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磁力驅(qū)動離心泵 (簡稱磁力泵) 屬于無軸封式離心泵的一種, 磁力泵具有零泄漏、安全環(huán)保、方便維修更換和可替換一般離心泵等諸多優(yōu)勢。近十年來在國內(nèi)應用十分廣泛, 隨著磁力泵廣泛的使用, 伴隨著應用過程有許多問題應運而生。熟悉了解行業(yè)內(nèi)的產(chǎn)品及發(fā)展趨勢、及時解決用戶使用過程發(fā)生發(fā)現(xiàn)的問題是從業(yè)者必須要考慮的問題, 也是能持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新的先決條件, 本文將主要從基本原理、技術(shù)選型、相關(guān)標準要求、現(xiàn)場使用、特殊工況應用、制造過程和智能監(jiān)控等幾個方面詳細介紹安全應用磁力泵。
一、磁力泵基本原理
一般磁力泵主要由泵殼體、泵蓋、磁力耦合器 (也稱磁力聯(lián)軸器、磁力傳動器或磁力驅(qū)動器) 、滾動軸承架或軸承箱、滾動軸承、軸承體 (滑動軸承) 和滑動軸承等構(gòu)成。關(guān)鍵部件磁力耦合器由外磁驅(qū)動單元、內(nèi)磁轉(zhuǎn)子單元以及無導磁的隔離套構(gòu)成。
當電動機帶動外磁驅(qū)動旋轉(zhuǎn)時, 磁場能穿透空氣隙和非磁性物質(zhì), 帶動與葉輪相連的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子單元作同步旋轉(zhuǎn), 實現(xiàn)動力的無接觸傳遞。磁力泵的葉輪安裝在泵軸上, 并與內(nèi)磁轉(zhuǎn)子單元的共用同一軸, 泵送的介質(zhì)充滿泵腔和內(nèi)磁轉(zhuǎn)子腔, 介質(zhì)在隔離套與內(nèi)磁轉(zhuǎn)子單元的腔體內(nèi)循環(huán), 并帶走磁渦流產(chǎn)生的熱量, 同時潤滑滑動軸承。
由于不存在機械密封, 內(nèi)部接觸介質(zhì)的零件被泵體、泵蓋、靜密封墊片及隔離套組件等完全封閉在一個封閉的單元內(nèi), 從而理論上實現(xiàn)了無泄漏, 確保有毒有害及貴重介質(zhì)的安全輸送和環(huán)保要求, 使普通離心泵由于機械密封泄漏造成的安全隱患得以解決。
磁力泵按照殼體可分為金屬磁力泵和非金屬磁力泵, 本文主要介紹金屬磁力泵, 普通磁力泵的原理模型及基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 磁力泵基本原理模型及基本結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意
1.泵入口2.葉輪3.泵出口4.內(nèi)磁轉(zhuǎn)子5.外磁轉(zhuǎn)子6.驅(qū)動軸7.隔離套8.滑動軸承
二、技術(shù)選型影響
1. 基本參數(shù)的選擇
選擇磁力泵基本的性能指標是首要的考慮因素, 流量、揚程以及汽蝕性能重要的選型要求, 一般離心泵標準要求優(yōu)先工作區(qū)間在zui佳效率點流量點的70%～120%, 揚程預留余量5%, 汽蝕余量安全余量根據(jù)標準要求各不相同, 一般有0.6m或者1.0m, 需要充分考慮流量區(qū)間內(nèi)的汽蝕變化走向, 以便采取必要的預防措施, 比如使用電動機功率監(jiān)控, 通過電流監(jiān)測負載大小來間接監(jiān)控限定zui大流量或zui小流量, 也可以使用限流孔板控制zui大流量或者zui小流量。
