硝酸泵在應(yīng)運(yùn)中的選型對比分析

趙雄偉,孫紅軍,李成科,武員員,李強(qiáng)

(陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)有限責(zé)任公司,陜西 榆林 719000)

化工生產(chǎn)通常使用的泵可分為兩大類,速度式和容積式;速度式一般分為噴射式和葉片式,容積式一般可分為回轉(zhuǎn)式和往復(fù)式。我單位在建設(shè)期硝酸卸料泵選用為離心泵,但在實(shí)際運(yùn)行過程中,發(fā)現(xiàn)除泵殼、泵體外的所有過流部件損壞,在拆解過程中發(fā)現(xiàn)泵軸頭處存在受力現(xiàn)象,導(dǎo)致彎曲。正確的泵的設(shè)計(jì)與選用在一定程度上影響了泵的使用壽命,從而影響化工生產(chǎn)裝置的“長、安、穩(wěn)”的可靠性。結(jié)合該裝置運(yùn)行及選材情況,對公司其他項(xiàng)目關(guān)的硝酸泵選型為凸輪轉(zhuǎn)子泵進(jìn)行分析總結(jié)并探討。

1 離心泵的結(jié)構(gòu)及原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

離心泵為化工常見的轉(zhuǎn)動設(shè)備,其主要結(jié)構(gòu)有泵體、電機(jī)、聯(lián)軸器,泵體通常包含泵殼、葉輪、泵蓋、泵軸、機(jī)械密封組件、軸承等組成。泵殼為離心泵的主體結(jié)構(gòu),起到支撐與固定的作用;葉輪為離心泵的核心結(jié)構(gòu),通過高速旋轉(zhuǎn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為壓力能來實(shí)現(xiàn)流體的輸送,通常分為閉式、半開式、開式三種,在實(shí)際選用中可根據(jù)介質(zhì)的不同來選擇葉輪形式;泵蓋作為隔離從葉輪中甩出的液體的密封件,同時(shí)起到支撐機(jī)械密封組件的作用;泵軸有效地將聯(lián)軸器與電機(jī)連接,從而實(shí)現(xiàn)傳遞扭矩的作用,與葉輪之間為鍵連接,保證葉輪的有效轉(zhuǎn)動;機(jī)械密封組件,作為動密封,保證泵軸在旋轉(zhuǎn)過程能達(dá)到泄露要求,也極大地保證了泵運(yùn)轉(zhuǎn)的安全可靠性;軸承是除去泵蓋與機(jī)械密封外對軸起到支撐作用的另一個部件,保證泵軸在泵體內(nèi)保持一個相對的水平。結(jié)構(gòu)簡圖如圖1。

1.泵體;2.密封環(huán);3.葉輪;4.軸承;5泵蓋;6.泵軸;7.托架;8.聯(lián)軸器;9.軸承;10.機(jī)封。

1.2 運(yùn)行原理

離心泵在工作時(shí)泵體內(nèi)需灌滿大量液體,在葉輪的高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會使液面獲得離心力,在葉輪中心內(nèi)的液體由于離心力拋向葉輪外緣,再經(jīng)過泵軸的流道進(jìn)入管道,在葉輪中也會產(chǎn)生短暫的真空狀態(tài),在大氣壓的作用下,液體再次被壓進(jìn)泵體,隨著葉輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動,將液體不斷地流出和吸入,從而實(shí)現(xiàn)了輸送流體的目的。泵軸間采取機(jī)械密封,以此確保泄漏量在合格范圍內(nèi)。

2 凸輪轉(zhuǎn)子泵的結(jié)構(gòu)及原理

2.1 基本結(jié)構(gòu)

凸輪轉(zhuǎn)子泵的驅(qū)動方式與離心泵大同小異,主要區(qū)別在于泵體的不同,泵體一般包含泵殼、泵蓋、襯板、轉(zhuǎn)子、機(jī)械密封、軸承、同步齒輪、隔離腔等。轉(zhuǎn)子與泵殼的選型根據(jù)工況流體介質(zhì)的特性選擇;不同的工況、不同的溫度下,轉(zhuǎn)子會徑向膨脹,導(dǎo)致兩個轉(zhuǎn)子軸彎曲,從而引起兩軸的偏心運(yùn)動,導(dǎo)致磨損;泵殼一般采用上下分體或一體式,便于調(diào)整上下蓋間隙,對轉(zhuǎn)子的配合進(jìn)行補(bǔ)償[1]。結(jié)構(gòu)簡圖如圖2。

