屏蔽泵-安全无泄漏的流体输送设备
屏蔽泵-安全无泄漏的流体输送设备
朱冠中，王争牛，梁超国
(合肥新沪屏蔽泵有限公司，安徽合肥 230088)
摘要：屏蔽泵作为无轴封泵家族的一大类，在石油化工领域中扮演着日益重要的角色。其特点主要包括无泄漏，无联轴器，二次层压壳体设计，轴向力平衡结构，完善的监控保护系统等，为工厂的安全绿色运营提供了保障，使得流程设计工程师们在解决高危险性场合中的液体输送时多了一个可靠的选项。本文主要阐述了屏蔽泵的几种主要结构型式以及符合API685标准的屏蔽泵为市场带来的积极影响。
关键词：屏蔽泵；无泄漏；API685；监控系统
离心式屏蔽泵是在一种将机械设备(离心泵)与电气设备(屏蔽式电机)的无泄漏机电一体化旋转设备。目前市场中应用最广泛的无泄漏泵主要分为三大类：离心式屏蔽泵、离心式磁力泵、及容积式隔膜泵等，本文将着重讨论离心式屏蔽泵。伴随着工业化及城市化在人类文明中的深入影响，在化工、石化、石油精炼、核电、制冷等领域中，各国陆续出台了一系列安全环保法律法规，对工厂排放标准进行了严格的限制，因此离心式屏蔽泵逐渐走向了流程输送的中心舞台。
1、屏蔽泵的发展及主要特点
现代离心泵的设计制造已有超过100年的历史，发展历程中人们解决了不断涌现的大部分问题，如水力效率、结构设计、驱动配置、材料选择、强度设计等等，但是始终困扰着化工、石化等行业的问题是如何实现泵的完全零泄漏。传统离心泵的可靠运行需要轴封来解决旋转轴与机体之间的动密封，主要型式有填料式密封和机械密封。由于无论何种型式的轴封均需要用一部分泵送液来冲洗及冷却其端面，因此必然存在泄漏。泵的设计专家们便将制造完全零泄漏泵的焦点集中在了如何取消轴封上。1913年Swiss B. Gramiger发明了世界上第一款屏蔽泵，而后在1948年美国Chempump公司成功研制出可适用于工业领域的屏蔽泵，其结构设计上只有静密封而无轴封，从而保证了输送介质的零泄漏，这种结构至今仍是各国生产商制造屏蔽泵的基础。
图1 屏蔽泵剖面图及主要部件
图2 泵类设备故障占比分析
如图1所示，屏蔽泵的主要构成分为两大部分，即离心泵(主要包括泵体与叶轮)和屏蔽式三相鼠笼式异步电机(主要包括定子、转子与轴承系统)，转动部分由叶轮与电机转子等共同组成，完全浸没在泵送液中，电机定子内侧镶装非导磁的耐腐蚀屏蔽套隔离了电机的定转子腔以保护其不受到泵送液的侵蚀。另外，屏蔽泵采用了滑动轴承系统，并取消了传统电机的冷却风扇，进入电机腔的输送液被用来冷却电机及润滑轴承系统。屏蔽泵的结构设计中需考虑其转动总成的轴向力和径向力的平衡，以确保屏蔽泵运行时轴承不会出现异常磨损。具有这种结构的屏蔽泵在输送危险性液体时表现出如下优点：
1) 无轴封；输送介质绝对无泄漏。（如图2所示，约69%的泵类设备故障由轴封引起）
2)不需要注入润滑液或密封液；既省去了注油的麻烦，也不会污染输送液。
3)无联轴器；电机与泵采用积木式一体化设计，结构非常紧凑，所以体积小重量轻，安装时无需找正对中，对泵底座要求低，最大程度地降低安装成本。（如图2所示，约2%的泵类设备故障由联轴器引起）
4)无冷却电机的风扇；与普通电机驱动的离心泵相比，运转噪声大幅降低。
5)二次压力壳体设计；在结构设计中定子屏蔽套是屏蔽泵的一次承压壳体，电机机壳筒和接线盒则是屏蔽泵的二次承压壳体。在一次承压壳体破裂时，二次承压壳体将发挥作用，以保证泵送的危险液体在极端状况下不会泄漏至外界环境中，保障工厂运行的绝对安全。
