汽蚀余量NPSHa计算示例与NPSHr余量取法

日系泵厂家的数据表上写着"必要NPSH"（hitsuyo NPSH，即必需汽蚀余量），询价单又要求你填写"本系统能提供的 NPSH"。要回答，就得按自己的水箱、管路和介质算出 NPSHa，再判断留多少余量才够。

本文先说明汽蚀余量（NPSH）是什么、NPSHa 怎么算，再用灌注吸入、吸上、加压饱和水三个算例演示。之后讨论 NPSHa 与 NPSHr 的余量怎么看、美国水力学会 ANSI/HI 9.6.1 导则讲了什么，以及该向泵供应商确认哪些问题。

什么是汽蚀余量（NPSH）

NPSH 是 Net Positive Suction Head 的缩写，中文常称汽蚀余量，也有"净正吸入压头"的译法。它表示进入泵的液体的总压，比该温度下的饱和蒸气压高出多少，并换算成液柱高度，单位是米。这里的总压包含静压和流速对应的动压。

NPSH 是水头，不是以 Pa 为单位的压力，也不等于泵的安装高度。工程上用它判断泵的吸入侧能否避免液体在泵内汽化。

为什么吸入侧压力重要：汽蚀

泵在出口侧升压，但叶轮入口附近的局部压力会下降。如果那里的压力降到液体的饱和蒸气压，就会产生气泡，气泡流到下游高压区时又会溃灭。

这就是汽蚀。发展下去会带来噪声、振动、性能下降和泵部件损伤。

从外部吸入空气的原因与汽蚀不同，两类问题要分开排查。

NPSHa 与 NPSHr

选泵时要比较两个值：

• NPSHa（有效汽蚀余量，也叫装置汽蚀余量）：包括水箱和吸入管路在内的系统，实际能提供给泵的汽蚀余量。它由液位、压力、温度和流量算出，所以同一台泵，工况变了 NPSHa 就变。日方资料称为"有效吸込ヘッド"（yuko suikomi head，或直接写"有效NPSH"）。
• NPSHr（必需汽蚀余量）：制造商给出的、泵要达到规定性能所需的汽蚀余量。它对应特定的流量、转速和介质，有时写成 NPSHreq，日方资料称为"必要吸込ヘッド"（hitsuyo suikomi head）或"必要NPSH"。要从制造商的性能曲线和规格书中读取。

NPSHr 不是每台泵固定的一个数，会随流量和转速变化。只看额定点，就可能在启动后的大流量工况或其他工作点失去必要的余量。

大方向很简单：NPSHa 越大、NPSHr 越小，越容易保证吸入余量。但两者之差并不能决定出口性能和最小流量，还要结合泵的运行范围一起评价。

NPSH3 的含义

NPSH3 是试验中的一个指标：汽蚀使泵的总扬程下降 3% 时对应的 NPSH。多级泵以首级叶轮的扬程为基准，不是整台泵出口压力的 3%。国内泵的性能验收试验标准 GB/T 3216（等同采用 ISO 9906，需核对现行版本）同样以扬程下降 3% 作为汽蚀试验的判据。

下图是试验的概念：流量和转速保持不变，只改变吸入条件。

有的厂家资料把 NPSHr 直接写成 NPSH3，但不要默认两者总是一回事。美国水力学会（Hydraulic Institute）在 2025 年 3 月 18 日的官方解读中说明，2024 年版 ANSI/HI 9.6.1 的余量以制造商提供的 NPSHr 为基准，该 NPSHr 应大于或等于试验得到的 NPSH3。

NPSHa 的计算方法

对大水箱，可以根据液面压力、液面与泵基准面的高差以及吸入管路损失来算 NPSHa。前提是稳定的单相液体流动、液面流速可忽略，且途中没有增压泵等其他能量输入。

公式里的压力要用绝对压力，换算成水头时用运行温度下液体的密度。如果手头是表压，先加上当地大气压，再减去饱和蒸气压。

本文算例取标准大气压 101.325 kPa。国内高海拔地区的厂址，大气压明显低于此值，计算时要换成当地实际大气压。

公式有两种形式，取决于从哪里算起：

高度项的符号与泵基准面

高度 z 在液面高于基准面时为正，低于基准面时为负。因此灌注吸入和吸上的符号相反。

本文的算例都用卧式泵，基准面取叶轮中心线。立式泵等机型的基准位置不同，要让图纸与制造商指定的 NPSH 基准面一致。不要把泵离地面的安装高度，或水箱底部的高度，直接当作液位差代入。

