离心泵的影响”、“离心泵汽蚀安全裕量的探讨”】。

　　泵OEM/制造商将设计和测试其泵，以确定必须的净正吸入压头（NPSHR，即泵的必需汽蚀余量）。也就是说，对于曲线上的几个工况点，系统一定要满足泵吸入口所需的相应能量。泵制造商有责任根据行业标准做此测试并报告/公布结果。

　　相反，对于任何给定的系统模块设计和相应的流量，都会有少数的NPSHA。准确确定/计算NPSHA是系统设计师的责任。NPSHA必须大于NPSHR，所需的裕量将根据此处未涵盖但可在美国国家标准协会/水力协会标准9.6.1 - 2012中引用的几种情况而有所不同。

　　如果NPSH裕量不足，泵将发生汽蚀，寿命短。汽蚀是指液体流（通常就在叶轮前面）中形成蒸汽汽泡，然后这些汽泡沿着叶轮叶片在一定距离内坍塌。通常，汽泡在叶片长度的前25 %至33 %范围内破裂。汽泡将在叶片的凹面（非工作面）坍塌。

　　请注意，对于给定尺寸的泵，如果一个制造商声明其最小连续稳定流量低于另一个制造商，这并不代表它一定是更好的泵。这可能仅仅是意味着制造商在可靠性方面更加保守（泵沙龙注：即泵的运行区间相对较宽）。

　　你可能认为液体不够热，不足以形成蒸汽泡，也可能不是在环境压力下。但请记住，如果充分降低压力，你可以在室温下将水煮沸。如果将压力降低到绝对压力0.363 psia，你可以在70 °F（21 °C）将水煮沸。

　　不要将汽泡（vapor bubbles）和气泡（air bubbles）混淆。液体流中夹带气泡的破裂对叶轮就没有造成损失破坏。在气泡阻碍液体流动的地方，有极大几率会出现气缚（air bind）。而蒸汽泡却具备极高的能量，可在短时间内严重破损毁坏叶轮。实际破坏程度将因能量水平、液体特性和叶轮材料而异。

　　仅仅因具备足够的NPSH裕量，并不代表就不会出现汽蚀或损坏。即使有很高的NPSH裕量，也有一定可能会出现汽蚀现象（如内部回流以），尽管可能不是很具有破坏性。

　　你还可能会在叶轮叶片的凸面（工作面或高压侧）上看到汽蚀损坏，这通常是由于回流汽蚀造成的。这种损坏不是由于NPSH裕量不足，而是由于泵在BEP和接近关死点之间的不稳定区域内运行。发生这种情况的实际在做的工作点（面积）是叶轮吸入比转速的函数。而吸入比转速以最简单的形式表现为叶轮吸入侧的设计几何形状。

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