6)主要维护只是更换滑动轴承系统；降低了运行成本。（对欧洲某炼化厂数千台已安装运行屏蔽泵的调查结果显示，屏蔽泵的平均维护周期约为7.5年）
7)实现泵送液与外界环境的绝对隔离；适用于真空系统的运行以及输送易与外界空气接触后发生反应的液体，并且适合于输送高温高压、超低温、高熔点液体，利用屏蔽泵无轴封这一特点来解决有轴封泵难以解决的上述特殊液体。
2、屏蔽泵的主要结构型式和工程解决方案
我们在文章前面的篇幅主要阐述了屏蔽泵在现代工业中的优势，但是我们也常常听到许多业内人士对屏蔽泵的负面评价，如效率低、对系统及现场操作要求高、无法输送含颗粒的液体、价格较贵等。但随着现代工程技术的发展以及屏蔽泵的普及率逐步升高，大部分问题已得到了很好的解决。下面我们对屏蔽泵的主要结构型式和工程解决方案做一些介绍。
图3 新沪屏蔽泵选型简表
屏蔽泵的结构型式主要由电机的不同循环方式决定的，在API685标准中对这些循环方式有详细的描述。不同的工况涉及屏蔽泵选型的因素较多，包括流量、扬程、温度、汽化压力、系统压力、是否固体颗粒及其含量等。图3是合肥新沪公司屏蔽泵方案选用简表，可清晰地了解在屏蔽泵选型过程中需要考虑的因素及判断基准。
2.1 常规工况的对策
在屏蔽泵应用的工况中，一般我们将输送-50~120℃左右的不易汽化的干净液体归结为常规工况。对于普通离心泵来说，有毒有害、强腐蚀性、易燃易爆等液体的输送属于危险性工况的范畴，但基于屏蔽泵的无泄漏特性，我们并不对这些性质的液体做特殊区分。在石化流程中80%以上的应用属于我们所说的常规工况，屏蔽泵选用普通基本型结构，其中应用最为广泛的循环方式为轴内循环型，如图4所示，输送介质有一小部分从叶轮出口直接通过电机定子和电机转子之间的间隙，再经转子轴中心孔回叶轮入口，完成对电机的冷却和轴承的润滑。
图4 轴内循环型屏蔽泵的循环方式
2.2 高温液体的对策
当然输送高温介质，也可以采用超高温电机的方案，电机绕组本身能够承受介质的温度，那就不需要采用泵腔和电机腔隔离设计。但是超高温电机的方案受制电机材料和工艺的限制，目前使用范围还远不如普通屏蔽电机。当输送120~450℃的导热油、过热水等高温液体时，由于泵腔进入电机腔的高温液体超过电机定子绕组的耐热温度，普通基本型结构显然是不行的，高温分离型结构成功解决了这一问题，其循环方式如图5所示，泵腔与电机腔由热屏隔开，电机外部设置热交换器形成独立的循环冷却系统，使电机腔内的循环液温度控制在150℃以下，避免了电机绕组耐热的问题。
图5 高温分离型屏蔽泵的循环方式
2.3 易汽化液体的对策
输送氟利昂、液化气、天然气、液氨等容易汽化的液体时，循环液经过电机腔会使其温度升高并汽化，如果采用基本基本型结构，循环液返回叶轮入口时则容易产生汽蚀。这种工况下，就需要选用逆向循环型结构，其循环方式如图6，将通过电机腔的循环液返回到吸入罐的气相区，避免介质汽化产生的气体在泵内积存。
图6 逆向循环型屏蔽泵的循环方式
2.4 含有固体颗粒的泥浆液对策
当输送介质中含有固体颗粒时，如果其进入电机腔内，则会大大缩短轴承的寿命。要避免输送介质进入电机腔，需将泵腔与电机腔通过连接体内安装的机械密封进行隔离，同时还需要从外部往电机腔内注入清洁的循环液，这就是泥浆密封型结构，其循环方式如图7所示。
