環氧乙烷離心泵的選用與特點

高新懂，王小鵬，鞠海華

（1. 中國寰球工程公司， 北京 100012； 2. 北京現代職業技術學院， 北京 101300）

環氧乙烷離心泵的選用與特點

高新懂1，王小鵬1，鞠海華2

（1. 中國寰球工程公司， 北京 100012； 2. 北京現代職業技術學院， 北京 101300）

環氧乙烷屬于易燃易爆的有毒介質，輸送純環氧乙烷或濃度較高的環氧乙烷水溶液的離心泵非常危險。結合實際工程應用介紹了環氧乙烷用泵的泵型、材質、軸封、驅動機的選型及特點，為環氧乙烷離心泵的設計選用提供了設計依據。

環氧乙烷；離心泵；軸封；驅動機

環氧乙烷（Ethylene Oxide）介質易燃易爆且有毒，毒性程度屬高度危害。在較高的溫度下易水解或聚合，并放熱產生高溫而可能引起爆炸，環氧乙烷輸送泵的選用至關重要。離心泵，磁力泵以及隔膜泵等在環氧乙烷裝置中都有應用，但目前隨著裝置日益大型化，普通離心泵的應用越來越廣泛，本文主要介紹普通離心泵。

1 環氧乙烷的特點

環氧乙烷為易燃、易爆的有毒液體，沸點10.7℃，閃點-17.8 ℃，自燃點429 ℃，爆炸極限的體積分數為3%～100%。溫度高于40 ℃時環氧乙烷開始聚合。

環氧乙烷為強麻醉劑，能引起急性中毒和慢性中毒。短時間接觸高濃度環氧乙烷會引起頭疼、惡心、嘔吐和呼吸困難，液態環氧乙烷接觸皮膚會引起皮膚凍傷［1］。

可見環氧乙烷是極其危險的介質，爆炸極限范圍特別寬，少量泄露即容易引起爆炸。

2 泵型選擇

由于環氧乙烷介質具有以上易燃易爆、有毒等特點，輸送環氧乙烷離心泵的選擇須符合 API610標準，以20萬t/a環氧乙烷裝置為例，輸送環氧乙烷介質的泵的主要參數見表1。

表1 環氧乙烷泵的主要參數Table 1 Parameter of Ethylene Oxide Pumps

上述環氧乙烷泵的流量、揚程均較低，選用符合API610標準的OH2［2］型懸臂式離心泵，垂直剖分，單級閉式葉輪。另外，必須嚴格控制輸送溫度，在泵出口需要配備雙支 RTD測溫，實時監測輸送溫度，以防止溫度過高引發事故。雙支RTD一用一備可以在RTD故障時啟用備用探頭保證連續監測。

3 材質選擇

由于鑄鐵的塑性、韌性較低，對儲存或輸送環氧乙烷的設備不允許選用鑄鐵材質，通常選用低碳鋼或300系列的奧氏體不銹鋼。相比低碳鋼而言，不銹鋼不易被銹蝕，而鐵銹會對環氧乙烷的結晶起到催化作用，所以選用不銹鋼材質更加安全可靠。

通常選用304或316不銹鋼，即符合API610標準附錄 H離心泵部件材料和材料技術規范，表H.1離心泵部件的材料等級中的A-7或A-8材質。本項目由國內制造廠供貨，選用A-7材質。如采用進口離心泵，國外制造廠通常選用A-8材質。

4 軸封的選擇

泵內液體和泵外空氣之間壓力不同，沿軸要產生泄漏，因此需要設置軸封以防止液體泄漏。常用的軸封種類有填料密封、機械密封及浮動密封等。軸封的選擇要綜合考慮被密封液體的性能、溫度、壓力等參數［3］。

由于環氧乙烷輕微泄漏就容易引起爆炸，所以不允許環氧乙烷泄漏到空氣中。填料密封有介質泄漏，浮動密封則泄漏量更大，一般用于輸送介質壓力大于 25～50 kg/cm2，或軸封處 pv值大于90（kg/cm2·m/s）的工況。根據API610要求選用符合API682標準的機械密封。

為保證環氧乙烷不泄漏到空氣中，必須選用加壓型雙端面機械密封，即API682標準中的Plan53A、Plan53B、Plan53C、Plan54等。Plan53C帶有平衡活塞，多用于系統壓力波動較大的場合；Plan54要求帶單獨的外供沖洗液系統，多用于輸送高溫、含有固體顆?；蚣雀邷赜趾泄腆w顆粒的流體的工況，價格昂貴。環氧乙烷泵介質清潔，系統壓力穩定Plan53A或 Plan53B即可滿足使用要求，價格相對較低。

Plan53A和Plan53B在環氧乙烷離心泵中均有使用，二者的區別為 Plan53A要求提供壓力約 0.6 MPa（G）的氮氣源，Plan53B帶有蓄能器，可維持密封循環系統的壓力，壓力低時需向蓄能器中補充氮氣。API682第三版Plan53A、Plan53B密封沖洗系統如圖1和圖2所示［4］。2014年最新頒布的API682第四版已將壓力開關、液位開關等改為采用變送器。

