磁力泵第二層保護的選型與應(yīng)用

無密封離心泵，可分為屏蔽泵與磁力泵，它們在結(jié)構(gòu)上只有靜密封而無動密封，在輸送有毒有害介質(zhì)時能保證一滴不漏[1]，從而實現(xiàn)零泄漏、零污染。隨著國家對節(jié)能環(huán)保要求的提高，無密封泵在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。如今在輸送有毒有害介質(zhì)時，無密封泵已基本取代傳統(tǒng)有密封泵；而在輸送劇毒或極易燃介質(zhì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)原因，自身帶有二次保護功能，在轉(zhuǎn)子屏蔽套破裂后，定子筒體能防止有毒有害介質(zhì)的外漏，而此時的定子筒體相當(dāng)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(nèi)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(jié)構(gòu)基本與普通帶密封離心泵相似。

當(dāng)磁力泵隔離套破裂后，有毒有害介質(zhì)就會向軸承箱側(cè)外泄，造成對環(huán)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(nèi)或者永久防止介質(zhì)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(jiān)測儀表

泄漏監(jiān)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(zhì)，一般采用壓力監(jiān)測器；而另一種對泄漏后為液態(tài)的工藝介質(zhì)，一般采用液位監(jiān)測探頭。通過這些泄漏監(jiān)測儀表的監(jiān)測，現(xiàn)場人員便可以馬上采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，及時對問題設(shè)備進行檢查維護，以防止有毒有害介質(zhì)泄漏所造成的二次傷害。

2 磁力泵第二層保護

2.1 國內(nèi)外主流石化標準對磁力泵第二層保護的規(guī)定

目前國內(nèi)石化標準SH/T3148—2016《石油化工無密封離心泵工程技術(shù)規(guī)范》對磁力泵第二層保護的方法有兩種形式:第一種，當(dāng)采用磁力耦合器箱體作為第二層保護時，箱體應(yīng)按承壓密閉容器設(shè)計，其設(shè)計和試驗壓力值應(yīng)和泵殼相同，且其外軸和磁力耦合器箱體間應(yīng)設(shè)節(jié)流襯套和機械密封；第二種，當(dāng)采用雙隔離套結(jié)構(gòu)時，其外隔離套的設(shè)計和試驗壓力值應(yīng)和泵殼相同[2]。

而國外標準以API685《石油、重化學(xué)及天然氣工業(yè)用無密封離心泵》為例，也對第二層保護系統(tǒng)的壽命(在泵運行情況下，持續(xù)壽命至少25000h)、隔離套失效后第二層保護系統(tǒng)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(zhì)等也都做出了詳細的規(guī)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(shù)不同，工作原理及應(yīng)用場合也不盡相同[3]。

相比較以上兩種標準，國內(nèi)SH3148標準主要對第二層保護的形式作出了比較具體的規(guī)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(tǒng)的一系列規(guī)定提出了最低要求。而所有有悖于以上兩個規(guī)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(jié)構(gòu)形式

目前國內(nèi)外磁力泵廠商普遍運用的第二層保護結(jié)構(gòu)形式主要有以下三種。

第一種，雙隔離套結(jié)構(gòu)。顧名思義就是比普通磁力泵多一個隔離套，由內(nèi)層和外層組成，之間形成一個環(huán)形的空腔(如圖4所示)，并配有破裂檢測儀表。當(dāng)內(nèi)隔離套破裂或其他原因有液體進入空腔時，監(jiān)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(yīng)用廠商有KlausUnion等。由此可見，雙隔離套結(jié)構(gòu)適合在介質(zhì)泄漏時，要求第二層保護做到零污染、零泄漏的裝置內(nèi)應(yīng)用。

在實際工程項目中，隔離套屬磁力泵的關(guān)鍵部件，加工精度要求特別高，國內(nèi)生產(chǎn)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(zhì)，價格相當(dāng)昂貴，如果再加一個隔離套，對整個泵的成本會大幅增加。據(jù)調(diào)查，雙隔離套結(jié)構(gòu)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(nèi)磁缸并帶動內(nèi)磁缸轉(zhuǎn)動，這樣，雙隔離套設(shè)計就需要切割兩層隔離罩，隔離套的厚度加大，則增加了內(nèi)外磁缸的間隙尺寸，這樣降低了磁傳動轉(zhuǎn)矩，增大了隔離套內(nèi)的渦流損失，從而導(dǎo)致整個磁力損失上升，機械效率相較單隔離套設(shè)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(jié)流襯套加機械密封結(jié)構(gòu)(如圖5所示)。這種第二層保護結(jié)構(gòu)是在隔離罩外面的腔體內(nèi)增加一個密封系統(tǒng)，這個系統(tǒng)在平時不起作用，因為隔離罩已經(jīng)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(shè)備，只有當(dāng)隔離罩在非正常情況下出現(xiàn)損壞時，介質(zhì)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(jié)構(gòu)相對雙隔離套結(jié)構(gòu)成本會低一點，但對機械密封廠商的要求卻相當(dāng)高。比如介質(zhì)泄漏后，在機械密封所能維持的時間上，能做到API規(guī)定要求的廠商屈指可數(shù)，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(nèi)機械密封廠商很少有和磁力泵廠商配合過的業(yè)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(jié)構(gòu)的磁力泵廠商也是寥寥無幾，導(dǎo)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(yīng)用此第二層保護結(jié)構(gòu)的廠商有SundyneHMD泵等，但也只與個別進口密封廠商有過配合業(yè)績。

