环氧乙烷离心泵的选用与特点

高新懂，王小鹏，鞠海华

（1. 中国寰球工程公司， 北京 100012； 2. 北京现代职业技术学院， 北京 101300）

环氧乙烷离心泵的选用与特点

高新懂1，王小鹏1，鞠海华2

（1. 中国寰球工程公司， 北京 100012； 2. 北京现代职业技术学院， 北京 101300）

环氧乙烷属于易燃易爆的有毒介质，输送纯环氧乙烷或浓度较高的环氧乙烷水溶液的离心泵非常危险。结合实际工程应用介绍了环氧乙烷用泵的泵型、材质、轴封、驱动机的选型及特点，为环氧乙烷离心泵的设计选用提供了设计依据。

环氧乙烷；离心泵；轴封；驱动机

环氧乙烷（Ethylene Oxide）介质易燃易爆且有毒，毒性程度属高度危害。在较高的温度下易水解或聚合，并放热产生高温而可能引起爆炸，环氧乙烷输送泵的选用至关重要。离心泵，磁力泵以及隔膜泵等在环氧乙烷装置中都有应用，但目前随着装置日益大型化，普通离心泵的应用越来越广泛，本文主要介绍普通离心泵。

1 环氧乙烷的特点

环氧乙烷为易燃、易爆的有毒液体，沸点10.7℃，闪点-17.8 ℃，自燃点429 ℃，爆炸极限的体积分数为3%～100%。温度高于40 ℃时环氧乙烷开始聚合。

环氧乙烷为强麻醉剂，能引起急性中毒和慢性中毒。短时间接触高浓度环氧乙烷会引起头疼、恶心、呕吐和呼吸困难，液态环氧乙烷接触皮肤会引起皮肤冻伤［1］。

可见环氧乙烷是极其危险的介质，爆炸极限范围特别宽，少量泄露即容易引起爆炸。

2 泵型选择

由于环氧乙烷介质具有以上易燃易爆、有毒等特点，输送环氧乙烷离心泵的选择须符合 API610标准，以20万t/a环氧乙烷装置为例，输送环氧乙烷介质的泵的主要参数见表1。

表1 环氧乙烷泵的主要参数Table 1 Parameter of Ethylene Oxide Pumps

上述环氧乙烷泵的流量、扬程均较低，选用符合API610标准的OH2［2］型悬臂式离心泵，垂直剖分，单级闭式叶轮。另外，必须严格控制输送温度，在泵出口需要配备双支 RTD测温，实时监测输送温度，以防止温度过高引发事故。双支RTD一用一备可以在RTD故障时启用备用探头保证连续监测。

3 材质选择

由于铸铁的塑性、韧性较低，对储存或输送环氧乙烷的设备不允许选用铸铁材质，通常选用低碳钢或300系列的奥氏体不锈钢。相比低碳钢而言，不锈钢不易被锈蚀，而铁锈会对环氧乙烷的结晶起到催化作用，所以选用不锈钢材质更加安全可靠。

通常选用304或316不锈钢，即符合API610标准附录 H离心泵部件材料和材料技术规范，表H.1离心泵部件的材料等级中的A-7或A-8材质。本项目由国内制造厂供货，选用A-7材质。如采用进口离心泵，国外制造厂通常选用A-8材质。

4 轴封的选择

泵内液体和泵外空气之间压力不同，沿轴要产生泄漏，因此需要设置轴封以防止液体泄漏。常用的轴封种类有填料密封、机械密封及浮动密封等。轴封的选择要综合考虑被密封液体的性能、温度、压力等参数［3］。

由于环氧乙烷轻微泄漏就容易引起爆炸，所以不允许环氧乙烷泄漏到空气中。填料密封有介质泄漏，浮动密封则泄漏量更大，一般用于输送介质压力大于 25～50 kg/cm2，或轴封处 pv值大于90（kg/cm2·m/s）的工况。根据API610要求选用符合API682标准的机械密封。

为保证环氧乙烷不泄漏到空气中，必须选用加压型双端面机械密封，即API682标准中的Plan53A、Plan53B、Plan53C、Plan54等。Plan53C带有平衡活塞，多用于系统压力波动较大的场合；Plan54要求带单独的外供冲洗液系统，多用于输送高温、含有固体颗粒或既高温又含有固体颗粒的流体的工况，价格昂贵。环氧乙烷泵介质清洁，系统压力稳定Plan53A或 Plan53B即可满足使用要求，价格相对较低。

Plan53A和Plan53B在环氧乙烷离心泵中均有使用，二者的区别为 Plan53A要求提供压力约 0.6 MPa（G）的氮气源，Plan53B带有蓄能器，可维持密封循环系统的压力，压力低时需向蓄能器中补充氮气。API682第三版Plan53A、Plan53B密封冲洗系统如图1和图2所示［4］。2014年最新颁布的API682第四版已将压力开关、液位开关等改为采用变送器。