2. 磁力耦合器匹配選擇注意事項
磁力耦合器的選擇對于磁力泵的安全使用尤為重要, 對于磁力泵而言由于其無接觸傳遞功率, 必須滿足兩個基本條件才能順利起動和使用磁力泵, 即電動機的功率必須大于磁力泵的zui大軸功率, 包括可能存在的磁渦流損失, 同時也必須滿足磁力耦合器功率大于等于電動機的功率, 這樣才能滿足磁力泵磁力驅(qū)動部分順利起動和連續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn), 一般有如下經(jīng)驗公式:
式中N磁——磁力耦合器傳遞的磁功率;
N電——電動機的額定功率;
J泵——泵葉輪和永磁內(nèi)轉(zhuǎn)子的總慣性矩;
J電——電動機轉(zhuǎn)子和外磁轉(zhuǎn)子的總慣性矩 (還應包含機械聯(lián)軸器慣性矩) 。
上式在選型時, 特別是功率匹配時一定要特別注意核算, 減少產(chǎn)品交付后出現(xiàn)的意外脫轉(zhuǎn)情況的發(fā)生。同時在選擇高效能電動機時, 特別是國外高效能電動機時注意電動機轉(zhuǎn)子慣性矩的偏小情況, 這些對于合理選擇磁力耦合器和安全穩(wěn)定運行磁力泵都有很重要的作用, 不能忽視。除此以外, API 685標準要求磁力泵產(chǎn)品磁力耦合器的功率余量也是考慮到了上述情況, 涉及到類似產(chǎn)品時需要有針對性地進行核算。
三、設計過程
1. 承壓殼體設計
針對工藝要求, 設計時需要滿足泵殼體承壓要求, 即泵體和隔離套部分都要滿足zui大設計壓力要求, 一般項目中都會對此作出明確要求, 由于介質(zhì)溫度變化、選材影響都會直接導致結(jié)構(gòu)是否滿足承壓要求, 所以供需雙方應根據(jù)實際工況, 合理地對承壓等級達成一致意見, 這將影響到實際使用和成本, 實際工作中應靈活采取供需雙方都認可的方案, 不必拘泥于標準本身要求。如果泵位確實是重載荷高要求, 供方應予以重視和確認選型的產(chǎn)品滿足使用要求, 特別是需要考核懸置的隔離套選材及其承壓能力。
2. 溫度
磁力泵設計溫度的考慮除了考慮承壓零部件選材和溫度有關(guān)系外, 更應注意磁力耦合器部分溫度的余量考慮, 由于一般永磁聯(lián)軸器使用稀土永磁磁塊, 其使用溫度也不盡相同, 但是溫度高低直接決定了其使用溫度限。一般情況下, 稀土永磁材料實際應用中既要考慮其不可逆退磁溫度, 又要考慮溫度與功率的曲線關(guān)系, 圖2為一典型的溫度-功率修訂曲線, 圖3為磁性材料受溫度影響的曲線, 可以根據(jù)溫度確定所選磁力耦合器傳遞扭矩的效率, 從而合理地預留磁力耦合器余量。
圖2 磁力泵磁力耦合器典型的溫度-功率修訂曲線
圖3 磁性材料受溫度影響的曲線
3. 軸向力
磁力泵與普通離心泵一樣會產(chǎn)生軸向力, 但不同的是, 軸向力的對于磁力泵的影響遠比普通離心泵要大的多。因為磁力泵一般為單層薄壁隔離套, 軸向力不好對磁力泵造成損傷后, 極易造成隔離套破壞, 進而造成介質(zhì)泄漏, 造成安全事故或者更大的成本損失。圖4為一般磁力泵泵頭部分的結(jié)構(gòu)示意圖, 從中可以看出, 平衡磁力泵軸向力有別于一般普通離心泵, 圖4a為葉片式葉輪的軸向力平衡, 圖4b為口環(huán)式葉輪的軸向力平衡, 其循環(huán)方案也會對調(diào)整軸向力產(chǎn)生很大的影響。由于磁力泵內(nèi)磁轉(zhuǎn)子懸浮于介質(zhì)當中, 其與隔離套之間的間隙很小, 流體流經(jīng)轉(zhuǎn)子后產(chǎn)生的壓差以及循環(huán)方向也會對軸向力產(chǎn)生較大的影響, 這點也不容忽視。此外, 介質(zhì)的黏度除了對磁力泵產(chǎn)生磨盤損失外, 對于磁力泵軸向力的影響也表較明顯, 在試驗環(huán)節(jié), 需要結(jié)合實際介質(zhì)進行必要的軸向力預調(diào)處理, 對于變粘度工況, 需要買方充分了解黏度會造成的不利影響。