水头损失包含什么

水头损失不只有直管的摩擦，还要计入入口、弯头、阀门、过滤器等的损失。这些损失随流量和黏度变化，不能把正常流量下算出的损失用到所有工作点。

管子内径小，流速和损失都会增大，所以管子的壁厚等级（Sch）也有影响。计算流速和损失时，要用实际采用管子的内径，而不是公称直径。

压力与水头互换时，惯用的"米水柱"换算与运行温度下该液体的实际水头要分开。最终计算应使用真实密度。

NPSHa 计算示例

下面三个算例都是为说明而假设的条件。水的物性取自 IAPWS 工业用公式 1997（IAPWS-IF97），重力加速度取标准值 g = 9.80665 m/s²。

示例1：灌注吸入（押込，oshikomi）

灌注吸入在日语里叫"押込"（oshikomi），指供液水箱的液面高于泵基准面，高度对 NPSHa 是加分项。本例中，开口水箱向泵供 60℃ 的水，最低运行液位在基准面上方 3 m。

液面压力为 101.325 kPa 绝压，吸入管路损失为 1 m。60℃ 的水，饱和蒸气压约 19.946 kPa，密度约 983.2 kg/m³。

压力项约为 8.44 m，加上高度 3 m，再减去损失 1 m，得到约 10.44 m。这是系统能提供的 NPSHa，还要另外与候选泵在该流量下的 NPSHr 以及所需余量比较。

有效高度取决于运行中会下降的液面与基准面之差，而不是水箱的安装高度。只按正常液位评价的话，泵在低液位继续运行时，实际余量会比计算值小。

如果设置了低液位联锁停泵，要把设定值，以及到泵真正停下之前液位的继续下降一并考虑。液面晃动或漩涡卷入空气是另一类问题，只靠 NPSHa 的数值解决不了。

温度的影响很大。同样的大气压下，水温升到 80℃，饱和蒸气压升到约 47.415 kPa。取密度约 971.8 kg/m³，其他条件不变，NPSHa 降到约 7.66 m。

如果入口装有保护用的过滤器，要评估堵塞时的损失，而不只是刚清洗后的状态。选择滤网目数时，要同时权衡拦截能力和压力损失。

示例2：吸上（吸上，suiage）

吸上在日语里叫"吸上"（suiage），指水箱液面低于泵基准面，高度项为负。本例沿用同样的 60℃ 水、大气压和 1 m 损失，但最低液位在基准面下方 3 m。

从压力项约 8.44 m 中，减去吸上高度 3 m 和管路损失 1 m，剩下约 4.44 m。液位差从 +3 m 变成 −3 m，所以 NPSHa 比示例1低 6 m。

只看大气压理论上能托起的水柱高度，就断言"能吸到这么高"，是不够的。实际上要扣除饱和蒸气压和管路损失，还要为泵的必需汽蚀余量和裕量留出空间。

吸入管越长、流量越大，损失越大，余量就被吃掉越多。选管路走向和管径时，要考虑流速与压力损失的关系。

即使计算出的 NPSHa 够用，如果泵丢失引水（日语 yobimizu，即灌泵）或吸入了空气，也可能无法正常出水。吸上能否成立，还取决于吸入管的气密性和泵的引水方式，要按使用说明书的要求。

测吸入侧压力时，要注意压力真空表（日语称连成计，rensei-kei）的负压刻度与绝对压力的区别。不要把负的表压直接从饱和蒸气压中减去，要先加上大气压换算成绝对压力。

示例3：加压的饱和水箱

在密闭水箱中，液面压力可能高于大气压，也可能接近真空。公式不变：用液面绝对压力减去该液温下的饱和蒸气压。

本例中，水箱压力为 0.5 MPa（表压，日方图纸写作 MPaG），箱内是在该压力下处于饱和状态的水，最低液位在基准面上方 3 m。周围大气压取 0.101325 MPa，则液面绝对压力为 0.601325 MPa。日方图纸和规格书常在单位后加"G"表示表压（如 MPaG、kPaG），国内一般写"MPa（表压）"或 MPa(G)。