图7 泥浆密封型屏蔽泵的循环方式
除了以上介绍的几种代表性的结构类型外，通过采取一定的对策而开发出的泵型可以适用于各种用途，如：
有效汽蚀余量低——自吸泵；
安装于地下或罐体内——液下泵；
高扬程——多级泵；
高温高压——高温高压泵等等。
3、API685标准的推行及其对石化流程带来的影响
由于屏蔽泵是特殊的机电一体化设备，因此工程设计和各项资质认证机构对其品类的划分比较困难，许多传统上的泵类产品标准也无法直接准确地覆盖屏蔽泵的设计、制造及验收，这些因素造成了屏蔽泵初期进入市场时无法被石化领域轻易接受。目前美国石油协会(API)出版的一系列标准已被石化行业广泛接受，2000年第一版API685和2011年第二版API685标准的出版及广泛采用很好得弥补了市场对无轴封泵的认知欠缺，也为之后屏蔽泵在石化领域的长足发展奠定了坚实的基础。屏蔽泵在输送高温高压、强腐蚀性、有毒有害、易燃易爆及低温等极端状态下的液体时有着巨大的优势，从而使石化流程中的长期难题迎刃而解。
图8 美国某废油再精炼厂使用新沪API685屏蔽泵成功替换原API610离心泵
据分析，在石油炼化流程中超过50%的常规离心泵可以被无泄漏屏蔽泵所取代，如常减压蒸馏、催化裂化(FCC)、加氢、脱硫、烷基化、气分、硫磺回收等装置中的大部分离心泵，甚至在加氢裂化装置中的部分应用中也有屏蔽泵的一席之地。如图8所示，美国某废油再精炼厂的API610离心泵，由于系统入口压力达到7MPa，轴封经常损坏，工厂每个月维修该轴封的投入约为6,000美金(不计维修造成的停工带来的工厂损失)，新沪屏蔽泵公司为其定制化设计了API685屏蔽泵，在不动原始管线及底座的情况下直接替换了原API610泵，现已成功运行接近3年，为工厂节约下的运营成本早已覆盖该屏蔽泵的采购成本。
屏蔽泵的大规模使用在为业主提供更加安全可靠的零泄漏输送方案的同时，也极大地延长了装置维护周期(MTBR)并降低了工厂的维护成本。其低噪音、低振动、无需找正对中等特点也给工厂工作人员提供了更加安全的环境，同时简化了工厂的日常维护工作。在后续的石化深加工流程中，例如乙烯装置、聚乙烯和聚丙烯装置、合成氨装置、尿素装置等，屏蔽泵的推广更是能为工厂运行的安全、可靠、高效、环保提供强有力保证。
图9 国内某气田水洗脱氯装置用API685屏蔽泵
图10 输送易汽化液体的各类屏蔽泵
欧洲的某石油炼化工厂的屏蔽泵使用报告中表明，该工厂在大规模推广屏蔽泵的使用数年后，装置维护周期提高了一倍以上，工厂的运营成本大幅下降，由泵引起的装置故障及检修也大大减少，该工厂中一台输送含有大量硫化氢的LPG的屏蔽泵甚至免维护地稳定运行了十年以上。由此可见，屏蔽泵技术的广泛应用可以为石化领域带来许多积极的影响，例如更安全环保的工作环境，更可靠的液体输送以及更少的运营成本等。因此在实际情况允许时，屏蔽泵值得被流程设计工程师们优先考虑。图10为新沪屏蔽泵公司为国内某烷基化项目开发的适用于输送易汽化液体的符合API685标准的各型式屏蔽泵。
我们也十分期待针对多级屏蔽泵的API标准在不久的将来可以顺利出版，为石化领域的高扬程应用也带来有力的理论依据。
4、屏蔽泵的监控系统及其在物联网时代的作用
