長期以來,鶴管氣阻與泵汽蝕一直困擾著眾多石油化工企業(yè),盡管人們在實踐中找到一些行之有效的解決辦法,但仍有不少同志對這兩個問題認識不清。主要表現在對其發(fā)生的機理不清楚,知其然不知其所以然; 甚至出現一些錯誤的觀點,有人認為兩者發(fā)生的部位不同,沒有關聯,完全是兩回事; 有人則認為,兩者形成機理相同,聯系緊密,解決了任一個,另一個也就解決了。針對這種情況,筆者認為很有必要對兩者進行對比分析,以利于澄清錯誤認識,更好解決鶴管氣阻與泵汽蝕問題。

目前,國內鐵路輕油槽車均采用上部卸油法即利用鶴管從油槽車上部將油料卸下。鶴管中的油料在負壓狀態(tài)下流動,其最高點的壓力最小。當鶴管最高點的壓力等于或小于油料的汽化壓強時,油料即開始汽化,汽化嚴重時,在鶴管的最高處形成大量油蒸汽,阻塞液流,這種現象稱為氣阻。在我國南方地區(qū)高溫季節(jié)以及西北高原地區(qū) ( 海拔高,氣壓低) ,接卸車用汽油 ( 汽化壓強大) 時,氣阻現象十分常見,導致油槽車中油料無法接卸。

首先進行氣阻校核,校核公式如下[2]:

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

pa——當地大氣壓,Pa

γ——輸送油料的重度,N / m3

pv——輸送油料在當地最高油溫下的汽化壓強,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。利用公式( 1) 可以計算出,當地最高油溫下,鶴管流量最大時,不發(fā)生氣阻的[hx]max( 從鶴管最高點至油罐車液面的最大垂直高度) 。若[hx]max≥ab ( ab為鶴管最高點至油罐車底部的垂直高度,鶴管型號不同數值亦不相同) ,接卸油料時不發(fā)生氣阻; 若[hx]max< ab,可能會發(fā)生氣阻,需要進一步校核,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)生氣阻時油料的最大汽化壓力pv的值,再查出其對應的油溫,就是不發(fā)生氣阻的最高油溫,即發(fā)生氣阻的最低油溫。若當天的油溫低于該溫度,可以判斷不會發(fā)生氣阻,無須采取任何措施; 若當天的油溫高于該溫度,肯定會發(fā)生氣阻,必須采取相應措施消除氣阻。

通過以上分析,不難得出以下結論: 只要保證[hx]max≥ ab,即可消除氣阻。而ab的值是由鶴管的型號決定的,因此, 從避免氣阻發(fā)生的角度來說,我們購買鶴管時,盡量選擇ab數值較小的。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,能夠通過增大pa,減小pv、v鶴及hw來增大[hx]max的值。因此消除鶴管氣阻的措施主要以下三類:

密閉充氣加壓卸油法,有相關專利產品,但操作起來較麻煩,沒有推廣開來; 潛油泵卸油法,有氣動、液動及電動潛油三種,目前液動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、混油降油溫、倒序混層卸油等。

關小泵的排出閥、降低電機轉速及增加同時收油的鶴管數量等,該類措施效果不太顯著,大都作為輔助手段與其它措施配合使用。

泵吸入系統中的液體在負壓狀態(tài)下流動時,一旦某處的絕對壓力等于或小于其汽化壓強時,就會發(fā)生汽化,溶解在液體的氣體也會同時逸出,形成氣液混合體。氣液混合體流至葉輪出口時,壓力增大,在高壓作用下氣泡迅速凝結而破裂,氣泡周圍的液體質點高速沖向氣泡占據的空間,可使局部壓力高達幾百個大氣壓,沖擊頻率高達600 ~ 1000次/s,高壓頻繁作用在金屬表面,使金屬產生局部疲勞現象,薄弱部分的晶粒首先剝落,產生裂縫,裂縫的產生導致應力更加集中,堅固的晶粒也隨之剝落,流道材料受到嚴重破壞,這種破壞現象稱為機械剝蝕。另外,由液體中逸出的氧氣等活潑氣體,借助氣泡凝結時放出的熱量,對金屬還起著化學腐蝕作用。通常把氣泡的形成、發(fā)展、破裂及金屬受到破壞的全過程稱為汽蝕現象[3]。