在这个条件下，饱和水温度约 158.9℃，饱和蒸气压与液面绝对压力相同，也是 0.601325 MPa。压力项变成零，NPSHa 就只由液位差减去水头损失决定。

水箱压力高，并不意味着这个压力数值都能算进 NPSHa 的余量。饱和状态下，压力升高时温度也随之升高，饱和蒸气压项同样增大，把压力的增量抵消掉了。

反过来，如果液温保持不变，用氮气等惰性气体加压，则与饱和蒸气压的差值确实会增大。但这会改变压力容器和工艺条件，实施前要审查设备的设计条件和安全性。

处理饱和液体的系统，还要留意压力骤降时的闪蒸，以及吸入管内的吸热或散热。稳态下液面压力与蒸气压相抵消，并不能说明瞬态工况和气液两相流的情况也已评价过。

真空容器同样要用绝对压力计算，液面压力降低，NPSHa 就减小。把抽真空的设备和输送液体的泵当作两个不同功能来理解，思路会清楚得多。

三个示例对照

下表按公式中各项的作用，把三个算例并排列出。

用吸入口压力读数核算 NPSHa

用泵入口处测得的压力求 NPSHa 时，要在压力表显示的静压上加上流速水头。与从水箱液面算起的公式不同，到测点为止的管路损失不要再减一次。

假设水温 60℃，与基准面等高的入口压力表读数为 −20 kPa（表压），入口流速 2 m/s。大气压取 101.325 kPa，则入口绝对压力为 81.325 kPa，再从中减去饱和蒸气压 19.946 kPa。

本例中入口表压为负，绝对压力仍是正的，NPSHa 约为 6.57 m。不能只凭有没有负压来判断泵能否运行，要把这个值与制造商给出的 NPSHr 和余量要求对照。

如果压力表装在基准面以上，要加上这段高度，装在以下则减去。只有测点在泵入口上游时，才再减去测点到入口之间的损失。测点上游的损失，已经反映在读数里了。

NPSHa 与 NPSHr：余量怎么取

基本规则是：NPSHa 必须大于 NPSHr，并且按用途再留出足够的余量。美国水力学会把两者之差称为 NPSH 余量（NPSH margin，即汽蚀余量裕量）。

ANSI/HI 9.6.1 讲了什么

ANSI/HI 9.6.1《回转动力泵 NPSH 余量导则》（Rotodynamic Pumps Guideline for NPSH Margin）是美国水力学会关于这一主题的导则，2024 年版取代了 2017 年版。美国水力学会公布的说明中可以确认以下几点：

• 2024 年版以制造商提供的 NPSHr 而不是 NPSH3 为基准来确定余量，原因之一是并非所有制造商都公布 NPSH3。NPSHr 应大于或等于试验得到的 NPSH3。
• 推荐的余量因市场领域和用途而异。导则还列出了需要考虑的因素：液体（温度、溶解气体、固体颗粒）、泵的设计、转速、磨损、运行区域、入口条件、瞬态、回流和并联运行等。
• 泵在最佳效率点附近的优先运行区（POR）运行，所需余量比在更宽的允许运行区（AOR）运行时小。
• 系统分析中要使用最低的 NPSHa，并在整个运行范围内复核 NPSHa 与 NPSHr。

具体的余量数值写在标准正文里，而标准是付费文件，本文不引用。适用的数值请查标准，或向泵供应商确认。国内的石化等项目，余量要求也常在 API 610 等规范、设计院的规定或合同规格书中另行约定。

用差值还是比值表示余量

余量可以用差值（NPSHa − NPSHr，单位 m）表示，也可以用比值（NPSHa ÷ NPSHr）表示。以米计的余量和以比值计的余量是不同的判据，所以要确认制造商或项目规格书采用哪一种。另外还要确认基准是 NPSHr 还是 NPSH3。