圖1 Plan53A密封沖洗系統示意圖Fig.1 Plan53A Mechanical Seal Flushing System Sketch

圖2 Plan53B密封沖洗系統示意圖Fig.2 Plan53B Mechanical Seal Flushing System Sketch

對機械密封隔離液，由于密封腔壓力要高于泵入口壓力，隔離液需要注入到泵送的環氧乙烷介質中，必須和環氧乙烷介質兼容，通常選用乙二醇水溶液或脫鹽水。

另外，機械密封密封圈材質應能夠適用于該場合的環氧乙烷水溶液。普通氟橡膠不適用于含環氧乙烷介質的場合，通常采用全氟醚橡膠O形圈［5］。

5 驅動機的選擇

電動機、汽輪機、內燃機、燃氣輪機、液力回收透平等均可作為泵的驅動機使用。

汽輪機用作泵的驅動機可以改善工廠的蒸汽平衡，通常用于大、中型泵和需要調速的泵，或在易燃、易爆場合使用的泵。

內燃機、燃氣輪機通常用于油氣田、輸氣管線等油氣資源豐富、不便于供電的場合。

圖3 液力透平驅動示意圖Fig.3 Pump Driven by Hydraulic Power Recovery Turbine

液力透平作為一種能量回收裝置，近幾年的應用越來越多，可以起到節能減排的作用。通常用反轉的離心泵作為液力透平使用。一般情況下，液力透平作為輔助驅動設備與電動機或汽輪機串聯使用，如圖3所示；液力透平單獨驅動泵時，為了保證機組的穩定運轉需要調速裝置，對工藝和監控系統要求較高。所以如果選擇液力透平作為驅動機需要充分考慮其經濟性，考慮液體的物理、化學特性；可供回收的液體流量、揚程范圍；透平的進出口壓力、操作溫度；被驅動主機的種類和轉速及機組的配置要求等［6］。

環氧乙烷裝置沒有富裕的油氣可用，內燃機、燃氣輪機無法使用。環氧乙烷裝置中來自碳酸鹽換熱器的碳酸鹽富液可以用于驅動液力透平，但受制于經濟性的考慮，很少選用液力透平驅動環氧乙烷泵。

電動機是石化裝置用泵的主要驅動機，它具有結構簡單、運行可靠、維護方便、操作簡單等優點。本裝置環氧乙烷泵也選擇電動機作為驅動機。根據泵的功率和轉速范圍可初步確定電動機的型式，如圖4所示［7］。

圖4 電動機的適用范圍Fig.4 Range of Different Motors

對離心泵的軸功率，其計算公式為：

Pa=（HQρ）/（102η）

式中：H—泵的額定揚程，m；

Q—泵的額定流量，m3·s-1；

ρ—介質密度，kg·m-3；

η—泵額定工況下的效率；

Pa—泵額定工況下的軸功率，kW。

H、Q和ρ由泵的工藝參數給定，效率η需要根據泵廠的型譜曲線確定，可計算出泵的軸功率。

另對電動機的額定功率，API610要求電動機的銘牌額定功率，不包含服務系數（如果有的話），至少應等于表2中所列泵額定條件下功率的百分數。泵在額定條件下的功率不應超過電動機的銘牌額定功率。如果這個推薦值會明顯地導致電動機容量不必要的過大，則應提出報告供買方批準［2］。

表2 電動機驅動的功率裕量Table 2 Power ratings for motor drives

根據上式核算結合離心泵實際效率，本裝置電動機功率均在7 5kW以內，選用三相交流鼠籠型異步。如果離心泵需要自啟動，則電動機功率應覆蓋離心泵曲線末端功率，以免開閥啟動時功率太大導致電動機故障。環氧乙烷泵通常為手動啟動，可不考慮末端功率。

6 結束語

綜上所述，離心泵型式、機械密封及電動機的選擇對保證環氧乙烷泵至關重要。根據環氧乙烷泵的流量、揚程等選擇合適的離心泵型式，根據現場條件選擇合適的雙端面機械密封，根據操作及啟動條件合理選擇電動機才能保證環氧乙烷泵的穩定運行，保證環氧乙烷裝置安全。

［1］ GB/T 13098-2006.工業用環氧乙烷［S］. 北京：中國標準出版社，2006.

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

［3］ 沈陽水泵研究所，中國農業機械化科學研究院.葉片泵設計手冊［M］.北京：機械工業出版社. 1983：489-490.

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

［5］ 王剛. 環氧乙烷/乙二醇裝置用泵特點［J］. 化工設備與管道，2009，46（5）：22-25.

［6］ 肖濤. 液力透平的選擇及應用［J］. 科技視界， 2015（6）: 5-6.

［7］ 范德明，孫之郛，陳偉，等. 工業泵選用手冊［M］. 北京：化學工業出版社，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，山東省萊蕪市人，高級工程師，碩士，2005年畢業于青島科技大學機械制造及其自動化專業，研究方向：主要從事石油化工行業轉動設備的工程設計和研究工作。E-mail：gaogaogary@126.com。