另外還有一種第二層保護形式，即為節(jié)流襯套加迷宮密封(如圖6所示)。此迷宮密封結(jié)構(gòu)類似于第二種二次保護結(jié)構(gòu)，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(nèi)石化標準的要求有一定偏離。迷宮密封在結(jié)構(gòu)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(yīng)用卻比較廣泛，主要應(yīng)用廠商有Hermetic等。

2.3 迷宮密封與機械密封結(jié)構(gòu)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(huán)、O型圈及彈簧等組成的機械密封，結(jié)構(gòu)上簡單很多，從而導(dǎo)致制造、裝配難度相對降低、成本更加低廉；但一旦發(fā)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(zhì)泄漏量的控制能力等一系列安全環(huán)保指標上，必然大大不如傳統(tǒng)意義上的機械密封結(jié)構(gòu)。

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(shù)量較少、但較為關(guān)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(jié)構(gòu)形式及成本組成，對不同載荷的磁力泵，應(yīng)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(yīng)用與討論

在國內(nèi)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(shù)，即ST的工藝包)，由于國家對環(huán)保要求的提高，對有毒有害介質(zhì)要求選用磁力泵，而對苯等劇毒介質(zhì)，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(jiān)測。而該項目最終經(jīng)過綜合考慮，所選磁力泵的第二層保護形式為節(jié)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(shù)見表2。

從現(xiàn)場的應(yīng)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(dǎo)致軸承箱溫度升高(超過標準規(guī)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(xiàn)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(nèi)制造業(yè)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(jīng)驗也不是很足，設(shè)計的迷宮密封的徑向間隙較大，而導(dǎo)致上述情況的產(chǎn)生。此外，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)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(dǎo)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(xù)向間隔腔泄漏的情況[4]。

針對以上現(xiàn)場情況，后面經(jīng)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(shè)備至今運行良好。但以后對迷宮密封結(jié)構(gòu)形式的第二層保護形式，特別是在重載磁力泵的應(yīng)用上，應(yīng)慎重選擇。

而對于雙隔離套結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)用，一般是在第一層隔離套破裂、介質(zhì)泄漏時，要求第二層保護做到零污染、零泄漏的石化裝置內(nèi)。如國內(nèi)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(zhì)的磁力泵，而苯胺有急性中毒表現(xiàn)，一旦泄漏對現(xiàn)場的人員傷害巨大，所以要求做到零泄漏；

又如國內(nèi)某氯化亞砜項目中，同樣存在大量輸送劇毒介質(zhì)氯化亞砜的磁力泵，同樣一旦發(fā)生泄漏，現(xiàn)場人員如果吸入該介質(zhì)后，在短期內(nèi)有嚴重中毒表現(xiàn)、甚至?xí)滤?，所以對磁力泵的第二層保護要做到零泄漏。而國內(nèi)外類似情況的裝置還有不少，用戶一般又相當(dāng)重視項目的HSE管理，而磁力泵的雙隔離套結(jié)構(gòu)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(shù)匯總。

4 結(jié)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(jié)能環(huán)保要求的越來越高，磁力泵第二層保護的應(yīng)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，均或多或少存在著軸承箱潤滑油向間隔腔中泄漏的風(fēng)險，從而導(dǎo)致加裝的泄漏檢測儀表誤報警，此情況還需國內(nèi)外磁力泵廠商在結(jié)構(gòu)設(shè)計或加工精度上進一步完善改進；且按照密封的設(shè)計壽命，現(xiàn)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(shè)計要求的二次保護效果。

而雙隔離套結(jié)構(gòu)就不存在以上問題，但由于磁力線需要切割兩層隔離罩，導(dǎo)致效率普遍較低，且不管是前期投資、還是后續(xù)運行及維護成本都很高，目前在普通石化工程項目中的應(yīng)用相對較少。當(dāng)然在對磁力泵第二層保護的結(jié)構(gòu)形式進行選型時，除了考慮成本因素以外，在特殊的介質(zhì)、溫度、壓力等工藝條件情況下，也應(yīng)根據(jù)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(shè)計。

最后，本文得出以下幾點結(jié)論:

(1)節(jié)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(yīng)用。

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

(3)而雙隔離套結(jié)構(gòu)形式成本最高，適合在介質(zhì)泄漏時，要求第二層保護做到零污染、零泄漏的裝置內(nèi)應(yīng)用。

參考文獻

[1]陳偉.無密封離心泵選用時應(yīng)注意的問題[J].化工設(shè)備與管道，2005，42(5):29-35.

[2]SH3148—2007，石油化工無密封離心泵工程技術(shù)規(guī)定[S].

[3]API685—2011，石油、重化學(xué)和天然氣用無泄漏泵[S].

[4]周國良.泵技術(shù)問答[M].北京:化工工業(yè)出版社，2009.