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技術知識

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磁力泵做第二層保護

日期:2020-11-15 11:08:43

摘要:磁力泵在石化裝置中應用廣泛,隨著國家對環保的要求越來越高,在輸送劇毒或極易燃介質時,對磁力泵隔離套的優劣及使用壽命提出更高的要求,第二層保護便開始越來越多的在磁力泵中被應用。對磁力泵第二層保護的選型與應用進行了探討,仔細分析了節流襯套加迷宮迷封和節流襯套加機械密封等形式,得出了最為合理的選型設計。

無密封離心泵,可分為屏蔽泵與磁力泵,它們在結構上只有靜密封而無動密封,在輸送有毒有害介質時能保證一滴不漏[1],從而實現零泄漏、零污染。隨著國家對節能環保要求的提高,無密封泵在石油化工領域的應用越來越廣泛。如今在輸送有毒有害介質時,無密封泵已基本取代傳統有密封泵;而在輸送劇毒或極易燃介質時,近年來對無密封泵(特別是磁力泵)又提出了更高的要求,即第二層保護要求,而對第二層保護結構形式的選擇又成了重中之重。

1 無密封泵的第二層保護

1.1 無密封泵的第二層保護原理:

屏蔽泵因其自身結構原因,自身帶有二次保護功能,在轉子屏蔽套破裂后,定子筒體能防止有毒有害介質的外漏,而此時的定子筒體相當于第二層隔離套,從而起到第二層保護的作用,如圖1所示。

而磁力泵則不同,磁力泵傳動主要由磁力耦合器來完成。磁力耦合器由內外磁缸及隔離套等部件組成(如圖2所示),是磁力泵的核心部件。除了磁力泵的磁力耦合器部分,其余結構基本與普通帶密封離心泵相似。

當磁力泵隔離套破裂后,有毒有害介質就會向軸承箱側外泄,造成對環境的污染和人員的傷害,所以就需要我們對磁力泵提出第二層保護要求。而有了第二層保護,就能使磁力泵能在短時間內或者永久防止介質泄漏,即起到二次保護的作用。

1.2 磁力泵第二層保護的泄漏監測儀表

泄漏監測儀表一般有兩種配置,如圖3所示:一種是對泄漏后易氣化的工藝介質,一般采用壓力監測器;而另一種對泄漏后為液態的工藝介質,一般采用液位監測探頭。通過這些泄漏監測儀表的監測,現場人員便可以馬上采取相應的應急措施,及時對問題設備進行檢查維護,以防止有毒有害介質泄漏所造成的二次傷害。

2 磁力泵第二層保護

2.1 國內外主流石化標準對磁力泵第二層保護的規定

目前國內石化標準SH/T3148—2016《石油化工無密封離心泵工程技術規范》對磁力泵第二層保護的方法有兩種形式:第一種,當采用磁力耦合器箱體作為第二層保護時,箱體應按承壓密閉容器設計,其設計和試驗壓力值應和泵殼相同,且其外軸和磁力耦合器箱體間應設節流襯套和機械密封;第二種,當采用雙隔離套結構時,其外隔離套的設計和試驗壓力值應和泵殼相同[2]

而國外標準以API685《石油、重化學及天然氣工業用無密封離心泵》為例,也對第二層保護系統的壽命(在泵運行情況下,持續壽命至少25000h)、隔離套失效后第二層保護系統所需要維持的時間(一般至少24h以上)、第二層保護殼體的承壓等級[在靜止工況下,最高至40kgf(1kgf=9.8N)以下,能保證無泄漏]及材質等也都做出了詳細的規定。而在第二層保護的形式上,API685不允許采用唇封作為磁力泵二次保護的形式,相較迷宮密封,兩者密封齒數不同,工作原理及應用場合也不盡相同[3]。

相比較以上兩種標準,國內SH3148標準主要對第二層保護的形式作出了比較具體的規定;而API685作為目前國際上比較通用的標準,則對第二層保護系統的一系列規定提出了最低要求。而所有有悖于以上兩個規定的第二層保護形式,均是存在偏差或是不能接受的。

