硝酸泵在应运中的选型对比分析

赵雄伟,孙红军,李成科,武员员,李强

(陕煤集团榆林化学有限责任公司,陕西 榆林 719000)

化工生产通常使用的泵可分为两大类,速度式和容积式;速度式一般分为喷射式和叶片式,容积式一般可分为回转式和往复式。我单位在建设期硝酸卸料泵选用为离心泵,但在实际运行过程中,发现除泵壳、泵体外的所有过流部件损坏,在拆解过程中发现泵轴头处存在受力现象,导致弯曲。正确的泵的设计与选用在一定程度上影响了泵的使用寿命,从而影响化工生产装置的“长、安、稳”的可靠性。结合该装置运行及选材情况,对公司其他项目关的硝酸泵选型为凸轮转子泵进行分析总结并探讨。

1 离心泵的结构及原理

1.1 基本结构

离心泵为化工常见的转动设备,其主要结构有泵体、电机、联轴器,泵体通常包含泵壳、叶轮、泵盖、泵轴、机械密封组件、轴承等组成。泵壳为离心泵的主体结构,起到支撑与固定的作用;叶轮为离心泵的核心结构,通过高速旋转将机械能转化为压力能来实现流体的输送,通常分为闭式、半开式、开式三种,在实际选用中可根据介质的不同来选择叶轮形式;泵盖作为隔离从叶轮中甩出的液体的密封件,同时起到支撑机械密封组件的作用;泵轴有效地将联轴器与电机连接,从而实现传递扭矩的作用,与叶轮之间为键连接,保证叶轮的有效转动;机械密封组件,作为动密封,保证泵轴在旋转过程能达到泄露要求,也极大地保证了泵运转的安全可靠性;轴承是除去泵盖与机械密封外对轴起到支撑作用的另一个部件,保证泵轴在泵体内保持一个相对的水平。结构简图如图1。

1.泵体;2.密封环;3.叶轮;4.轴承;5泵盖;6.泵轴;7.托架;8.联轴器;9.轴承;10.机封。

1.2 运行原理

离心泵在工作时泵体内需灌满大量液体,在叶轮的高速旋转时会使液面获得离心力,在叶轮中心内的液体由于离心力抛向叶轮外缘,再经过泵轴的流道进入管道,在叶轮中也会产生短暂的真空状态,在大气压的作用下,液体再次被压进泵体,随着叶轮继续转动,将液体不断地流出和吸入,从而实现了输送流体的目的。泵轴间采取机械密封,以此确保泄漏量在合格范围内。

2 凸轮转子泵的结构及原理

2.1 基本结构

凸轮转子泵的驱动方式与离心泵大同小异,主要区别在于泵体的不同,泵体一般包含泵壳、泵盖、衬板、转子、机械密封、轴承、同步齿轮、隔离腔等。转子与泵壳的选型根据工况流体介质的特性选择;不同的工况、不同的温度下,转子会径向膨胀,导致两个转子轴弯曲,从而引起两轴的偏心运动,导致磨损;泵壳一般采用上下分体或一体式,便于调整上下盖间隙,对转子的配合进行补偿[1]。结构简图如图2。

1.前盖;2.密封;3.齿轮箱;4、7.耐磨板;5.半圆泵体;6.转子。

2.2 运行原理

转子泵是旋转容积的水泵,通过在同步齿轮启动下的不断转动的二个螺旋形凸轮转动,并通过水泵的入口把输出介质传递给水泵的输出,由于转子齿轮和密封间的密封性,将泵的进口与出口腔室隔离开来,因此具有自吸能力。启动时,吸入端容积由小变大,压力逐渐降低,在大气压的作用下,将介质吸入空腔。当介质充满进口腔体时,随转子的不断转动,排出端空腔容积变小,压力升高,介质被排出。在齿轮箱和泵腔体之间有一个被液体充满的隔离室,将同步齿轮与泵腔体分隔开,一方面防止泵腔体内的液体进入齿轮箱影响油质,另一个方面以免齿轮箱油进入到泵腔体内污染介质,在长期运行的过程中,可以保证转子的可靠运行,如隔离腔发生泄漏[2],可以直观判断机封失效。