泵汽蝕的危害主要有三項。一是產生噪音與振動,因為汽蝕本身就是一個脈動過程; 二是金屬材料受到嚴重破壞,主要由機械剝蝕與化學腐蝕造成; 三是泵的性能曲線大幅下降,嚴重時無法工作。泵開始發(fā)生汽蝕時,汽蝕區(qū)域較小,對泵的正常工作沒有明顯影響。這種尚未影響到泵外部性能時的汽蝕稱為 “潛伏汽蝕”。泵長期在 “潛伏汽蝕”工況下工作時,泵的材料仍要受到破壞,影響它的使用壽命[4]。

當泵的有效汽蝕余量大于必需汽蝕余量時,一定不會發(fā)生汽蝕; 反之則肯定會發(fā)生汽蝕。因此,消除泵汽蝕的主要措施有兩類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、在吸入系統安裝低速前置泵、裝置誘導輪、采用雙重翼葉輪等。泵用戶使用較多的措施是通過縮短吸入管路長度、減少局部附件達到降低吸入管路阻力的目的。

具體措施有首級葉輪采用雙吸、降低葉輪入口部分液體的流速、選擇適當的葉片數和沖角、葉片在葉輪入口處延伸布置、適當增大葉輪前蓋板處液流轉彎半徑等。該類措施通常由泵制造商來完成。

采用抗機械剝蝕、化學腐蝕性能強的材料如不銹鋼、合金、陶瓷制造葉輪或過流部件,使用超汽蝕泵。

鶴管氣阻發(fā)生在鶴管最高點壓力最低處; 泵汽蝕起源于泵內壓力最低點,結束于泵內高壓區(qū)。

鶴管氣阻發(fā)生的機理是鶴管最高點的絕對壓力等于或小于油料的汽化壓強,油料即開始汽化,汽化嚴重時,在鶴管的最高處形成大量油蒸汽,阻塞液流,產生氣阻; 泵汽蝕形成的機理是泵內低壓區(qū)產生的氣泡進入高壓區(qū)后,發(fā)生機械剝蝕與化學腐蝕,使泵內金屬材料受到破壞,產生振動和噪音,同時泵的流量、揚程和效率明顯下降,直至泵 “抽空”斷流。

鶴管氣阻導致油罐車下部油料無法接卸,影響油料供應, 造成壓車,影響鐵路運輸,產生一定的經濟損失; 泵長期在 “潛伏汽蝕”工況下工作時,泵的材料仍要受到破壞,影響它的使用壽命,當汽蝕發(fā)展到一定程度時,泵發(fā)生振動和噪音, 流道材料受到嚴重破壞,同時泵的流量、揚程和效率明顯下降,直至泵 “抽空”斷流。

鶴管氣阻的防治措施首先要判斷是否會發(fā)生鶴管氣阻,針對可能發(fā)生氣阻的狀況可以采用增大油罐車自由液面的壓強, 降低輸送介質汽化壓強,減小鶴管內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)生在泵的吸入系統內,輸送介質壓力低于其汽化壓強處。

兩者均會產生汽化現象,兩者均與當地大氣壓、輸送介質的汽化壓強及流量有關,當地大氣壓越低,輸送介質的汽化壓強越高,流量越大,兩者發(fā)生的概率越大。

鶴管最高點處油料開始汽化,未形成氣阻時,其產生的氣泡隨油料流進泵內會形成 “潛伏汽蝕”,泵長期在 “潛伏汽蝕” 工況下工作時,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自由液面的壓強,降低輸送介質汽化壓強,減小流量的防治措施。例如,采用潛油泵卸油、 降低輸送介質液溫、降低泵電機轉速的方法都可以有效地解決鶴管氣阻與泵汽蝕問題。

鶴管氣阻與泵汽蝕是石油管道運輸中十分常見的故障,它們在發(fā)生部位、形成機理、產生危害及防治措施等諸多方面, 既有區(qū)別又有聯系。只有充分認清這些規(guī)律,并采取有效的措施,才能收到事半功倍的效果。