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羅蘭磁力泵技術說明

一、技術背景

        無密封離心泵以其本質安全的特性被廣泛用于石油化工工藝流程對易燃易爆、有毒有害等危險化學液體的泵送。但當前常規技術下,無密封泵普遍存在兩個技術瓶頸問題。一是渦流損耗問題,二是滑動軸承問題。

        無密封泵通常僅指“磁力驅動離心泵”(MDP)和“屏蔽電機離心泵”(CMP)。這兩種泵實現無密封的原理本質上是一致的。因此都存在渦流損耗和軸承問題。當小功率驅動時,上述問題不明顯。但大功率驅動時問題非常凸顯。這種現狀制約了大功率無密封泵的廣泛應用。

        屏蔽電泵是一種技術成熟的產品,市場應用的覆蓋面較大。磁力泵近年來的技術進步有取代前者的趨勢。一個重要的原因是,磁力泵相對屏蔽電泵具有現場維修的便利、快速和低成本的特點。

 

二、磁力泵的渦流損耗

2.1渦流損耗產生的原因

        磁力泵是用永磁耦合實現無接觸的動力扭矩傳送。這樣就可在磁場氣隙中安裝一個承壓殼體,將工作介質與大氣隔離開,使通常的軸動密封變成靜密封。該承壓殼體俗稱“隔離套”,其安裝位置和工作條件決定了對材料的性能有特殊要求。如高機械強度、非鐵磁性、高電阻率、耐腐蝕等等。在常規材料中,沒有滿足全部條件的材料。無奈的情況下,只好采用非鐵磁性和電阻率相對較高的金屬材料。如奧氏體不銹鋼、哈氏合金、鈦合金等。

磁力泵工作時金屬隔離套處于交變磁場中,會感應出渦電流,它是功率傳遞過程中的損耗,稱為“渦流損耗”。

 渦流損耗的經驗計算公式:

PL=K×T×L×N2×Bg2×D3×M/R

式中:PL—渦流損失                K—常數            T—殼體壁厚      

L—磁化長度                  N—轉速            Bg—磁通量

D—隔離套平均直徑    M—磁體組數        R—電阻率

        磁力泵大功率驅動,正確的說法是大扭矩驅動——永磁體的體積也將增大,金屬隔離套的尺寸也相應增大,渦流損耗將以金屬隔離套直徑的三次方增加。

 

 表1 常用金屬材料的電阻率

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2.2磁力泵渦流損耗的負面作用

        磁力泵的渦流損耗使機組效率降低。當大功率驅動時,渦流損耗會呈幾何級數上升,效率將低到不可接收的程度。這是制約大功率磁力泵使用的主要技術瓶頸。

        “渦流損耗”以焦耳熱的形式耗散,金屬隔離套會持續溫升,因此,需要沖洗冷卻。通常的設計是建立一個內沖洗回路。用工作液進行冷卻,這會帶來多重負面作用。

        例如:

        1)內沖洗液換熱溫升通常回流至泵入口,會惡化泵的吸入條件。在有效汽蝕余量(NPSHa)較低以及小流量調節運行時,極易發生汽蝕。

        2)沖洗液的溫升對易汽化或易聚合等工作液體工況不適用。

        3)沖洗回路必需始終保持通暢。因此,工作液體含有可能產生管路堵塞雜質的工況不適用。

        4)通常對于腐蝕性的液體,溫升會使腐蝕速率增加。

        5)沖洗回流產生額外的容積損失,這在渦流損耗較大的大功率驅動時尤為明顯。典型的工況如小流量、高揚程。

 

三、滑動軸承問題

        磁力泵的工作轉子支承通常只能采用滑動軸承,并依靠泵送液體進行潤滑。磁力泵的故障集中表現為軸承的損壞。所以,滑動軸承的可靠性是保證磁力泵機組連續運行壽命的關鍵因素。

        如圖1,滑動軸承本質上是一臺粘滯泵。它依靠潤滑液在軸頸旋轉時,由粘滯力在軸頸位移形成的楔形間隙內產生壓力。在最小間隙處形成液膜,平衡矢量載荷。因此稱為“液體動壓滑動軸承”。

        液膜的形成主要與三個參數有關:潤滑液粘度Z—cp(0.03pa·s),轉速N(r/min),軸承均壓P—lb/in2(13.6bar),一般的經驗是ZN/P值大于或等于30(0.44)才能形成液膜。