既20世纪互联网技术的发展壮大后，21世纪人们常提及的词为物联网，也被人们称作第四次工业革命。物联网即网络物理系统，其将通信的数字技术与软件，传感器和纳米技术相结合以实现物与物，物与人的连接和自动监测，识别及控制。屏蔽泵作为机电一体化设备也将在物联网时代进一步凸显其在离心泵家族中的优势地位。
图11 API685标准中的屏蔽泵检测系统示意图
如图11中所示，最新出版的API685标准中详细描述了目前适用于屏蔽泵的各种传感器监测系统。前文中提到过屏蔽泵是将泵部分和电机部分完整地一体化设计，因此相较于其他离心泵而言，屏蔽泵上配备着的传感器也即同时监测着泵与电机两部分。
举例说明，位于前后轴承座上的振动传感器同时监测着电机的电磁传动是否正常，轴承系统中的各部件相互之间是否发生接触，以及泵吸入端是否产生汽蚀等，位于循环液路径上的温度传感器也同时监测着泵吸入端是否缺液、泵送液体温度是否过高以及电机是否过热运转等。与此同时，如果配备全套传感器装置，屏蔽泵机组的任何异常都会有两个以上的传感器对其做出反应，这极大地保证了信号反馈的真实性，例如当泵的工作流量超出最大允许范围时，位于后轴头的轴向位移传感器将显示转子的轴向位移超标，位于循环液路径上的温度传感器会显示循环液温度异常，位于前后轴承座上的振动传感器会显示振动异常，电机绕组的温度保护会传送温度升高及电流增大的信号等等。当我们将这些传感装置应用于液下屏蔽泵机组时，其优势更加明显。在数米深的地下或罐体内，通过对各传感器传送的信号的监测，工厂便可掌握泵运转的实时状况，并对异常情况采取预防性维护措施，这将极大降低对机组造成永久性损坏的可能性。
图12 装备有多个检测系统的API685屏蔽泵
总而言之，屏蔽泵的监测系统设计可以轻松地实现对泵机组的全面监测，这些实时信号的采集将进一步促进工厂与物联网时代的快速接轨，从而达到超乎想象的生产效率与安全环保的进一步提升。
5、结束语
目前，绿色环保及安全运营是工业领域炙手可热的议题，环境问题甚至已成为全民参与的焦点，随着社会的不断发展，这两个议题将会愈加重要。通过以上针对屏蔽泵的几个主要特性的分析，我们可以发现屏蔽泵的主要优势是安全无泄漏且监控手段完善，这完美地解决了石化流程中困扰着大家数十年的需要实现完全无泄漏的难题，为各类危害性液体的安全输送提供了保障。在解决高温高压的系统装置泵送问题时，相比于其他离心泵，屏蔽泵的优势更加突出·。当然，目前屏蔽泵应用范围相对于普通离心泵来说要窄些，主要受制于轴承材料的选用以及屏蔽电机容量，但是这些问题一定会随着技术的不断发展而逐步得到解决。我们相信随着技术的日渐成熟以及良好的用户体验，屏蔽泵有望成为未来石化流程设计中工程师们的优选。
参考文献：
梁超国，屏蔽泵的结构，原理及其应用，化工设备与设计，1998
EP Editorial Staff, Understanding Canned Motor Pumps, EFFICIENT PLANT, 2008.09
G. ZIMA， Improve process reliability and reduce emissions with sealless pumps, HYDROCARBON PROCESSING, 2005. 11
Robert Neumaier, HERMETIC PUMPS, 1994. 06
作者简介：朱冠中，生于1991年，男，安徽淮南人，应用工程师，合肥屏蔽泵有限公司。
