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離心泵的軸密封,各泵的結(jié)構(gòu)特點和軸封特性

在石油化工行業(yè),離心泵具有性能范圍廣泛、流量均勻、結(jié)構(gòu)簡單、運轉(zhuǎn)可靠和維修方便等諸多優(yōu)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(jīng)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(jié)構(gòu)特點和軸封特性進行分析和探討。

一、案例

某石化企業(yè)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(shù)參數(shù)如下:

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(fā)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(zhì)劃為第3.2 類中閃點易燃液體。

二、各泵的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)軸和機體之間的密封裝置,它是由至少一對垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面,在流體壓力和補償機構(gòu)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(gòu)成防止流體泄漏的裝置,常用于機泵、壓縮機等旋轉(zhuǎn)式流體機械。機械密封的基本元件由動環(huán)、靜環(huán)、壓蓋、推環(huán)、彈簧、定位環(huán)、軸套、輔助密封(動靜環(huán)密封圈、軸套密封圈)組成。其機械密封外形結(jié)構(gòu)圖如圖2-1

機械密封的工作原理如圖2-2所示。它是靠彈性構(gòu)件(如彈簧或波紋管,或波紋管及彈簧組合構(gòu)件)和密封介質(zhì)的壓力在旋轉(zhuǎn)的動環(huán)和靜環(huán)的接觸表面(端面)上產(chǎn)生適當?shù)膲壕o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(zhuǎn)環(huán)與靜止環(huán)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(guān)鍵。B處為靜環(huán)7與壓蓋4端面之間的密封;C處為動環(huán)3與軸(或軸套)9配合面之間的密封,因能隨補償環(huán)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(jié)構(gòu)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(tǒng),無外供液沖洗冷卻系統(tǒng),當這一級密封泄漏時,泵體介質(zhì)會直接泄漏到環(huán)境中,主要適用于一般介質(zhì)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。

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

4、屏蔽泵的結(jié)構(gòu)和軸封特性

(1)屏蔽泵的工作原理及結(jié)構(gòu)

如圖2-5所示,屏蔽泵是一種無密封泵,泵和驅(qū)動電機都被密封在一個被泵送介質(zhì)充滿的壓力容器內(nèi),此壓力容器只有靜密封,并由一個電線組來提供旋轉(zhuǎn)磁場并驅(qū)動轉(zhuǎn)子。這種結(jié)構(gòu)取消了傳統(tǒng)離心泵具有的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子表面分別用非磁性薄壁材料包封,與工藝介質(zhì)隔開,轉(zhuǎn)子由前后導軸承支撐,浸在輸送的介質(zhì)中。轉(zhuǎn)子軸端裝有葉輪,形成無軸封的結(jié)構(gòu),以達到無泄漏輸送的目的。

1.泵體 2.葉輪 3.前導軸承 4.定子 5.轉(zhuǎn)子 6.軸 7.后導軸承 8.推動盤 9.軸承監(jiān)視器

(2)屏蔽泵的軸封特點

從屏蔽泵的原理和屏蔽泵的結(jié)構(gòu)(圖2-5)可知:屏蔽泵沒有旋轉(zhuǎn)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(jīng)濟性比較

(1)安全性比較的角度說明

一個設(shè)備的安全性評價是一個綜合系統(tǒng)的問題,具包括設(shè)備本身質(zhì)量的可靠性及設(shè)備的完好性,也包括環(huán)境及人的行為操作對設(shè)備安全的影響。因本文論述的側(cè)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(cè)重在泵泄漏造成的危害角度。現(xiàn)在進行的安全性比較僅從泵的結(jié)構(gòu)和軸封特性,當軸封故障發(fā)生泄露時,造成介質(zhì)泄漏到環(huán)境中,可能引起的人身健康、環(huán)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(zhì)為甲醇,甲醇揮發(fā)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(fā)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(jù)甲醇泵輸送甲醇危險物料可能存在的安全風險和泵結(jié)構(gòu)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(nèi)機封泄漏時,會先泄漏到外級機封的沖洗冷卻系統(tǒng)壓力罐,而沒有直接泄漏到環(huán)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(zhì)會直接泄漏到環(huán)境中,所以安全性一般。

(4)經(jīng)濟性的比較

對于經(jīng)濟性的比較,單端面密封離心泵和雙端面密封離心泵設(shè)備投資費用稍微低,但后期的設(shè)備故障率高,檢修維護多;而屏蔽泵因制造工藝技術(shù)要求高,則前期設(shè)備投資費用高,一般為國產(chǎn)的離心泵的2-4倍,但后期的設(shè)備檢修維護會相對低。記相關(guān)的統(tǒng)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(jīng)濟性比較如下表3-1所示:

在石油、化工裝置對泵的要求,必須滿足對介質(zhì)特性的要求,要充分考慮輸送介質(zhì)的特性,工況環(huán)境的特點,安全環(huán)保的要求及經(jīng)濟成本進行綜合考慮。安全優(yōu)先,經(jīng)濟性為本。一般的場合,優(yōu)先選用單端面密封,因為單端面密封結(jié)構(gòu)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(fā)的低溫介質(zhì)(液化石油氣等)、有毒或貴介質(zhì)的泵要求軸封可靠或采用無泄漏泵。應優(yōu)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(zhì)甲醇為易燃、易爆、易揮發(fā)、有毒性危險介質(zhì),應該以安全性為優(yōu)先,兼具經(jīng)濟性考慮,而輸送的介質(zhì)甲醇為很潔凈的物質(zhì),非常適合屏蔽泵對介質(zhì)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(shè)備投資也查重不是很高。所以,在輸送甲醇等易燃、易爆、易揮發(fā)、有毒性危險介質(zhì)時,選擇屏蔽泵為最佳方案。

來源:過程安全管理

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