3 离心泵和凸轮转子泵的对比

3.1 性能对比

离心泵属于叶片式泵,流量不恒定,随着管路的口径变化而变化,普通单级离心泵流量可达1.5～2 500 m3/h,单级扬程一般可达0～150 m,扬程通常与泵的水力设计和转速相关,对应的流量与扬程成比例关系;效率值一般在40%～80%,低转速比时效率较低,在设计点最高,偏离越远,效率越低;设计转速一般可达0～3 000 r/min,普通离心泵无自吸能力,自吸式离心泵可以,泵内受介质流动性影响,效率一般较低;适用固体颗粒直径小于2 mm,低黏度介质,化工离心泵根据选材可以输送带有一定腐蚀的介质;受离心原理的影响,对介质有一定的破坏力,存在一定的噪声和振动。

凸轮转子泵属于容积式转子泵,采用同步齿轮使两个螺旋形凸轮转子不断转动,使输送介质连续排出,由于转子齿轮和密封间的密封性,将泵的进口与出口腔室隔离开来,因此具有自吸能力。采用三叶60°螺旋转子,泵在旋转一周内每个时刻的流量都能达到恒定,流量范围一般在0～1 400 m3/h,单级扬程一般可达0～150 m,其扬程只取决于泵管路特性;效率值一般可达70%～95%,效率越高对应的出口压力增大,使内泄露有所下降;具有一定的自吸能力,最大自吸一般为9 m;对介质是适应范围较大,对含固率无要求、颗粒最大直径为150 mm,转子材质可根据腐蚀性强度选择304、PTFE等材质;运行属于低脉动,对介质几乎无影响,运行时较离心泵而言噪音低、振动小。

3.2 维修对比

离心泵结构类型较多,磨损件多,相对质量较差。流量调节通常需要改变转速和出口节流,启泵时必须关闭出口阀并关泵排气,往往准备工作不到位,造成泵的损坏,维修时需要断开联轴节及机封冷却管线等,更换易损件时间在4～6 h左右。

凸轮转子泵结构简单、质量轻、体积小,泵内壳四周设计为可更换的耐磨钢保护衬板,泵内磨损件只有转子部件。流量调节通常需要改变转速或者通过旁路调节,启动时出口阀全开,直接启动即可,同时采用快速开启式泵盖,可满足快速更换转子与泵腔内的保护衬板,提高维修效率[3]。

3.3 成本对比

离心泵结构简单,造价低,应用广泛,相比凸轮转子泵的一次采购费较高。主要原因是凸轮转子泵属于容积式泵,其输送流量可以较精确地控制,而离心泵的输出流量是不容易控制的;离心泵在输送混合物时因受离心力导致其成品的质量下降;转子泵可用于输送高黏度的物质,而离心泵无不适用;转子泵可满足于长距离或高阻力定量输送,转子泵较离心泵由于精密,制作复杂、成本高。具体的价格差额会根据部件的选材决定,但是相比离心泵,凸轮转子泵更换易损件的成本较小,离心泵每次更换的机封成本相对较高。

4 选型原则

4.1 密封

密封通常分为接触式密封和非接触式密封;常选用为接触式密封的机械密封,一种旋转机械的轴封装置。常用于离心泵、离心机等设备。由于驱动轴从设备内向外贯,使得轴与设备之间存在间隙,导致设备增加一个泄漏点,因此必须设置防止泄漏的机械密封装置。选型原则通常依据输送介质参数,如腐蚀性、固体颗粒含量和大小、密封、黏度等。

