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技術知識

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三種不同密封形式化工泵對比

日期:2020-6-12 10:59:40

在石油化工行業,離心泵具有性能范圍廣泛、流量均勻、結構簡單、運轉可靠和維修方便等諸多優點,得到了廣泛的使用,占裝置泵總量的70~80%。而常見離心泵有單端面密封離心泵、雙端面密封離心泵及屏蔽泵等。那么,在輸送危險物料時單端面密封離心泵、雙端面密封離心泵及屏蔽泵那個安全性更好,相對那種泵又比較經濟。本文以甲醇裂解制氫裝置甲醇輸送泵為例,針對這3種類型的離心泵的結構特點和軸封特性進行分析和探討。

一、案例

某石化企業甲醇裂解制氫裝置,原料由甲醇輸送泵P-3307A/B送到裝置進料泵,該甲醇輸送泵工藝技術參數如下:

表1-1:甲醇輸送泵工藝技術參數

序號

設備名稱

設備位號

輸送介質

流量 m3/h

楊程 m

溫度 ℃

1

甲醇輸送泵

P-3307A/B

甲醇

30

100

40

甲醇的特性:甲醇是一種有機化合物,密度0.791 g/mL,沸點64.7℃。甲醇揮發度高、無色、易燃易爆、有毒,誤飲5~10毫升能雙目失明,大量飲用會導致死亡。常用危險化學品的分類及標志 (GB13690-92)將該物質劃為第3.2 類中閃點易燃液體。

二、各泵的結構特點和軸封特性

 1、機械密封概述

機械密封(也稱端面密封)是一種用來解決旋轉軸和機體之間的密封裝置,它是由至少一對垂直于旋轉軸線的端面,在流體壓力和補償機構彈力的作用及輔助密封的配合下,保持貼合并相對滑動而構成防止流體泄漏的裝置,常用于機泵、壓縮機等旋轉式流體機械。機械密封的基本元件由動環、靜環、壓蓋、推環、彈簧、定位環、軸套、輔助密封(動靜環密封圈、軸套密封圈)組成。其機械密封外形結構圖如圖2-1

圖2-1:機械密封外形結構圖

機械密封的工作原理如圖2-2所示。它是靠彈性構件(如彈簧或波紋管,或波紋管及彈簧組合構件)和密封介質的壓力在旋轉的動環和靜環的接觸表面(端面)上產生適當的壓緊力,使這兩個端面緊密貼合,端面間維持一層極薄的液體膜而達到密封的目的。這層液體膜具有流體動壓力與靜壓力,起著潤滑和平衡壓力的作用。

機械密封一般有四個密封部位(通道),如圖2-2中所示A、B、C、D。A通道是旋轉環與靜止環的端面彼此貼合作相對滑動的動密封,它是機械密封裝置中的主密封,也是決定機械密封性能和壽命的關鍵。B處為靜環7與壓蓋4端面之間的密封;C處為動環3與軸(或軸套)9配合面之間的密封,因能隨補償環軸向移動并起密封作用,所以又稱副密封;D處為壓蓋與泵殼端面之間的密封。B、D、C三處是靜止密封,一般不易泄漏。

2、單端面密封離心泵的結構和軸封特性

如圖2-3所示,單端面密封離心泵的軸封由一對摩擦副密封端面組成,只有一級密封,一般有自沖悉系統,無外供液沖洗冷卻系統,當這一級密封泄漏時,泵體介質會直接泄漏到環境中,主要適用于一般介質場合。與其他輔助密封并用時,可用于帶懸浮顆粒、高溫、高壓等場合。

圖2-3:單端面密封

3、雙端面密封離心泵的結構和軸封特性

   如圖2-4所示,雙端面密封離心泵的軸封由兩對摩擦副密封端面(動靜環摩擦副1、動靜環摩擦副2)組成,需外供封液系統,帶有泄漏液收集和泄漏報警裝置的雙機封密封。一級是內機封,由泵體工藝介質提供潤滑沖洗;一級是外機封,由外供液系統進行冷卻、沖洗。雙端面密封具有兩級密封,當內機封泄漏時,會先泄漏到外級機封的沖洗冷卻系統壓力罐,而沒有直接泄漏到環境中來,確保初步的安全。只有內外兩級機封都泄漏時,泵體介質才會泄漏到環境中,適用于強腐蝕、高溫的介質、氣體介質、易燃易爆、易揮發、低粘度的介質,以及高真空等場合。

圖2-4:雙端面密封爆炸圖

 4、屏蔽泵的結構和軸封特性

(1)屏蔽泵的工作原理及結構

如圖2-5所示,屏蔽泵是一種無密封泵,泵和驅動電機都被密封在一個被泵送介質充滿的壓力容器內,此壓力容器只有靜密封,并由一個電線組來提供旋轉磁場并驅動轉子。這種結構取消了傳統離心泵具有的旋轉軸密封裝置,故能做到完全無泄漏。