图1 Plan53A密封冲洗系统示意图Fig.1 Plan53A Mechanical Seal Flushing System Sketch

图2 Plan53B密封冲洗系统示意图Fig.2 Plan53B Mechanical Seal Flushing System Sketch

对机械密封隔离液，由于密封腔压力要高于泵入口压力，隔离液需要注入到泵送的环氧乙烷介质中，必须和环氧乙烷介质兼容，通常选用乙二醇水溶液或脱盐水。

另外，机械密封密封圈材质应能够适用于该场合的环氧乙烷水溶液。普通氟橡胶不适用于含环氧乙烷介质的场合，通常采用全氟醚橡胶O形圈［5］。

5 驱动机的选择

电动机、汽轮机、内燃机、燃气轮机、液力回收透平等均可作为泵的驱动机使用。

汽轮机用作泵的驱动机可以改善工厂的蒸汽平衡，通常用于大、中型泵和需要调速的泵，或在易燃、易爆场合使用的泵。

内燃机、燃气轮机通常用于油气田、输气管线等油气资源丰富、不便于供电的场合。

图3 液力透平驱动示意图Fig.3 Pump Driven by Hydraulic Power Recovery Turbine

液力透平作为一种能量回收装置，近几年的应用越来越多，可以起到节能减排的作用。通常用反转的离心泵作为液力透平使用。一般情况下，液力透平作为辅助驱动设备与电动机或汽轮机串联使用，如图3所示；液力透平单独驱动泵时，为了保证机组的稳定运转需要调速装置，对工艺和监控系统要求较高。所以如果选择液力透平作为驱动机需要充分考虑其经济性，考虑液体的物理、化学特性；可供回收的液体流量、扬程范围；透平的进出口压力、操作温度；被驱动主机的种类和转速及机组的配置要求等［6］。

环氧乙烷装置没有富裕的油气可用，内燃机、燃气轮机无法使用。环氧乙烷装置中来自碳酸盐换热器的碳酸盐富液可以用于驱动液力透平，但受制于经济性的考虑，很少选用液力透平驱动环氧乙烷泵。

电动机是石化装置用泵的主要驱动机，它具有结构简单、运行可靠、维护方便、操作简单等优点。本装置环氧乙烷泵也选择电动机作为驱动机。根据泵的功率和转速范围可初步确定电动机的型式，如图4所示［7］。

图4 电动机的适用范围Fig.4 Range of Different Motors

对离心泵的轴功率，其计算公式为：

Pa=（HQρ）/（102η）

式中：H—泵的额定扬程，m；

Q—泵的额定流量，m3·s-1；

ρ—介质密度，kg·m-3；

η—泵额定工况下的效率；

Pa—泵额定工况下的轴功率，kW。

H、Q和ρ由泵的工艺参数给定，效率η需要根据泵厂的型谱曲线确定，可计算出泵的轴功率。

另对电动机的额定功率，API610要求电动机的铭牌额定功率，不包含服务系数（如果有的话），至少应等于表2中所列泵额定条件下功率的百分数。泵在额定条件下的功率不应超过电动机的铭牌额定功率。如果这个推荐值会明显地导致电动机容量不必要的过大，则应提出报告供买方批准［2］。

表2 电动机驱动的功率裕量Table 2 Power ratings for motor drives

根据上式核算结合离心泵实际效率，本装置电动机功率均在7 5kW以内，选用三相交流鼠笼型异步。如果离心泵需要自启动，则电动机功率应覆盖离心泵曲线末端功率，以免开阀启动时功率太大导致电动机故障。环氧乙烷泵通常为手动启动，可不考虑末端功率。

6 结束语

综上所述，离心泵型式、机械密封及电动机的选择对保证环氧乙烷泵至关重要。根据环氧乙烷泵的流量、扬程等选择合适的离心泵型式，根据现场条件选择合适的双端面机械密封，根据操作及启动条件合理选择电动机才能保证环氧乙烷泵的稳定运行，保证环氧乙烷装置安全。

［1］ GB/T 13098-2006.工业用环氧乙烷［S］. 北京：中国标准出版社，2006.

［2］ API 610-2010.Centrifugal Pumps for Petroleum， Petrochemical and Natural Gas Industries［S］. New York：American Petroleum Institute，2010.

［3］ 沈阳水泵研究所，中国农业机械化科学研究院.叶片泵设计手册［M］.北京：机械工业出版社. 1983：489-490.

［4］ API 682-2004. Pumps-Shaft Sealing Systems for Centrifugal and Rotary Pumps［S］. New York：American Petroleum Institute，2004.

［5］ 王刚. 环氧乙烷/乙二醇装置用泵特点［J］. 化工设备与管道，2009，46（5）：22-25.

［6］ 肖涛. 液力透平的选择及应用［J］. 科技视界， 2015（6）: 5-6.

［7］ 范德明，孙之郛，陈伟，等. 工业泵选用手册［M］. 北京：化学工业出版社，1998：8-60.

Selection and Characteristics of Ethylene Oxide Centrifugal Pumps

GAO Xin-dong1，WANG Xiao-peng1，JU Hai-hua2
（1. China Huanqiu Contracting & Engineering Corporation， Beijing 100012， China；2. Beijing Modern Polytechnic College， Beijing 101300， China）

Ethylene oxide is hazardous， flammable and easy to explode. It is dangerous to transfer ethylene oxide with the pumps. Combined with practical engineering design project， the pump type， material， shaft seal and driver's selection and characteristics were introduced， which could provide reference for ethylene oxide pumps' design.

Ethylene oxide； Centrifugal pump； Shaft seal； Driver

TQ 052

A

1671-0460（2015）12-2892-03

2015-07-05

高新懂（1980-），男，山东省莱芜市人，高级工程师，硕士，2005年毕业于青岛科技大学机械制造及其自动化专业，研究方向：主要从事石油化工行业转动设备的工程设计和研究工作。E-mail：gaogaogary@126.com。