4. 介質(zhì)黏度及循環(huán)方案
磁力泵和屏蔽類似, 基于API 685標準, 或者ISO 15783標準, 都會根據(jù)實際情況選擇不同的循環(huán)方案。圖5為一般磁力泵的正向循環(huán)示意圖, 較適宜輸送不易汽化的流體, 不同廠家也會根據(jù)不同流體特性、結(jié)構(gòu)特點選擇不同的循環(huán)方案, 主要目標就是要讓流體輸送過程以液態(tài)傳輸, 不能產(chǎn)生汽化和汽蝕, 只有這樣才能使磁力泵內(nèi)循環(huán)暢通, 起到潤滑軸承、傳遞熱量的作用。
圖4 磁力泵泵頭結(jié)構(gòu)影響軸向力示意
1、7.泵入口2、8.葉輪3、9.泵出口4.背葉片5、6.泵軸10.雙口環(huán)耐磨環(huán)11.壓力平衡室12.節(jié)流環(huán)
圖5 磁力泵正向循環(huán)示意
5. 熱平衡
熱平衡計算多用于輸送流體受溫度影響較為敏感的工況, 較小的溫度變化可能導致流體發(fā)生聚合或者結(jié)晶等, 必要的熱平衡計算能夠從理論上對設計方案進行考核, 多數(shù)是在技術(shù)選型階段完成。
6. 潤滑方式
一般API 685標準產(chǎn)品要求磁力泵需要使用稀油潤滑潤滑外部滾動軸承, 行業(yè)內(nèi)也有大量使用脂潤滑軸承的產(chǎn)品, 脂潤滑產(chǎn)品一般都是滾動軸承雙側(cè)帶軸承壓蓋的, 潤滑脂根據(jù)工況要求選擇不同的耐溫等級, 預先壓封完成, 現(xiàn)場免維護, 更為方便、環(huán)保。對于較高溫度、重載荷的磁力泵使用稀油潤滑還是有必要的, 稀油潤滑更易于高溫或者低溫流體的輸送, 方便調(diào)節(jié)由于工況介質(zhì)溫度對于滾動軸承的溫度影響。此外, 如果磁力泵帶有保溫結(jié)構(gòu), 更需要注意保溫溫度高低對于外部滾動軸承的影響。
7. 管口載荷與底座
磁力泵同普通離心泵一樣需要考慮泵本身承受外部載荷要求, 業(yè)內(nèi)也有很多專家指出管口載荷不建議一味的追求滿足API高倍要求, 一般的水力設計和泵模型基本已經(jīng)決定了泵本身能滿足的管口載荷要求, API 685管口載荷的二倍要求是比較符合國內(nèi)廠商設計情況的, 圖6為一般磁力泵根據(jù)API 685要求設計的底座形式, 除了滿足管口載荷要求外, 也能保證機組本身要求的剛度和可靠性要求。
8. 平衡精度
一般標準要求動平衡精度及靜平衡精度滿足6.3級, API 685要求2.5級, 由于多級泵在標準中很少被詳細描述, 對于多級磁力泵而言動平衡不能完全達到API 685時, 需要考核運轉(zhuǎn)試驗過程的溫升、振動水平, 以滿足使用要求。必要時也可將零部件整合結(jié)構(gòu), 這樣會造成很大的成本提高, 供需雙方應充分協(xié)商。
9. 監(jiān)控設備
