液压马达工程师
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在石油化工行业，离心泵具有性能范围广泛、流量均匀、结构简单、运转可靠和维修方便等诸多优点，得到了广泛的使用，占装置泵总量的70～80％。而常见离心泵有单端面密封离心泵、双端面密封离心泵及屏蔽泵等。那么，在输送危险物料时单端面密封离心泵、双端面密封离心泵及屏蔽泵那个安全性更好，相对那种泵又比较经济。本文以甲醇裂解制氢装置甲醇输送泵为例，针对这3种类型的离心泵的结构特点和轴封特性进行分析和探讨。
一、案例
某石化企业甲醇裂解制氢装置，原料由甲醇输送泵P-3307A/B送到装置进料泵,该甲醇输送泵工艺技术参数如下：
表1-1：甲醇输送泵工艺技术参数
序号
设备名称
设备位号
输送介质
流量m3/h
扬程m
温度℃
1
甲醇输送泵
P-3307A/B
甲醇
30
100
40
甲醇的特性：甲醇是一种有机化合物，密度0.791g/mL，沸点64.7℃。甲醇挥发度高、无色、易燃易爆、有毒，误饮5～10毫升能双目失明，大量饮用会导致死亡。常用危险化学品的分类及标志(GB13690-92)将该物质划为第3.2类中闪点易燃液体。
二、各泵的结构特点和轴封特性
1、机械密封概述
机械密封（也称端面密封）是一种用来解决旋转轴和机体之间的密封装置，它是由至少一对垂直于旋转轴线的端面，在流体压力和补偿机构弹力的作用及辅助密封的配合下，保持贴合并相对滑动而构成防止流体泄漏的装置，常用于机泵、压缩机等旋转式流体机械。机械密封的基本元件由动环、静环、压盖、推环、弹簧、定位环、轴套、辅助密封（动静环密封圈、轴套密封圈）组成。其机械密封外形结构图如图2-1
图2-1：机械密封外形结构图
机械密封的工作原理如图2-2所示。它是靠弹性构件（如弹簧或波纹管，或波纹管及弹簧组合构件）和密封介质的压力在旋转的动环和静环的接触表面（端面）上产生适当的压紧力，使这两个端面紧密贴合，端面间维持一层极薄的液体膜而达到密封的目的。这层液体膜具有流体动压力与静压力，起着润滑和平衡压力的作用。
机械密封一般有四个密封部位（通道），如图2-2中所示A、B、C、D。A通道是旋转环与静止环的端面彼此贴合作相对滑动的动密封，它是机械密封装置中的主密封，也是决定机械密封性能和寿命的关键。B处为静环7与压盖4端面之间的密封；C处为动环3与轴（或轴套）9配合面之间的密封，因能随补偿环轴向移动并起密封作用，所以又称副密封；D处为压盖与泵壳端面之间的密封。B、D、C三处是静止密封，一般不易泄漏。
2、单端面密封离心泵的结构和轴封特性
如图2-3所示，单端面密封离心泵的轴封由一对摩擦副密封端面组成，只有一级密封，一般有自冲悉系统，无外供液冲洗冷却系统，当这一级密封泄漏时，泵体介质会直接泄漏到环境中，主要适用于一般介质场合。与其他辅助密封并用时，可用于带悬浮颗粒、高温、高压等场合。
图2-3：单端面密封
3、双端面密封离心泵的结构和轴封特性
如图2-4所示，双端面密封离心泵的轴封由两对摩擦副密封端面(动静环摩擦副1、动静环摩擦副2）组成，需外供封液系统，带有泄漏液收集和泄漏报警装置的双机封密封。一级是内机封，由泵体工艺介质提供润滑冲洗；一级是外机封，由外供液系统进行冷却、冲洗。双端面密封具有两级密封，当内机封泄漏时，会先泄漏到外级机封的冲洗冷却系统压力罐，而没有直接泄漏到环境中来，确保初步的安全。只有内外两级机封都泄漏时，泵体介质才会泄漏到环境中，适用于强腐蚀、高温的介质、气体介质、易燃易爆、易挥发、低粘度的介质，以及高真空等场合。
图2-4：双端面密封爆炸图
4、屏蔽泵的结构和轴封特性
（1）屏蔽泵的工作原理及结构