2.2 磁力泵第二層保護的結構形式

目前國內外磁力泵廠商普遍運用的第二層保護結構形式主要有以下三種。

第一種,雙隔離套結構。顧名思義就是比普通磁力泵多一個隔離套,由內層和外層組成,之間形成一個環形的空腔(如圖4所示),并配有破裂檢測儀表。當內隔離套破裂或其他原因有液體進入空腔時,監測儀表就會報警,這樣就能安全有效的起到二次保護作用,且能做到第二層保護零泄漏,應用廠商有KlausUnion等。由此可見,雙隔離套結構適合在介質泄漏時,要求第二層保護做到零污染、零泄漏的裝置內應用。

在實際工程項目中,隔離套屬磁力泵的關鍵部件,加工精度要求特別高,國內生產的隔離套相較國外存在不小差距,故很多項目中都要求隔離套原裝進口,而且如果是金屬隔離套,一般需采用哈氏合金或鈦合金材質,價格相當昂貴,如果再加一個隔離套,對整個泵的成本會大幅增加。據調查,雙隔離套結構首次投入成本一般約為單隔離套磁力泵的1.8倍。

由于磁力線通過外磁缸傳遞給內磁缸并帶動內磁缸轉動,這樣,雙隔離套設計就需要切割兩層隔離罩,隔離套的厚度加大,則增加了內外磁缸的間隙尺寸,這樣降低了磁傳動轉矩,增大了隔離套內的渦流損失,從而導致整個磁力損失上升,機械效率相較單隔離套設計就降低更多,整個泵的用電負荷會隨之增加,直至影響長遠的運營成本。表1為某磁力泵廠商在部分電機功率下,單、雙隔離套的磁損對比表。

第二種,節流襯套加機械密封結構(如圖5所示)。這種第二層保護結構是在隔離罩外面的腔體內增加一個密封系統,這個系統在平時不起作用,因為隔離罩已經是比較安全可靠的按照壓力容器制造的并且是靜止密封的封閉設備,只有當隔離罩在非正常情況下出現損壞時,介質從隔離罩里面泄漏出來后,第二層保護才會起到它的密封作用。

此結構相對雙隔離套結構成本會低一點,但對機械密封廠商的要求卻相當高。比如介質泄漏后,在機械密封所能維持的時間上,能做到API規定要求的廠商屈指可數,如某機械密封廠商JohnCrane能在磁力泵的隔離套破裂失效后,在泵運行的情況下,能維持30min無泄漏;而在停泵情況下,能維持48h無泄漏。

此外,目前國內機械密封廠商很少有和磁力泵廠商配合過的業績,加之磁力泵的隔離套與軸承箱間的空間有限,能加裝機械密封結構的磁力泵廠商也是寥寥無幾,導致買方在招投標過程中很難找出三家或以上合適的制造廠商。目前應用此第二層保護結構的廠商有SundyneHMD泵等,但也只與個別進口密封廠商有過配合業績。

另外還有一種第二層保護形式,即為節流襯套加迷宮密封(如圖6所示)。此迷宮密封結構類似于第二種二次保護結構,而又不同于唇封,對磁力泵的二次保護也能起到一定保護作用,但與國內石化標準的要求有一定偏離。迷宮密封在結構上較機械密封相對簡單且所需要的安裝空間較小,成本也更為低廉,應用卻比較廣泛,主要應用廠商有Hermetic等。

2.3 迷宮密封與機械密封結構比較

由圖7可見,迷宮密封只是在原軸承箱壓蓋處增加了幾道梳齒密封,相較由動靜環、O型圈及彈簧等組成的機械密封,結構上簡單很多,從而導致制造、裝配難度相對降低、成本更加低廉;但一旦發生隔離套破裂,迷宮密封最終在運行或靜止情況下所能維持的時間、對介質泄漏量的控制能力等一系列安全環保指標上,必然大大不如傳統意義上的機械密封結構。

而一套石化裝置中磁力泵一般主要由中、輕載這些小泵組成;而對數量較少、但較為關鍵的大型磁力泵要求又較高,通過比較分析上述兩種二次保護結構形式及成本組成,對不同載荷的磁力泵,應用不同的第二層保護形式便顯得尤為重要。

