浅谈屏蔽泵及其输送易汽化介质

1、制造技术Manufactur ing Technology 一、前言在化工、石化、制冷、医药等行业由于介质本身的特性(易燃、易爆、有毒有害、贵重、易汽化等、安全规定、设备质量水平以及针对环境变化的敏感性,各地对于化学品的释放都有一个严格限制,以防止环境遭到污染破坏。用离心泵输送介质的方法不仅仅是寻找最便宜的价格,更重要的是考虑其整体运行成本,其中密封浅谈屏蔽泵及其输送易汽化介质Ab s t ra c tThe article gives a brief a na ly sis ab out c ann edm o t or p u m p a n d i ts applications,emp

2、hasizes that canned motor pumps are safety,environmental protection and economy in handling dange rous especially easy vaporized liquid ,suggests to use c a n ne d mo tor p um ps extensively大连海密梯克泵业有限公司孙武于静杰邹立莉系统占了传统离心泵整个运转总费用的一个很大部分。今天,两种被广泛认可的无泄漏泵屏蔽电泵和磁力驱动泵可以很好地填补这样一个要求:完全无泄漏。它们在结构上只有静密封而无动密封,因此输送

3、液体时能保证一滴不漏。随着环境保护要求的不断提高,无密封离心泵的应用越来越广泛。作为无泄漏泵之一的屏蔽电泵在这些输送系统中占有非常重要的地位。屏蔽电泵在承压能力(海密梯克泵最高达120M Pa 、输送介质温度范围(海密梯克泵为-160480、占地少,噪声小及安全性(多重保护等更优一些。易汽化介质的输送一直是各行业比较棘手的问题,一般由于介质比热小,汽化压力高,黏度小,传统离心泵输送由于密封部分解决不了而泄漏,其不但造成对人的伤害、环境污染,而且在安全性方面、长期设备维护带来的人力、财力上等的费用也高得惊人。屏蔽泵基本上都能把这些问题解决好(如乙烯、低温甲烷、液氨、液氯甚至光气等的输送,并且所需

4、空间仅为传统离心泵(包括磁力泵的一半,可直接把泵放到基础上,可调整支脚的使用有利于保证管路位置,几乎没有噪声(屏蔽泵整个转动部件浸在工作液里;常规泵及磁力泵噪声声大,因为它们以风扇冷却电动机,至少4个球轴承和一个联轴节,比如功率11k W 的50-200屏蔽电泵噪声仅为53dB A 等特性。二、屏蔽泵结构原理海密梯克屏蔽电泵是离心泵和三相交流电动机的共同体,过流部件直接与驱动电动机轴相连,共同组成转子部件。定子屏蔽套嵌在定子内侧以隔离转子腔和定子腔,整个转子浸在工作介质中,屏蔽泵只有静密封而无动密封,达到完全无泄漏,转子旋转工作的动力来源于定子磁场。由于无泄漏设计,必须采用滑图1屏蔽泵结构原理

5、1.叶轮2.定子3.转子4.定子屏蔽套5.滑动轴承23451 制造技术Manufacturing动轴承,且滑动轴承必须工作在泵送液体里,绝对禁止无液运行。工作时整个转子腔都充满工作液,通常情况下支撑转子(所有转动部件连成一体的是两套滑动轴承,由工作介质对其进行润滑,同时工作介质还可以带走电动机产生的部分热量。在泵刚开始起动和关闭时,滑动轴承对泵的旋转部件提供径向支撑;当屏蔽泵转速达到额定后,滑动轴承对轴的直接支撑作用将由液压动力液膜代替;另外,泵轴向推力也可通过液压平衡方式随时得以校正。也就是说,正常运转情况下泵固定部件与旋转部件是完全不接触的,因此没有磨损。如图2、图3所示(轴承及其正常工作