目前都在推行智能化產(chǎn)品, 磁力泵也完全可以實現(xiàn)在線監(jiān)控, 實現(xiàn)智能化。圖7為一般磁力泵可能匹配的溫度監(jiān)控、壓力監(jiān)控以及泄漏監(jiān)控。圖7a為溫度監(jiān)控, 溫度監(jiān)控點為磁力泵隔離套, 間接監(jiān)控區(qū)域為內(nèi)部滑動軸承周圍介質(zhì)以及循環(huán)液溫度, 隨時反映出輸送的介質(zhì)循環(huán)狀態(tài), 圖7b監(jiān)控為壓力監(jiān)控, 多用于雙層隔離套產(chǎn)品, 當以一層隔離套破壞后, 第yi時間反饋出故障狀態(tài), 有利于第yi時間做出安全處理, 圖7c為泄漏監(jiān)控, 主要用于單層隔離套泄漏監(jiān)控, 這種監(jiān)控的流體需要在常壓下為液態(tài)。
1 0. 泵選材及磁性材料
根據(jù)實際工況選擇泵材料, 買方需要將必要的腐蝕數(shù)據(jù)和選材要求告知供方, 雙方達成一致意見。幾種常見金屬隔離套材料參數(shù)見下表。特別注意的是隔離套的材質(zhì), 金屬隔離套一般選擇哈氏合金較多, 哈氏合金電阻率高, 相對與一般的奧氏體不銹鋼316L而言, 哈氏合金隔離套磁渦流損失較小, 是比較適宜的隔離套材料, 而且其耐腐蝕和耐壓能力相對也較為出色。對于鈦合金而言, 需要注意耐腐蝕性的考證, 特別是不適用于甲醇等醇類, 需要考慮耐腐性, 此外, 鈦合金焊接工藝能力也是需要特殊考慮的內(nèi)容。磁性材料需要注意的就是耐溫等級, 較為常見的釤鈷永磁材料適用性更為廣泛, 尤其是Sm2Co17, zui高使用溫度達350℃, 具有較高的居里溫度。
五、現(xiàn)場施工與操作
1. 基礎安裝
基礎施工根據(jù)相關(guān)規(guī)范嚴格管控, 尤其是基礎的設計應充分考慮產(chǎn)品特點。圖8為可借鑒的設計, 基礎設計施工完成后, 嚴格按照使用說明書安裝泵設備, 調(diào)整聯(lián)軸器對中性, 減少或者避免外部超載施加到泵進出口。圖9為某現(xiàn)場施工過程造成的問題, 泵進出口過載荷導致管路重心偏離泵管口重心, 造成泵內(nèi)部磨損, 該案例說明施工必須滿足設備基本的要求, 否則將會造成更大的成本浪費。
2. 管路匹配及磁性過濾器
管路的匹配需要根據(jù)磁力泵設計要求和行業(yè)內(nèi)規(guī)范, 磁力泵循環(huán)方式的選擇與設計, 需要在現(xiàn)場得以滿足和執(zhí)行, 才能滿足工藝要求和泵本身的安全使用要求。在磁力泵進口管路加裝磁性過濾器, 減少鐵磁性雜質(zhì)顆粒進入磁力泵, 磁力泵磁性材料極易吸附該類雜質(zhì)。
3. 電氣安裝
電動機及儀表安裝應遵循相關(guān)規(guī)范及項目要求, 安裝前確認電動機是否滿足溫度、海拔和防護等級等要求, 具體施工嚴格執(zhí)行電動機產(chǎn)品及儀表等技術(shù)說明書。
4. 試車過程
試車過程嚴格執(zhí)行說明書的試車程序、警告與提示說明, 具備有資質(zhì)的開車人員及開車培訓是必要的。試車必須注意的是泵內(nèi)不能含氣與集氣, 充分灌泵排氣十分必要, 磁力泵不能在含氣狀態(tài)下工作, 不充分排氣極易損壞泵及相關(guān)零部件。
5. 異常處理
出現(xiàn)異常聲音、溫升等應及時停車檢查, 徹底排除故障, 方能再次開車。
六、結(jié)語
對于磁力泵安全穩(wěn)定運行, 從技術(shù)選型到設計過程的確認, 從現(xiàn)場施工到開車試運行, 每一個環(huán)節(jié)都不能忽視, 根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點、工藝要求選擇zui適合的產(chǎn)品, 不拘泥于為了選擇而選擇, 充分了解供需雙方的意見和建議, 才能使磁力泵產(chǎn)品應用好, 產(chǎn)生更大的社會效益和產(chǎn)品價值, 才能是磁力泵產(chǎn)品有更廣闊的應用前景和持續(xù)發(fā)展。