        磁力泵的工作液體通常粘度都很低。在規定轉速和大功率驅動時,軸承載荷相應增大(包括附加振動沖擊載荷)的工況下,軸承工作時液膜難以形成,軸承滑動對耦面將產生接觸性摩擦,稱為“邊界潤滑”。

        滑動軸承“邊界潤滑”時對材料的磨損程度取決于材料的PV值特性。

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圖1 滑動軸承工作原理示意圖

表2 不同組配軸承材料的PV值(摘自:Pump Handbook 《泵手冊》,中國石化出版社)

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        P—凈載荷/投影面積(減開槽面積),psi

        V—軸徑或推力面平均直徑處的速度,ft/min

        碳化硅/碳化硅的高PV值是磁力泵滑動軸承的優選組配材料。但實際使用中存在如下問題:

        1)如圖2,由于加工及裝配精度誤差及軸承固有的間隙等原因。滑動軸承使用時,頸向軸承(襯套)與軸頸(軸頸套)的軸心線以及推力軸承的對耦面難以保持平行度,產生“軸承偏載”。此時,隨著大功率驅動時的載荷增大,壓力集中超過材料組配的PV值,將產生SiC材料的自磨損甚至材料碎裂。
        2)碳化硅材料的熱膨脹系數很低。對于頸向軸承,當高溫工況時,與配合安裝的金屬構件形成較大的脹差,使得配合間隙過盈或放大。嚴重的結果是產生陶瓷材料的碎裂并伴生振動的增加。

 

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圖2 徑向軸承偏載示意圖

四、其它相關說明

4.1羅蘭磁力泵的效率比較

        羅蘭磁力泵在小功率范圍內,與可比的普通磁力泵和屏蔽電泵相比,效率高8~12%左右;與機械密封泵相比效率低2%左右,在偏離BEP點一半時的效率會低6%左右。

        羅蘭大功率磁力泵整機效率與可比的機械密封泵效率基本一致。

        (解釋):磁力泵內滑動軸承及內磁半聯產生摩擦損耗,但該損耗值是相對恒定的量。當偏離BEP點小流量運行時,軸功率下降,摩擦損耗與軸功率的比值較BEP點增大。當大功率驅動時,該比值很小,可忽略不計。

4.2屏蔽泵的主要優缺點比較

        受各種因素的影響,用戶在面對磁力泵和屏蔽泵的選型時可能產生困擾。在這種情況下,選型失敗的案例很多,其造成的損失往往遠超泵的采購成本。因此,選型把關的基礎還應是對設備原理性的深刻理解和對一些使用特性的充分認知。這時,信息的充分交換尤其重要。

        相比普通的磁力泵,屏蔽泵最大的優點是設計許用工作溫度和許用泵入口壓力更高。屏蔽泵的缺點是存在更大的發熱問題。原因是不僅金屬屏蔽套會產生渦流損耗,而且存在電機本身的銅損(繞組電阻)和鐵損(轉子的交變勵磁產生渦流損耗和磁滯損耗)。此外,相同轉矩時電機轉子的外形尺寸也較稀土永磁轉子大許多,產生的摩擦損失也較大。這種情況下,對于低有效汽蝕余量(NPSHa),易汽化,易聚合及小流量運行等工作條件時,選用屏蔽泵應特別慎重。屏蔽泵的另一個缺點是需要專業維修(屏蔽套、轉子包封及共軸的更換)。在維修便利性、時間及成本上都不如磁力泵。

4.3羅蘭磁力泵與機械密封泵的比較優勢

        1、羅蘭磁力泵安全等級高、安全冗余度大。

        2、羅蘭磁力泵的整機效率與機械密封泵基本一致。

        3、羅蘭磁力泵無動密封及輔助系統,故障節點少,可靠性高,無維護保養責任。

        4、羅蘭磁力泵的內轉子允許軸向自由竄動。因此,特別適合安裝平衡盤。可實現軸向力的動態全平衡。這一優勢在多級導葉泵上表現明顯。

        5、磁力泵的轉子支承軸承跨距比機械密封泵的支承軸承跨距短許多。因此,軸的剛度更強,臨界轉速大。

        6、磁力泵的葉輪轉子與驅動轉子無接觸耦合。因此,彼此的振動不疊加,總體振動值更小。

        7、磁力泵的外軸承箱處于二次密封腔內的氮氣保護。因此,潤滑油不存在氧化及吸潮變性的問題。

4.4關于永磁材料的退磁問題

        現代永磁材料以其各項磁性能都非常優異的特點,使大功率永磁傳動成為可能。稀土永磁材料常用釤鈷2:17和釹鐵硼兩大類,牌號不同性能有所差異。作為磁力泵的永磁傳動使用,材料的選擇應本著適用和經濟的原則。所以,對材料的區別應有所認識。