6、时的情况。轴承耐磨材料的设计充分考虑了可间歇操作和不含气的轻质液体,主要有W C对SI C30和S SI C 对SS I C,德国HERM ETI C公司的SSI C滑动轴承设计使用寿命为20年。最好不要选择石墨轴承(虽自润滑性好些,但对化工介质有污染、抗某些介质的腐蚀能力较差及偶然杂质进入的适应较差、寿命一年左右等。屏蔽套(包括定子屏蔽套和转子屏蔽套作为屏蔽电泵的另一个非常重要的部件,起着隔离介质防止外漏的作用。其隔在定、转子之间加大了定、转子之间的间隙,以及屏蔽套中产生的涡流损失都会导致电机性能的下降。所以,屏蔽套一般选用耐腐蚀性好、强度高的非导磁材料,尤其定子屏蔽套(一般优先选用哈氏合金

7、材料。海密梯克屏蔽泵一般采用内循环的循环方式,对于输送易汽化介质,大多采用高压内循环的工作方式,如图4、6所示,从叶轮出口高压区分流出一部分高压液流通过电动机腔进入空心轴回到次高压区见图4或经过辅助叶轮二次加压经过电动机腔回到高压区。这种高压内循环方式充分保证了介质不会由于吸收热量而在转子腔汽化,造成滑动轴承的干摩擦等破坏,同时润滑轴承并带走电动机产生的部分热量。三、输送易汽化介质屏蔽泵的选用1.选泵时需要注意的问题由于到目前为止还没有哪一家生产的屏蔽泵完全符合无泄漏泵标准API685,国内也没有统一的标准,所以选用屏蔽泵大多只能根据实际情况和经验由生产厂家及用户来定。输送化工介质尤其易汽化介

8、质,并不是简单地算出轴功率等参数就可以了,所有工况条件、工艺参数(如介质黏度、比热、流量、扬程、密度、入口汽化压、吸入压力、汽化温度、使用温度、有无颗粒、结晶温度、汽蚀余量等都应该考虑充分,以便选择合适的泵型及安装形式、正确地操作方式,以及用户管路系统合理等才能确保整个系统的工作顺畅,泵不汽蚀、不汽化,工作平稳。一般情况下,某一工作温度下易汽化介质通常被定义为汽化压力大于5000Pa,其黏度一般也很小(甚至小于0.1c p。不同介质的比热、汽化热不尽相同,单位体积介质在同一环境温度下吸收的热量、温升情况就会有很大的不同。就汽化压而言,汽化曲线很陡(比如:液化气,温度升高一点汽图6循环方式3 制

9、造技术Manufactur ing Technology化压就会升高很多,介质在屏蔽泵里各点的温度也不相同,必须有足够的压力以保证介质的不汽化。上图为压力-温度特性图(多级和单级泵的。在汽化压力曲线以上的任何位置(处于液相状态是非常重要的,尤其暖点3,如果此温度下的压力得不到保证,介质开始汽化。下面就汽化、汽蚀、黏度等几个重要参数简单说明,在特殊的工况下还需要通过热平衡计算等以考虑用什么样结构的泵。要其保证介质不汽化并正常工作,降低温度比较困难(尤其工况条件已定的情况下,只有增加压力。同时,装置和泵应该有合理的汽蚀余量关系,只有NPSHANPSHR,在泵的入口才不会发生汽蚀。电动机转子腔内循环

10、流动的液体,由于吸收了电动机产生的热量使其本身温度升高,汽化压也随之升高,必须加压以使其不汽化。如果介质易汽化,一般可选用多级泵CAM型(见图7和单级泵CNF型(见图9这种高压内循环结构的海密梯克屏蔽泵。用海密梯克带诱导轮的CNF型泵,甚至汽化曲线流动性特别陡的也能输送,如图9中虚线所示。如果入口压足够高(或介质不易汽化也可以选择海密梯克CN型泵,如图8所示(压力-温度图,分流循环后流到泵的低压区。只保证介质不汽化、不汽蚀还不够,对于易汽化介质来说,其黏度是泵选用的一个非常重要的参数。屏蔽电泵的特点决定了轴承之间的实际润滑支撑必须由工作液来完成,如果液膜没有足够大的黏度,液膜就承受不了转子部件