不要对所有泵都规定同一个固定的米数。要根据液体、运行范围和所需的可靠性，与制造商商定。

在运行范围内找最不利工况

不要只检查一个正常运行点。把实际会出现的液位、温度、压力和流量组合都列出来。最低液位、最高液温、最低液面压力、最大管路损失，都会让 NPSHa 变小。

并不是所有极端值都会同时出现，要结合工艺和控制逻辑，找出现实中可能出现的组合。把运行分为正常运行、启动、停机、清洗、切换供液来源等状态，更容易发现被忽略的工况。

另外几种情况会改变评价结果：

• 多台泵共用吸入管：随着泵的启停，公共管路中的总流量会变化。要把每台泵分担的流量与公共管的损失对应起来考虑。
• 提速运行：泵的 NPSHr 会随流量一起变化，不能直接沿用原转速下的值。动力和吸入条件要一起评价。
• 高黏度液体：吸入管损失和泵性能都会变化，按水选型的条件可能不能直接套用。要在规格书中写明液体的温度和物性。
• 水以外的液体或混合液：不要直接用水的饱和蒸气压和密度表。要明确成分、浓度和运行温度，并把供应方的物性资料、制造商的适用条件与计算表对应起来。
• 含溶解气体或混入气体：只按单相液体的 NPSH 计算，可能解释不了泵的行为。要把气体来源和分离状态写进规格，并且不要把汽蚀与气体卷入混为一谈。

余量不够时

可以比较几种办法：降低泵的位置、提高并保持液位、减小吸入管路损失。改变液温或容器压力还会影响工艺，所以要根据装置的条件选择，而不是看哪种办法能把数值抬得最高。

不要在现场临时采取这类做法：拆掉过滤器、调低保护设定、关小吸入阀。应当在保持必要的保护和最小流量的前提下，针对真因，按制造商的运行条件去改进。

实测值与计算值对不上时

按下面的顺序检查：

1. 同一时刻记录所有数据：压力表零点、压力表安装高度、液温、流量、水箱液位。把不同时刻的最低液位和正常压力混在一起算，得到的是一个实际并不存在的工况。
2. 在同一基准面上比较两种算法：由入口静压得到的值，与从水箱液面减去损失得到的值。流速水头、高度修正和压力单位都一致时，两种方法描述的是同一个吸入条件。
3. 差距仍然大，就逐项排查：阀门状态、过滤器堵塞、管子实际内径、仪表误差。不要在泵继续运行的情况下一口咬定某一个原因，异常时的停机或隔离按装置的规程进行。
4. 保存正常状态的读数：检查之后，把正常时的压力和压差记录下来，以后可以在相同流量和温度下比较变化。

改造已有管路时，要检查锈蚀或结垢造成的流通面积缩小，以及更换后内径的变化。腐蚀和内表面处理，也和吸入管的长期维护有关。

可以直接使用的内容：检查清单、提问清单与询问邮件

编制 NPSH 计算表，或审阅日方泵供应商的方案时，可以用下面的内容。报价阶段不明确的条件，应当作为待确认项留在清单上，而不是简单地多留余量了事。最高液温、过滤器允许压差等一旦确定，就更容易避免设备过大或余量不足。

NPSH 计算表检查清单

• 每个运行状态（正常、启动、停机、清洗、切换、最大流量）占一行，流量、液位、温度、压力、损失和 NPSHa 放在同一行
• 在 NPSHa 右侧填入同一状态下的 NPSHr 和所需余量
• 压力全部换算成绝对压力，表压读数用当地大气压修正
• 使用实际液体在各运行状态温度（含最高温度）下的饱和蒸气压和密度
• 高度从最低运行液位（含低液位停泵前的下降量）量到制造商规定的 NPSH 基准面
• 水头损失包含入口、弯头、阀门和堵塞状态的过滤器，并用实际管子内径、按各流量分别计算
• 泵的曲线要与实际转速、叶轮和液体对应，而不是只看型号
• 记录余量的判据：用差值还是比值，以 NPSHr 还是 NPSH3 为基准
• 把适用标准或导则规定的试验方法，与安装后的运行条件都写进规格书；如果供应商给的是 NPSH3 试验结果，要明确写出把它当作必需汽蚀余量使用的条件，以及要追加的余量
• 检查切换后瞬间的压力和液位波动是否在计划范围内，稳态与瞬态分开评价
• 把选型条件传递到操作规程和停泵设定中
• 把最小 NPSHa 和最大 NPSHr 作为同一工作点上的组合保留下来，而不只是分别找极值
• 低液位、高温报警的设定值，要能追溯到它所保护的那一行计算，以便管路或液体变更时复核