屏蔽泵屬于離心泵的一種特殊形式,主要由泵體、葉輪、定子、轉子、前后導軸承、軸套以及推動盤組成。電動機與泵合為一體,定子、轉子表面分別用非磁性薄壁材料包封,與工藝介質隔開,轉子由前后導軸承支撐,浸在輸送的介質中。轉子軸端裝有葉輪,形成無軸封的結構,以達到無泄漏輸送的目的。

圖2-5:屏蔽泵

(2)屏蔽泵的軸封特點

  從屏蔽泵的原理和屏蔽泵的結構(圖2-5)可知:屏蔽泵沒有旋轉軸密封裝置,即沒有動密封,只有靜密封,所以,靜密封點完好無泄漏時,那屏蔽泵就可以達到無泄漏的要求。

三、安全性及經濟性比較

(1)安全性比較的角度說明

一個設備的安全性評價是一個綜合系統的問題,具包括設備本身質量的可靠性及設備的完好性,也包括環境及人的行為操作對設備安全的影響。因本文論述的側重點是單端面密封離心泵、雙端面密封離心泵及屏蔽泵在輸送危險物料時的安全性,所以這三臺泵的安全性評價側重在泵泄漏造成的危害角度?,F在進行的安全性比較僅從泵的結構和軸封特性,當軸封故障發生泄露時,造成介質泄漏到環境中,可能引起的人身健康、環保,安全角度進行考慮,進行比較的。

(2)甲醇輸送泵泄漏時存在的安全風險

由本案例可知,輸送泵輸送的介質為甲醇,甲醇揮發度高、無色、易燃易爆、有毒。易燃,其蒸氣與空氣可形成爆炸性混合物。遇明火、高熱能引起燃燒爆炸。與氧化劑接觸發生化學反應或引起燃燒。在火場中,受熱的容器有爆炸危險。能在較低處擴散到相當遠的地方,遇明火會引著回燃。燃燒分解一氧化碳、二氧化碳、水。有劇毒。

(3)輸送泵輸送甲醇危險物料的安全性比較

  根據甲醇泵輸送甲醇危險物料可能存在的安全風險和泵結構特點及軸封特性分析可知,單端面密封離心泵、雙端面密封離心泵、屏蔽泵在輸送甲醇危險物料時:

 ①???蔽泵可以達到無泄漏的要求,所以最安全。

 ②雙端面密封離心泵具有的兩級密封,當內機封泄漏時,會先泄漏到外級機封的沖洗冷卻系統壓力罐,而沒有直接泄漏到環境中來,確保初步的安全,所以相對比較安全。

 ③單端面密封離心泵只有一級密封,當機封泄漏時,泵體介質會直接泄漏到環境中,所以安全性一般。

(4)經濟性的比較

  對于經濟性的比較,單端面密封離心泵和雙端面密封離心泵設備投資費用稍微低,但后期的設備故障率高,檢修維護多;而屏蔽泵因制造工藝技術要求高,則前期設備投資費用高,一般為國產的離心泵的2-4倍,但后期的設備檢修維護會相對低。記相關的統計,單端面密封離心泵、雙端面密封離心泵后期的維護費用大概為屏蔽泵的2倍。

   綜上所述,單端面密封離心泵、雙端面密封離心泵、屏蔽泵在輸送甲醇危險物料時,安全性及經濟性比較如下表3-1所示:

表3-1:安全性及經濟性比較分析表

序號

設備名稱

軸封特點

泄漏特性

安全性

經濟性

1

單端面密封離心泵

旋轉軸密封/一對摩擦副密封端面

機封泄漏介質直接泄漏到環境中

一般

設備投資低/維護高

2

雙端面密封離心泵

旋轉軸密封/兩對摩擦副密封端面

內機封泄漏會先泄漏到外級機封,只有內外兩級機封都泄漏時,介質才會泄漏到環境中。

設備投資中/維護高

3

屏蔽泵

無旋轉軸密封/無泄漏

無泄漏

設備投資高/維護低

四、結束語

  在石油、化工裝置對泵的要求,必須滿足對介質特性的要求,要充分考慮輸送介質的特性,工況環境的特點,安全環保的要求及經濟成本進行綜合考慮。安全優先,經濟性為本。一般的場合,優先選用單端面密封,因為單端面密封結構簡單、使用方便、價格低。但在以下特殊的場合,就要嚴格按照要求選擇:

 (1)對輸送易燃、易爆、易揮發的低溫介質(液化石油氣等)、有毒或貴介質的泵要求軸封可靠或采用無泄漏泵。應優先選用無泄漏泵,如屏蔽泵、磁力泵或帶有泄漏液收集和泄漏報警裝置的雙重機封密封。

  因此,在本案例中,甲醇裂解制氫裝置原料泵甲醇輸送泵輸送的介質甲醇為易燃、易爆、易揮發、有毒性危險介質,應該以安全性為優先,兼具經濟性考慮,而輸送的介質甲醇為很潔凈的物質,非常適合屏蔽泵對介質的要求,這樣后期泵的故障率少,檢修維護成本會低很多,一備一用,整體設備投資也不是很高。所以,在輸送甲醇等易燃、易爆、易揮發、有毒性危險介質時,選擇屏蔽泵為最佳方案。

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