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无密封离心泵选用时应注意的问题

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一、概述
     无密封离心泵,也称无泄漏离心泵,可分为磁力驱动离心泵(以下简称磁力泵)和屏蔽泵,它们在结构上只有静密封而无动密封,因此输送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也越来越广泛。为便于大家合理选用无密封离心泵,通过介绍无密封离心泵的类型、原理、结构,比较磁力泵和屏蔽泵的特性,归纳出无密封离心泵选用时应注意的一些问题。
二、磁力泵
1. 磁力泵的工作原理
     磁力传动是利用磁体能吸引铁磁物质以及磁体或磁场之间有磁力作用的特性,而非铁磁物质不影响或很少影响磁力的大小,因此可以无接触地透过非磁导体(隔离套)进行动力传输。
     磁力传动可分为同步或异步设计。大多数磁力泵采用同步设计。电动机通过外部联轴器和外磁钢联在一起,叶轮和内磁钢联在一起。在外磁钢和内磁钢之间设有全密封的隔离套,将内、外磁钢完全隔开,使内磁钢处于介质之中,电机的转轴通过磁钢间磁极的吸力直接带动叶轮同步转动。
     异步设计磁性传动,也称扭矩环磁性传动。用鼠笼式结构的扭矩环来取代内磁钢,扭矩环在外磁钢的吸引下以略低的速度转动。由于无内磁钢,因此其使用温度要高于同步驱动的磁力传动。
2. 磁力泵的结构
1) 磁力耦合器
     磁力传动由磁力耦合器来完成。磁力耦合器主要包括内磁钢、外磁钢及隔离套等零部件,是磁力泵的核心部件。磁力耦合器的结构、磁路设计,及其各零部件的材料关系到磁力泵的可靠性,磁传动效率及寿命。磁力耦合器应在规定的环境条件下适用于户外启动和连续操作,不应出现脱耦和退磁现象。
(1) 内、外磁钢
     内磁钢应用粘合剂牢固地固定在导环上,并用包套将内磁钢和介质隔离。包套最小厚度应为0.4mm,其材料应选用非磁性的材料,并适用于输送的介质。
     外磁钢也应用粘合剂牢固地固定在外磁钢环上。为防止装配时外磁钢的损坏,外磁钢内表面最好也应覆以包套。
     同步磁力耦合器应选用钐钴、钕铁硼等稀土型磁性材料;扭矩环传动器可选用钐钴、钕铁硼等稀土磁性材料,或铝镍钴磁性材料。钕铁硼的磁能积高于钐钴,缺点是使用温度仅为120℃,且磁稳定性相对较差。钐钴的磁传动效率和磁能积高,并具有极强的抗退磁能力。用于磁力泵的钐钴通常有两种,钐钴1.5级Sm1Co5和2.17级Sm2Co17。钐钴1.5级含钐35%,钴65%,最高使用温度250 ℃,居里温度523℃;钐钴 2.17级含钐25%,钴50%,钛、 铁等 25%,其最高使用温度达350 ℃,居里温度750℃。
(2) 隔离套
     隔离套也称隔离罩或密封套,位于内、外磁钢之间,将内、外磁钢完全隔开,介质封闭在隔离套内。隔离套的厚度与工作压力和使用温度有关,太厚,则增加内、外磁钢的间隙尺寸,从而影响磁传动效率;太薄,则影响强度。
     隔离套有金属和非金属两种,金属隔离套存在涡流损失,非金属隔离套无涡流损失。金属隔离套应选用高电阻率的材料,如用哈氏合金、钛合金等,也可选用奥氏体不锈钢,其厚度一般应大于或等于1.0mm。对于小功率的磁力泵,且使用温度较低时,其隔离套也可考虑采用非金属材料,如塑料或陶瓷等。
2)滑动轴承
(1) 碳化硅陶瓷
     磁力泵一般采用碳化硅陶瓷轴承。为防止游离的硅离子进入介质,一般应要求采用纯烧结的α级碳化硅。碳化硅滑动轴承,承载能力高,且具有极强的耐冲蚀、耐化学腐蚀、耐磨损和良好的耐热性,使用温度可达500℃以上。碳化硅滑动轴承的使用寿命一般可达3年以上。