4.2 泵的润滑

离心泵和转子泵通常采用滚动轴承。对于中、轻荷的设备,一般采用油润滑或脂润滑,对于重载荷设备,应必须采用油润滑。通常为改善润滑,也会采用集中的油雾润滑系统。当泵的轴功率较大,应将滚动轴承替换为滑动轴承及压力油润滑系统。我单位离心泵选择的润滑方式均为脂润滑、凸轮转子泵选用为油润滑。

4.3 电动机选择

容积式泵的转速-水力转矩特性属于恒转矩特性,转动时的平均转矩与转速的大小无关,离心泵等叶片泵属平方转矩特性,其转矩与转速呈平方或立方的关系;泵的总转矩主要包括摩擦阻力矩与流体转矩。泵启动转矩的大小与泵的结构设计以及启动方式有关,为减少启动过程中的阻力矩,往复泵采用增设旁路的方式启动;离心泵一般采用关闭出口阀启动,在大多情况下,采用打开最小回流线启动,避免电机过载。

三相交流笼型感应电动机是最常用的驱动机,具有结构简单、维修方便、价格便宜、运行可靠、体积紧凑和操作简单等一系列优点,是经常选择的电机类型。

4.4 泵材料的选择

泵体的使用材料有很多种。常见的金属材料有铸铁、奥氏体不锈钢、316L 等。此外用于腐蚀性介质的材料还有高硅钢、哈氏合金等。常见的泵用非金属辅助材料有:氟橡胶、石棉、聚四氟乙烯、丁腈橡胶等。选择首先应根据使用经验确定腐蚀类型,选择相应的材料和防护措施,要求选用的材料具有优良的力学性能和加工性能,有选用该材料用于类似介质中的经验,制造厂也应该具备加工相关材料的经验[4]。应综合考虑选择价格相对便宜、加工性能好的材料。

5 现有装置应用的情况

我单位在两套不同的装置、工况类似的情况下,选用了两台不同类型的硝酸泵,分别为离心泵与凸轮转子泵,应用场景:输送介质为腐蚀性介质,68%的硝酸,设计额定流量为30 m3/h,泵送温度25 ℃、密度1 296 kg/m3,黏度0.67 mm2/s,具体的选型情况如下。

离心泵密封选用单端面集装式机械密封,冲洗方案为PLAN 11;轴承箱内径向采用进口的滚动轴承,依靠油润滑,轴端采用迷宫密封;根据腐蚀介质,轴套、泵轴、叶轮、泵壳均采用S30406的材质,机械密封动静环均采用SiC,弹簧或者波纹管选用哈氏C,采用7.5 kW,电机,额定转速在2 950 r/min。

凸轮转子泵作为新装置采用的硝酸泵,密封选用单端面集装式机械密封,冲洗方案为PLAN 1,采用同步齿轮,转子由悬臂支承,使用滚动轴承,采取油润滑的方式,泵壳及转子均采用S30403材质。

实际使用过程中,离心泵除需定期更换易损件外,但其过流部件出现不同程度的腐蚀情况,同时因泵轴选型较细,长时间的启停导致泵轴出现弯曲现象,导致备用时间增长、影响生产,为保证机泵的完好性、将泵轴、叶轮等过流部件列入常规备件计划中。同时考虑对机泵过流部件材质进行技改为S31603。随着装置的大型化,部分关键设备的不配备,极其影响生产,而新装置选型采用凸轮转子泵,主要看重其检维修的效率,为生产争取有利的时间。

6 总结

综上,S30403的材质在68%的硝酸工况下,存在一定的腐蚀,导致损坏部件不均为易损件,损坏后无法第一时间备用,因间歇卸料泵无备泵,影响生产装置运行;建议增设备泵,过流部件可以考虑S31603材质;对后续的使用寿命及维修成本而言,凸轮转子泵的寿命均长于离心泵,后期维修更换备件成本低,维修简单便捷,可以有效地降低故障率和维修时间。