11、的压力而遭到破坏(或轴承本身就不能图7多级泵C A M型图8C N型泵图9单级泵C N F型承受转子的重量而坏损,进而形成干摩擦轴承磨损严重或碎裂各部件原有的位置关系平衡破坏泵损坏不能正常工作系统停,此时必须重新选择合适的泵型或改变泵安装形式,以此达到满足工况要求。由于不同介质比热等特性的不同,对于一些特别苛刻的、汽化临界的介质必须通过热平衡计算以选择合适的泵型。介质在屏蔽泵里各点的温度是不相同的,汽化压力当然也不同,介质的压力要高于汽化压力泵才能正常工作。对于所有高汽化压力或在真空条件下的介质应用热平衡计算尤其必要。海密梯克屏蔽电泵输送液氨时其在泵各位置的压力-温度图,如图10所示,冷却分液

12、流在不同位置(A至F的情况,只要实际操作压力高于冷却分液流的汽化压力,泵正常工作就没问题。图10压力-温床图当然,如果电动机内汽化压处于临界状态,在条件允许的情况下也可通过冷却电动机(如冷却水等来达到泵的正常工作。根据工况条件选配合适的监控仪器、仪表,如监测温度、液位、泵重要部件的运行情况以及是否有向大气泄漏情况的发生等。 2.安装需要注意的问题1为了提高泵的吸入性能,泵的吸入管路应尽可能缩短,尽量少弯(弯头最好用大曲率半径并且在死角处加阀;入口侧配管应选定能充分满足汽蚀余量条件的管径,应大于或等于泵入口直径。单吸泵的进口处,最好配置一段约3倍进口直径的直管。必要时也可加诱导轮来解决汽蚀问题。

13、2输送密度小于650kg/m3的液体时,泵的吸入管道应有1/10 1/100的坡度坡向泵,使汽化产生的气体返回吸入罐内,以避免泵产生汽蚀。3如果配管直径不同,应使用偏心异径管,以避免形成气囊。4为方便维修,一定要在泵入口处水平安装断流阀,最好安装阻力小的球阀。5有条件的在吸入侧安装过滤量足够大的过滤器,过滤网目数应在3050目/英寸左右。3.关于操作屏蔽泵正式起动前必须排净泵腔内的气体,可通过先点动再正式起动的方式使泵腔内的气体排出更充分。通常要保证泵入口储罐内液体的气相平衡,这是因为密闭储罐内液体上部气相在开车前为此温度下的饱和蒸汽压,当开车时,随关液面的下降,如果液面液体还没来得及汽化,其

14、上的蒸汽压就会由饱和变为不饱和,同时如果没有通过其他方式补压,这就有可能导致泵入口处压力不足,泵汽蚀。为避免此情况发生,通常为其补压(可能是其他气体或经其气相注入此液体,最好是大于等于储罐里液体温度的。液氯的屏蔽泵输送技术就有类似问题出现,因液氯的易汽化性和高温时(相对的汽化压力较高的特性以及输送、充瓶工作的不连续性,如果保温效果不理想,泵入口管处介质温度会高出储罐里液体温度许多,有可能汽化压力的升高导致汽化汽蚀现象,一般要求其储罐上方的气相及时补压或回流液氯以确保其压力,以确保此温度下的装置汽蚀余量,使泵正常工作。对于液氯输送来说,因其容易产生酸泥而使管路不畅,这也是加压的另一个原因。如果正