(2) 石墨
     石墨具有较好的自润滑性能,可经受短时间的干运行,使用温度可达450℃,缺点是耐磨性能较差。石墨滑动轴承的使用寿命一般可达1年以上。
3.泵保护系统
(1) 轴承状态监测器
     如果用户需要,一些国际知名厂商可配置非接触式的轴承状态监测器,用于防止轴承磨损失效、联轴器的脱耦、转子卡住,及功率系统故障等。
(2) 电机功率监控器
     电机功率监控器通过监测电机功率,来避免发生低流量或干运转。
(3) 温度探头
     用温度探头(RTD)来监测隔离套的温度,以反映泵在操作中状态的变化。可防止泵的干运转、内外轴承磨损、严重汽蚀、闷泵、泵卡住、以及系统过热等。
(4) 差压开关
     用差压开关来监测泵出口的压力变化,可防止泵的干运转、严重汽蚀、闷泵、泵卡住等。尤其适用于容器卸空/槽车卸载等。
(5) 第二层保护
a. 承压密闭的磁耦合箱体
     隔离套外为磁耦合箱体,如图1的虚线部分。对于高系统压力下输送某些剧毒或易燃化学品时,该箱体应为承压密闭容器,其设计和试验压力值和泵的液力端相同;且泵外轴和磁耦合箱体之间应设节流衬套和机械密封(俗称二次密封)。
b. 双隔离套结构
(6) 液体泄漏探头
     对于采用第二层保护的磁力泵,应设置液体泄漏探头。对于承压密闭的磁耦合箱体结构的磁力泵,当隔离套破裂,或由于其它原因有液体进入磁耦合箱体时,探头就会报警;对于双隔离套结构的磁力泵,当内隔离套破裂,或由于其它原因有液体进入内外隔离套之间的腔体时,探头就会报警。
三、屏蔽泵
1. 屏蔽泵的工作原理
     屏蔽泵的泵头和电动机都被封闭在一个被泵送介质充满的压力容器内,此压力容器只有静密封。屏蔽泵的叶轮和电动机的转子固定在同一根轴上,利用屏蔽套将电动机的转子和定子隔开,转子在被输送的介质中运转,其动力通过定子磁场传递给转子。
2屏蔽泵的结构
(1) 滑动轴承
     由于转子较长,屏蔽泵需设前后两个滑动轴承座。这两个轴承要求精确对中。如果对中不佳,轴承很容易碎裂。
由于石墨材质相对较软,因此屏蔽泵的滑动轴承较多地采用石墨材质。石墨滑动轴承与表面堆焊钨、铬、钴等硬质合金或等离子喷涂氮化硅一类硬质合金制成的轴套组成摩擦副,使用寿命可达一年以上。
也有些屏蔽泵厂商,由于较好地解决了前后两个滑动轴承座的对中问题,因此也可采用纯烧结α级碳化硅材质。如果使用情况良好,纯烧结α级碳化硅滑动轴承的寿命可达三年以上。
(2)屏蔽套
     屏蔽泵通常有两个屏蔽套,即定子屏蔽套和转子屏蔽套。用来防止工作介质浸入定子绕组和转子铁芯,其厚度一般为0.4~0.7mm。由于屏蔽套的存在,使电动机定子和转子之间的间隙加大,造成屏蔽电动机的性能下降,同时在屏蔽套中还会产生涡流,增加了功率损耗。
对于屏蔽泵,其屏蔽套应选用耐腐蚀性好、强度高的非导磁材料,定子屏蔽套优先选用哈氏合金。转子屏蔽套一般选用哈氏合金或奥氏体不锈钢。
(3) 屏蔽泵的类型
     根据被输送液体的温度、压力、有否颗粒和粘度高低等不同要求,屏蔽泵一般可分为基本型(标准型)、逆循环型、高温型、高融点型、高压型、自吸型、液下型、泥浆型、高压管路型,以及专为船舶、核电站和吸收制冷装置用的各种类型屏蔽泵。
2.泵保护系统
     为提高使用寿命和运转的安全性,屏蔽泵通常都设有下列保护装置。
(1)轴承磨损监测器
     轴承磨损监测器有机械式、电气式、机械电气式等型式。当屏蔽泵运转时,可以通过轴承磨损监测器随时监视轴承的运转情况,当轴承磨损较大时就要停车检修或更换轴承,在运转时若发生轴承损坏则立即停车。
(2)电流保护器
     屏蔽泵在无液情况下空运转时,会造成轴承损坏。当流量大幅度下降时,电流也会大大降低,此时电流保护器可自动动作而停车。同样,在负载过大时,电流增加较多,电流保护器也会动作,自动切断电流,使电机停止运转,防止事故发生。