1.前蓋;2.密封;3.齒輪箱;4、7.耐磨板;5.半圓泵體;6.轉(zhuǎn)子。

2.2 運(yùn)行原理

轉(zhuǎn)子泵是旋轉(zhuǎn)容積的水泵,通過在同步齒輪啟動下的不斷轉(zhuǎn)動的二個螺旋形凸輪轉(zhuǎn)動,并通過水泵的入口把輸出介質(zhì)傳遞給水泵的輸出,由于轉(zhuǎn)子齒輪和密封間的密封性,將泵的進(jìn)口與出口腔室隔離開來,因此具有自吸能力。啟動時(shí),吸入端容積由小變大,壓力逐漸降低,在大氣壓的作用下,將介質(zhì)吸入空腔。當(dāng)介質(zhì)充滿進(jìn)口腔體時(shí),隨轉(zhuǎn)子的不斷轉(zhuǎn)動,排出端空腔容積變小,壓力升高,介質(zhì)被排出。在齒輪箱和泵腔體之間有一個被液體充滿的隔離室,將同步齒輪與泵腔體分隔開,一方面防止泵腔體內(nèi)的液體進(jìn)入齒輪箱影響油質(zhì),另一個方面以免齒輪箱油進(jìn)入到泵腔體內(nèi)污染介質(zhì),在長期運(yùn)行的過程中,可以保證轉(zhuǎn)子的可靠運(yùn)行,如隔離腔發(fā)生泄漏[2],可以直觀判斷機(jī)封失效。

3 離心泵和凸輪轉(zhuǎn)子泵的對比

3.1 性能對比

離心泵屬于葉片式泵,流量不恒定,隨著管路的口徑變化而變化,普通單級離心泵流量可達(dá)1.5～2 500 m3/h,單級揚(yáng)程一般可達(dá)0～150 m,揚(yáng)程通常與泵的水力設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)速相關(guān),對應(yīng)的流量與揚(yáng)程成比例關(guān)系;效率值一般在40%～80%,低轉(zhuǎn)速比時(shí)效率較低,在設(shè)計(jì)點(diǎn)最高,偏離越遠(yuǎn),效率越低;設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速一般可達(dá)0～3 000 r/min,普通離心泵無自吸能力,自吸式離心泵可以,泵內(nèi)受介質(zhì)流動性影響,效率一般較低;適用固體顆粒直徑小于2 mm,低黏度介質(zhì),化工離心泵根據(jù)選材可以輸送帶有一定腐蝕的介質(zhì);受離心原理的影響,對介質(zhì)有一定的破壞力,存在一定的噪聲和振動。

凸輪轉(zhuǎn)子泵屬于容積式轉(zhuǎn)子泵,采用同步齒輪使兩個螺旋形凸輪轉(zhuǎn)子不斷轉(zhuǎn)動,使輸送介質(zhì)連續(xù)排出,由于轉(zhuǎn)子齒輪和密封間的密封性,將泵的進(jìn)口與出口腔室隔離開來,因此具有自吸能力。采用三葉60°螺旋轉(zhuǎn)子,泵在旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)每個時(shí)刻的流量都能達(dá)到恒定,流量范圍一般在0～1 400 m3/h,單級揚(yáng)程一般可達(dá)0～150 m,其揚(yáng)程只取決于泵管路特性;效率值一般可達(dá)70%～95%,效率越高對應(yīng)的出口壓力增大,使內(nèi)泄露有所下降;具有一定的自吸能力,最大自吸一般為9 m;對介質(zhì)是適應(yīng)范圍較大,對含固率無要求、顆粒最大直徑為150 mm,轉(zhuǎn)子材質(zhì)可根據(jù)腐蝕性強(qiáng)度選擇304、PTFE等材質(zhì);運(yùn)行屬于低脈動,對介質(zhì)幾乎無影響,運(yùn)行時(shí)較離心泵而言噪音低、振動小。