15、常设计时NP S HA值够用,并且储罐里液体的温度与泵入口处(及泵内液体的温度相同或差别不大,就可以不用加压或首次加压起动即可;如上面提到的一些装置要是泵离储罐较远,管路保温效果不好,泵入口处(及泵内液体的温度高出储罐内液体较多,储罐加压以保证其入口不汽蚀。在正常情况下在叶轮的口环处都有一定的泄漏量,液流在泵的入口处被加热同时汽化压力会升高。为避免汽蚀,应该考虑吸入压头,NPSHA必须相应地增加,或者说由于泵的入口处液流温升使N PSH R增加。氨和水在不同温度下的NPSH曲线如图11所示。在小流量时,根据介质特性,曲线越陡汽化压力越高。4.泵的维护为了不引起不必要的麻烦和泵的损坏,屏蔽泵必须

16、在允许的流量范围内操作,不能在极限范围以外进行操作:1如果泵的工作流量小于最小连续流量,可能导致泵振动、泵效率低、泵温度升高介质汽化泵干转等。如果流量过大,就可能超过电动机的额定输出功率,并且可能发生汽蚀。流量过小也可能导致泵汽蚀余量而不能满足使用要求(如图13所示。图11介质、温度、流量及气蚀关系图12N PSH A和N PSH R与H(Q关系图2轴承及壳体等径向承压和转子轴向自动平衡的需要。3需要充分冷却电动机和轴承润滑,以免因分液流太小电动机温升高、热平衡遭到破坏,工作液汽化,轴承润滑不充分而干摩擦;为防止冷却液流汽化,屏蔽泵和磁力泵总是被控制有一个最小的液流。图13流量与有关参数关系(

17、下转第124页 凝水进出的情况下,使刮刀轴从旋转接头的中心伸出。这种结构使蒸汽和冷凝水的进出通过机械密封(动静球面密封副的方式达到动静转换。三、密封改造密封改造成功的原则有以下几点:保证旋转轴与釜体的连接尺寸不变;保证原支撑轴承的尺寸和位置不变;保留原刮刀轴并保证其使用性能。依据上述原则,对原来的旋转轴部分进行全面改造,具体如下。(1旋转支承轴旋转支承轴的材料采用整体锻45钢;其与釜连接的径向尺寸和轴承连接直径保持原尺寸不变;轴向长度要保证刮刀轴与釜的密封和原轴承的支撑位置。支承轴的另一端根据旋转接头的连接尺寸和结构要求进行设计和制造。(2旋转接头本部件依据原设备工艺性能和结构的实际要求,并能

18、有效改善原设备使用缺陷(蒸汽的泄漏,由专业的生产厂家进行非标旋转接头的制造。该非标旋转接头的使用参数如下:最高压力为1.8MPa;最高温度为220;最高转速为100r/m i n;适用介质为水、蒸汽、导热油等。部件主体采用铸钢结构,主密封球型密封副的材料为浸渍石墨和青铜,其他辅助密封采用聚四氟填料密封。(3刮刀轴的加长由于原刮刀轴不能从釜中取出,因此只能在原刮刀轴的基础上进行拚接。在设计拼接的轴时还考虑了轴两端(釜出口、旋转接头出口的密封和支撑。拼接轴的材料为45#,联结采用键和紧定螺钉相结合的连接方式。(4增设填料密封由于结构型式的改变,我们在原刮刀轴设备出口处增设了一个填料密封,填料座采用45钢制造,密封方式采用两组聚四氟V 形填料。参考文献1成大先.机械设计手册M.北京:化学工业出版社,2002.2潘永康.现代干燥技术M.北京:化学工业出版社,1982.3胡国桢等.化工密封技术M.北京:化学工业出版社,1990.四、改造后效果密封改造的设计、制造、安装和投用工作于2007年1月结束,由于设计和制造前期多次对现场设备进行测量,同时对设备的使用状况和操作参数进行了充分的了解和分析,使改造部件现场安装十分顺利,并于安装完成后一次试车成功。到目前为止,改造后的设备已运行了近两个月,密封效果十