向泵供应商确认的问题

• 所给的"必要NPSH"（NPSHr）是试验得到的 NPSH3，还是已加了余量的值？
• 能否提供我方实际转速、叶轮直径下，全流量范围的 NPSHr 曲线？
• 对这个用途和运行范围，您推荐多大的余量？依据是什么（差值还是比值，哪个标准、哪个版本）？
• 该泵的 NPSH 基准面在哪里（叶轮中心线、吸入口法兰，还是别处），在外形图上的标高是多少？
• 最小连续流量是多少？低流量时 NPSHr 会升高吗？
• 吸上工况：指定的引水方式是什么？对吸入管的气密性有什么要求？
• 水以外的液体：用的是哪份物性数据？对黏度、溶解气体、固体颗粒有没有适用限制？

询问邮件范例

发送前请修改方括号中的内容。如需发给日方，可按此内容改写成英文或请人翻译成日文。

本文不适用的情况

• 计算以稳定的单相液体流动为前提。压力骤降、闪蒸、气液两相流等瞬态工况，需要另行评价。
• 三个算例用的是假设的水的数值。实际项目要使用真实液体的物性、实际的管路损失和制造商的数据。
• 本文不给出推荐的余量数值。余量取决于用途、泵，以及适用的标准或项目规格书，由泵供应商或负责的工程师决定。
• 立式泵等机型的基准面约定不同。务必使用制造商指定的基准面。
• 用惰性气体给容器加压，需要审查设备的设计条件和安全性；改变液温或容器压力，也会影响工艺。本文只说明该检查什么，不涉及如何实施这些改动。

常见问题

NPSHa 和 NPSHr，到底该算哪一个？

NPSHa 由你根据自己系统的液位、压力、温度和管路损失来算，NPSHr 则从制造商资料中读取。两者要在同一流量、同一转速下比较，并加上用途所需的余量。

NPSHr 和 NPSH3 是一回事吗？

不一定。NPSH3 是扬程下降 3% 时的试验值，NPSHr 是制造商给出的、泵要达到规定性能所需的值。有的资料把两者写成同一个数，但在规格书的验收判据没看清之前，不能当成一回事。

NPSHa 是正数，泵就能运行吗？

只是正数不够。NPSHa 必须大于该工作点的 NPSHr，并满足所需余量。泵还要满足最小流量、引水、防止空气混入等其他运行条件。

给饱和水的水箱加压，余量会增加吗？

如果加压后水仍然是该压力下的饱和状态，液面压力与饱和蒸气压两项仍然互相抵消。保持液温不变而加压的情况则不同，要先确定温度与压力的具体组合，再做评价。

NPSH 余量留多少才算够？

这取决于液体、泵、运行范围，以及用途所要求的可靠性。要采用制造商指定的判据和适用的导则（如 ANSI/HI 9.6.1），并比较最严苛的运行条件下是否仍然满足。

参考资料

• 泵汽蚀基础（总压与饱和蒸气压、扬程下降、首级基准）：荏原制作所《泵汽蚀现象的基础知识（第1回）》（日文）
• NPSH 的基准点、公式、损失与试验判据：KSB，"NPSH"，离心泵词典（英文）
• 2024 年版 ANSI/HI 9.6.1 与以 NPSHr 为基准的余量：Hydraulic Institute，"Understanding the 2024 Updates to ANSI/HI 9.6.1"（英文）
• NPSH3、POR 与 AOR：Hydraulic Institute，"Reliability Basics: Understanding NPSH, POR, and AOR"（英文）
• 大气压、高度、损失与饱和蒸气压：Grundfos，"Pump Hydraulics" 培训资料（英文）
• 饱和水的物性：IAPWS，Industrial Formulation 1997（IAPWS-IF97）