        比較而言,釤鈷永磁材料(Sm2Co17)居里溫度高,矯頑力大,不易退磁,耐腐蝕性較好,不同牌號最高使用溫度可達250~350℃,但價格較高,材料脆性非常大。釹鐵硼的特點是磁能積高,磁場強度大,大約是釤鈷的1.5倍左右,價格比釤鈷低,不同牌號最高使用溫度從80~200℃,耐氧化和耐腐蝕性差,材料表面需要鍍層處理。

        影響永磁材料退磁的因素很多,包括:溫度、幾何形狀、機械振動和沖擊、射線、腐蝕、外磁干擾等。在稀土永磁材料出現以前,這些因素都很容易造成永磁材料的退磁。但現代稀土永磁材料各項磁性能,尤其是矯頑力很高,制備技術也日臻完善,除了溫度因素外,其它因素對稀土永磁材料的退磁影響很小,甚至沒有影響。

        高溫使永磁材料內部分子熱運動的能量密度增加,驅使磁矩無序排列,磁矩部分或全部抵消,鐵磁轉變為順磁,宏觀整體呈現部分或全部退磁。產生全部和不可逆退磁的臨界溫度稱為“居里溫度”,它是衡量永磁材料高溫穩定性的重要參數。

        稀土永磁材料實際允許最高工作溫度要遠小于居里溫度。這是因為隨著溫度的升高,永磁材料的磁感強度會有所降低,但在一定的溫度下,降低的程度有限,并且是線性可逆的,因此是磁穩定的,反復超過這一溫度,將產生部分不可逆退磁,這一溫度稱為膝點或稱拐點,也就是永磁材料的允許工作溫度。實踐也證明,使用稀土永磁材料的磁力泵在膝點溫度以下運行不會發生退磁現象。

4.5磁力泵的啟動問題

        磁力泵的永磁聯軸器一般為同步式的,不存在滑差。其最大轉矩即是解耦轉矩。一旦超過最大轉矩,聯軸器就會滑脫,而且受慣性力作用,不能過程中自動重新耦合。大功率磁力泵的轉子慣量也較大,瞬間的啟動轉矩往往是額定轉矩的數倍以上。而永磁聯軸器受成本及其它因素的考慮,一般設計最大轉矩僅為額定轉矩的1.2~1.5倍,低于電機的堵轉轉矩。此時直接工頻啟動,會發生永磁聯軸器解耦,使啟動失效。所以,大功率磁力泵必需降速延時軟啟動。

        永磁聯軸器滑脫時,會產生強烈的振動,驅動功率會降低一半左右,并在幾秒至幾十秒內急劇升溫至最高許用溫度。解耦的另一個原因是“抱軸”問題,例如雜質結晶以及聚合等原因。如果可能出現這種情況,監測和連鎖的手段就是必需的。

4.6關于磁力泵的標準

        磁力泵和屏蔽電泵統稱為無密封泵。相關標準有API685《石油、重化工及天然氣工業無密封泵》標準。最新版本為第二版(2011版)。該標準細節上主要針對技術相對成熟的中小功率無密封泵。大功率磁力泵還處于技術成長期,其特有的技術問題及解決方案還未取得共識。因此,該標準對大功率磁力泵的涉及不多。

        羅蘭磁力泵執行API685-2011標準。但需要說明的是,嚴格執行標準會顯著增加成本。標準中一些非必需的條款應慎重提出要求。慎重的基礎是對使用工況和對設備的充分了解。因此,事前與制造廠的技術交流和方案協調就顯得十分必要。

4.7羅蘭磁力泵的型式

        離心泵的型式多樣,大多可設計為磁力泵(軸向剖分泵除外)。羅蘭磁力泵除了典型的標準型式(API610),還可根據需要進行多種變型設計。嚴格的說,羅蘭磁力泵是定制化的產品。目的不僅為滿足特定的需求,還要兼顧可靠性、維修便利性和降低成本。

        羅蘭磁力泵的變型設計,一般不涉及改變已有的水力模型,并且多年積累下的針對各種問題的有效解決方案,產品的性能將保持一貫性。

        羅蘭磁力泵的成功選型有賴于對運行條件的充分了解。因此,用戶應提供詳盡和準確的數據單。

 

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