3 磁力泵第二層保護在實際工程中的應用與討論

在國內某8×104t/a乙苯/苯乙烯裝置中(采用中國石化兩級負壓絕熱乙苯脫氫制苯乙烯的技術,即ST的工藝包),由于國家對環保要求的提高,對有毒有害介質要求選用磁力泵,而對苯等劇毒介質,磁力泵需要增加第二層保護,并需要配有音叉式液位探頭進行液體泄漏監測。而該項目最終經過綜合考慮,所選磁力泵的第二層保護形式為節流襯套加迷宮密封形式,具體帶第二層保護磁力泵的基本參數見表2。

從現場的應用情況來看,其中裝置乙苯單元分離部分0262-P-106A/B和0262-P-110A/B兩位號泵的軸承箱存在潤滑油泄漏到間隔腔問題,導致軸承箱溫度升高(超過標準規定)及液位探頭誤報警等情況,而其他帶第二層保護的磁力泵沒有出現相類似的問題。

最終究其原因為,此兩位號泵均為重載荷泵,即所謂的大泵,軸徑較大,而國內制造業對二次密封迷宮槽間隙加工的精度不夠,磁力泵制造商對二次密封運用的經驗也不是很足,設計的迷宮密封的徑向間隙較大,而導致上述情況的產生。此外,現場發現上述情況后,操作人員誤認為軸承箱潤滑油不足,在添加軸承箱潤滑油時,油位注入過高,繼而導致攪拌過度而溫度不降反升;同時由于潤滑油過多,繼而繼續向間隔腔泄漏的情況[4]。

針對以上現場情況,后面經過減小迷宮密封處徑向間隙,并在連接體和軸承箱體上增加冷卻水夾套,問題得以改善,設備至今運行良好。但以后對迷宮密封結構形式的第二層保護形式,特別是在重載磁力泵的應用上,應慎重選擇。

而對于雙隔離套結構的實際應用,一般是在第一層隔離套破裂、介質泄漏時,要求第二層保護做到零污染、零泄漏的石化裝置內。如國內某MDI(二苯基甲烷二異氰酸酯)項目中,存在大量輸送苯胺等介質的磁力泵,而苯胺有急性中毒表現,一旦泄漏對現場的人員傷害巨大,所以要求做到零泄漏;

又如國內某氯化亞砜項目中,同樣存在大量輸送劇毒介質氯化亞砜的磁力泵,同樣一旦發生泄漏,現場人員如果吸入該介質后,在短期內有嚴重中毒表現、甚至會致死,所以對磁力泵的第二層保護要做到零泄漏。而國內外類似情況的裝置還有不少,用戶一般又相當重視項目的HSE管理,而磁力泵的雙隔離套結構完美的解決了這個問題。表3為兩項目中部分帶雙隔離套磁力泵的基本參數匯總。

4 結論

如今,無密封泵在石油化工裝置中運用廣泛,而隨著國家對節能環保要求的越來越高,磁力泵第二層保護的應用也越來越普及,也逐漸被最終用戶所了解和接受。

但不管是迷宮密封還是機械密封的第二層保護形式,均或多或少在著軸承箱潤滑油向間隔腔中泄漏的風險,從而導致加裝的泄漏檢測儀表誤報警,此情況還需國內外磁力泵廠商在結構設計或加工精度上進一步完善改進;且按照密封的設計壽命,現場還需對二次密封進行及時的維護和更換,以確保一旦隔離套破裂后,二次密封能達到設計要求的二次保護效果。

而雙隔離套結構就不存在以上問題,但由于磁力線需要切割兩層隔離罩,導致效率普遍較低,且不管是前期投資、還是后續運行及維護成本都很高,目前在普通石化工程項目中的應用相對較少。當然在對磁力泵第二層保護的結構形式進行選型時,除了考慮成本因素以外,在特殊的介質、溫度、壓力等工藝條件情況下,也應根據工程項目的實際情況、用戶的特殊要求等,做出最為合理的選型設計。

最后,本文得出以下幾點結論:

(1)節流襯套加迷宮密封形式,對梳齒間隙的加工精度要求相對較高,但對泵的安裝空間要求較小及成本較低,適合在中、輕載磁力泵中應用。

(2)節流襯套加機械密封形式,國內外應用廠商不多,而有較多應用業績的SundyneHMD泵等,也只與個別進口密封廠商合作過,從而導致成本較高,適合在重載磁力泵中應用。

(3)而雙隔離套結構形式成本最高,適合在介質泄漏時,要求第二層保護做到零污染、零泄漏的裝置內應用。

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