3.2 維修對比

離心泵結(jié)構(gòu)類型較多,磨損件多,相對質(zhì)量較差。流量調(diào)節(jié)通常需要改變轉(zhuǎn)速和出口節(jié)流,啟泵時(shí)必須關(guān)閉出口閥并關(guān)泵排氣,往往準(zhǔn)備工作不到位,造成泵的損壞,維修時(shí)需要斷開聯(lián)軸節(jié)及機(jī)封冷卻管線等,更換易損件時(shí)間在4～6 h左右。

凸輪轉(zhuǎn)子泵結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、體積小,泵內(nèi)殼四周設(shè)計(jì)為可更換的耐磨鋼保護(hù)襯板,泵內(nèi)磨損件只有轉(zhuǎn)子部件。流量調(diào)節(jié)通常需要改變轉(zhuǎn)速或者通過旁路調(diào)節(jié),啟動時(shí)出口閥全開,直接啟動即可,同時(shí)采用快速開啟式泵蓋,可滿足快速更換轉(zhuǎn)子與泵腔內(nèi)的保護(hù)襯板,提高維修效率[3]。

3.3 成本對比

離心泵結(jié)構(gòu)簡單,造價(jià)低,應(yīng)用廣泛,相比凸輪轉(zhuǎn)子泵的一次采購費(fèi)較高。主要原因是凸輪轉(zhuǎn)子泵屬于容積式泵,其輸送流量可以較精確地控制,而離心泵的輸出流量是不容易控制的;離心泵在輸送混合物時(shí)因受離心力導(dǎo)致其成品的質(zhì)量下降;轉(zhuǎn)子泵可用于輸送高黏度的物質(zhì),而離心泵無不適用;轉(zhuǎn)子泵可滿足于長距離或高阻力定量輸送,轉(zhuǎn)子泵較離心泵由于精密,制作復(fù)雜、成本高。具體的價(jià)格差額會根據(jù)部件的選材決定,但是相比離心泵,凸輪轉(zhuǎn)子泵更換易損件的成本較小,離心泵每次更換的機(jī)封成本相對較高。

4 選型原則

4.1 密封

密封通常分為接觸式密封和非接觸式密封;常選用為接觸式密封的機(jī)械密封,一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸封裝置。常用于離心泵、離心機(jī)等設(shè)備。由于驅(qū)動軸從設(shè)備內(nèi)向外貫,使得軸與設(shè)備之間存在間隙,導(dǎo)致設(shè)備增加一個泄漏點(diǎn),因此必須設(shè)置防止泄漏的機(jī)械密封裝置。選型原則通常依據(jù)輸送介質(zhì)參數(shù),如腐蝕性、固體顆粒含量和大小、密封、黏度等。

4.2 泵的潤滑

離心泵和轉(zhuǎn)子泵通常采用滾動軸承。對于中、輕荷的設(shè)備,一般采用油潤滑或脂潤滑,對于重載荷設(shè)備,應(yīng)必須采用油潤滑。通常為改善潤滑,也會采用集中的油霧潤滑系統(tǒng)。當(dāng)泵的軸功率較大,應(yīng)將滾動軸承替換為滑動軸承及壓力油潤滑系統(tǒng)。我單位離心泵選擇的潤滑方式均為脂潤滑、凸輪轉(zhuǎn)子泵選用為油潤滑。

4.3 電動機(jī)選擇

容積式泵的轉(zhuǎn)速-水力轉(zhuǎn)矩特性屬于恒轉(zhuǎn)矩特性,轉(zhuǎn)動時(shí)的平均轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的大小無關(guān),離心泵等葉片泵屬平方轉(zhuǎn)矩特性,其轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速呈平方或立方的關(guān)系;泵的總轉(zhuǎn)矩主要包括摩擦阻力矩與流體轉(zhuǎn)矩。泵啟動轉(zhuǎn)矩的大小與泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及啟動方式有關(guān),為減少啟動過程中的阻力矩,往復(fù)泵采用增設(shè)旁路的方式啟動;離心泵一般采用關(guān)閉出口閥啟動,在大多情況下,采用打開最小回流線啟動,避免電機(jī)過載。