     除以上两种保护装置外,如果需要,屏蔽泵还可配热交换能力监测器、液面监测器或在电动机内部装有内压保护器等,以满足不同用途屏蔽泵安全保护的需要。
三、磁力泵和屏蔽泵特性比较
四、选用无密封离心泵时应注意的问题
1. 无密封离心泵标准的选用
1)国外无密封离心泵标准
     由于屏蔽泵和磁力驱动泵都是无密封离心泵,在结构和制造方面有很多相似之处,国外在制定标准时把这两种泵结合在一起考虑。国外常用的无密封离心泵标准如下:
标准号 标准名
API STD 685-2000 Sealless Centrifugal Pumps For Petroleum, Heavy Duty Chemical, And Gas Industry Services
ASME/ANSI B73.3M-1997 Specification For Sealless Horizontal End Suction Centrifugal Pumps For Chemical Process
ISO 15783-2003 Seal-less Rotodynamic Pumps � Class II
2)国内无密封离心泵标准
     我国也有一些针对小型磁力驱动离心泵方面的行业标准,但均属产品标准,对无密封泵选用的意义不大。因此2004年国家发展改革委发文同意中国石化集团编制石化行业无密封离心泵标准。该石化行业SH标准《石油化工无密封离心泵工程技术规定》由中国石化集团公司机械技术中心站组织,中国石化集团上海工程有限公司主编,中国石化工程建设公司、洛阳石化工程公司、宁波工程有限公司,以及上海日机装屏蔽泵有限公司、汉胜工业设备(上海)有限公司、杭州大路实业有限公司、大连海密梯克密封泵有限公司参编。
该标准引用了API Std 685-2000的一些条款,并结合中国石油化工行业的特点编制而成。该标准一并考虑了中、轻负荷无密封离心泵,以及重载荷无密封离心泵,已于2005年8 月通过审查,预计2006年上半年实施。
2. 标准选用
     选用屏蔽泵时还应注意的其他问题
(1) 对于滑动轴承为石墨材质的屏蔽泵,应设轴承磨损监测仪表。监测仪表的具体形式(机械式、电气式、机械电气式等)由买卖双方共同商定。
(2) 屏蔽泵使用时,应定期检查电流,轴承磨损情况,是否渗漏运行,是否平稳,振动和噪声是否正常等。
(3) 买方应留意屏蔽泵的排气问题。重载荷屏蔽泵最好应为自排气型;中、轻载荷屏蔽泵也宜为自排气型,如果卖方     有经验,经买方同意,才允许采用手动排气型。对于手动排气型无密封离心泵,卖方必须在泵的醒目之处悬挂“警示”标签,以提醒买方在开车前及维修前后手动排气。
在无密封离心泵范畴内,选用磁力泵,还是屏蔽泵
在无密封离心泵范畴内,究竟是选用磁力泵,还是屏蔽泵,根据它们的特性比较(详见表1),给出以下建议,供参考。
1) 要求占地面积尽可能小时,可考虑选用屏蔽泵;
2) 对泵效率要求较高时,屏蔽泵有一定的优势;
3) 对噪声和振动要求苛刻时,屏蔽泵有一定的优势;
4) 安全性要求很高时,可考虑选用屏蔽泵,或带第二层保护的磁力泵;
5) 对安全性要求特别高时,应考虑选用屏蔽泵;
6) 要求泵和机械密封泵能够互换时,可考虑选用磁力泵;
7) 输送强腐蚀介质,且必须用非金属材料作为过流部件时,可选用磁力泵;
8) 大功率,或输送高温介质,且现场无冷却水时,可考虑选用磁力泵;当两者皆可以使用时,应根据业主的要求,以及工程公司(设计院)的习惯和经验来确定无密封泵的类型。

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