三相交流籠型感應(yīng)電動機(jī)是最常用的驅(qū)動機(jī),具有結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、價(jià)格便宜、運(yùn)行可靠、體積緊湊和操作簡單等一系列優(yōu)點(diǎn),是經(jīng)常選擇的電機(jī)類型。

4.4 泵材料的選擇

泵體的使用材料有很多種。常見的金屬材料有鑄鐵、奧氏體不銹鋼、316L 等。此外用于腐蝕性介質(zhì)的材料還有高硅鋼、哈氏合金等。常見的泵用非金屬輔助材料有:氟橡膠、石棉、聚四氟乙烯、丁腈橡膠等。選擇首先應(yīng)根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)確定腐蝕類型,選擇相應(yīng)的材料和防護(hù)措施,要求選用的材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能和加工性能,有選用該材料用于類似介質(zhì)中的經(jīng)驗(yàn),制造廠也應(yīng)該具備加工相關(guān)材料的經(jīng)驗(yàn)[4]。應(yīng)綜合考慮選擇價(jià)格相對便宜、加工性能好的材料。

5 現(xiàn)有裝置應(yīng)用的情況

我單位在兩套不同的裝置、工況類似的情況下,選用了兩臺不同類型的硝酸泵,分別為離心泵與凸輪轉(zhuǎn)子泵,應(yīng)用場景:輸送介質(zhì)為腐蝕性介質(zhì),68%的硝酸,設(shè)計(jì)額定流量為30 m3/h,泵送溫度25 ℃、密度1 296 kg/m3,黏度0.67 mm2/s,具體的選型情況如下。

離心泵密封選用單端面集裝式機(jī)械密封,沖洗方案為PLAN 11;軸承箱內(nèi)徑向采用進(jìn)口的滾動軸承,依靠油潤滑,軸端采用迷宮密封;根據(jù)腐蝕介質(zhì),軸套、泵軸、葉輪、泵殼均采用S30406的材質(zhì),機(jī)械密封動靜環(huán)均采用SiC,彈簧或者波紋管選用哈氏C,采用7.5 kW,電機(jī),額定轉(zhuǎn)速在2 950 r/min。

凸輪轉(zhuǎn)子泵作為新裝置采用的硝酸泵,密封選用單端面集裝式機(jī)械密封,沖洗方案為PLAN 1,采用同步齒輪,轉(zhuǎn)子由懸臂支承,使用滾動軸承,采取油潤滑的方式,泵殼及轉(zhuǎn)子均采用S30403材質(zhì)。

實(shí)際使用過程中,離心泵除需定期更換易損件外,但其過流部件出現(xiàn)不同程度的腐蝕情況,同時(shí)因泵軸選型較細(xì),長時(shí)間的啟停導(dǎo)致泵軸出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象,導(dǎo)致備用時(shí)間增長、影響生產(chǎn),為保證機(jī)泵的完好性、將泵軸、葉輪等過流部件列入常規(guī)備件計(jì)劃中。同時(shí)考慮對機(jī)泵過流部件材質(zhì)進(jìn)行技改為S31603。隨著裝置的大型化,部分關(guān)鍵設(shè)備的不配備,極其影響生產(chǎn),而新裝置選型采用凸輪轉(zhuǎn)子泵,主要看重其檢維修的效率,為生產(chǎn)爭取有利的時(shí)間。

6 總結(jié)

綜上,S30403的材質(zhì)在68%的硝酸工況下,存在一定的腐蝕,導(dǎo)致?lián)p壞部件不均為易損件,損壞后無法第一時(shí)間備用,因間歇卸料泵無備泵,影響生產(chǎn)裝置運(yùn)行;建議增設(shè)備泵,過流部件可以考慮S31603材質(zhì);對后續(xù)的使用壽命及維修成本而言,凸輪轉(zhuǎn)子泵的壽命均長于離心泵,后期維修更換備件成本低,維修簡單便捷,可以有效地降低故障率和維修時(shí)間。