如图2-5所示，屏蔽泵是一种无密封泵，泵和驱动电机都被密封在一个被泵送介质充满的压力容器内，此压力容器只有静密封，并由一个电线组来提供旋转磁场并驱动转子。这种结构取消了传统离心泵具有的旋转轴密封装置，故能做到完全无泄漏。
屏蔽泵属于离心泵的一种特殊形式，主要由泵体、叶轮、定子、转子、前后导轴承、轴套以及推动盘组成。电动机与泵合为一体，定子、转子表面分别用非磁性薄壁材料包封，与工艺介质隔开，转子由前后导轴承支撑，浸在输送的介质中。转子轴端装有叶轮，形成无轴封的结构，以达到无泄漏输送的目的。
图2-5:屏蔽泵
1.泵体2.叶轮3.前导轴承4.定子5.转子6.轴7.后导轴承
8.推动盘9.轴承监视器
（2）屏蔽泵的轴封特点
从屏蔽泵的原理和屏蔽泵的结构（图2-5）可知：屏蔽泵没有旋转轴密封装置，即没有动密封，只有静密封，所以，静密封点完好无泄漏时，那屏蔽泵就可以达到无泄漏的要求。
三、安全性及经济性比较
（1）安全性比较的角度说明
一个设备的安全性评价是一个综合系统的问题，具包括设备本身质量的可靠性及设备的完好性，也包括环境及人的行为操作对设备安全的影响。因本文论述的侧重点是单端面密封离心泵、双端面密封离心泵及屏蔽泵在输送危险物料时的安全性，所以这三台泵的安全性评价侧重在泵泄漏造成的危害角度。现在进行的安全性比较仅从泵的结构和轴封特性，当轴封故障发生泄露时，造成介质泄漏到环境中，可能引起的人身健康、环保，安全角度进行考虑，进行比较的。
（2）甲醇输送泵泄漏时存在的安全风险
由本案例可知，输送泵输送的介质为甲醇，甲醇挥发度高、无色、易燃易爆、有毒。易燃，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物。遇明火、高热能引起燃烧爆炸。与氧化剂接触发生化学反应或引起燃烧。在火场中，受热的容器有爆炸危险。能在较低处扩散到相当远的地方，遇明火会引着回燃。燃烧分解一氧化碳、二氧化碳、水。有剧毒。
（3）输送泵输送甲醇危险物料的安全性比较
根据甲醇泵输送甲醇危险物料可能存在的安全风险和泵结构特点及轴封特性分析可知，单端面密封离心泵、双端面密封离心泵、屏蔽泵在输送甲醇危险物料时：
①蔽泵可以达到无泄漏的要求，所以最安全。
②双端面密封离心泵具有的两级密封，当内机封泄漏时，会先泄漏到外级机封的冲洗冷却系统压力罐，而没有直接泄漏到环境中来，确保初步的安全，所以相对比较安全。
③单端面密封离心泵只有一级密封，当机封泄漏时，泵体介质会直接泄漏到环境中，所以安全性一般。
（4）经济性的比较
对于经济性的比较，单端面密封离心泵和双端面密封离心泵设备投资费用稍微低，但后期的设备故障率高，检修维护多；而屏蔽泵因制造工艺技术要求高，则前期设备投资费用高，一般为国产的离心泵的2-4倍，但后期的设备检修维护会相对低。记相关的统计，单端面密封离心泵、双端面密封离心泵后期的维护费用大概为屏蔽泵的2倍。
综上所述，单端面密封离心泵、双端面密封离心泵、屏蔽泵在输送甲醇危险物料时，安全性及经济性比较如下表3-1所示：
表3-1：安全性及经济性比较分析表
序号
设备名称
轴封特点
泄漏特性
安全性
经济性
1
单端面密封离心泵
旋转轴密封/一对摩擦副密封端面
机封泄漏介质直接泄漏到环境中
一般
设备投资低/维护高
2
双端面密封离心泵
旋转轴密封/两对摩擦副密封端面
内机封泄漏会先泄漏到外级机封，只有内外两级机封都泄漏时，介质才会泄漏到环境中。
良
设备投资中/维护高
3
屏蔽泵
无旋转轴密封/无泄漏
无泄漏
优
设备投资高/维护低
四、结束语
在石油、化工装置对泵的要求，必须满足对介质特性的要求，要充分考虑输送介质的特性，工况环境的特点，安全环保的要求及经济成本进行综合考虑。安全优先，经济性为本。一般的场合，优先选用单端面密封，因为单端面密封结构简单、使用方便、价格低。但在以下特殊的场合，就要严格按照要求选择：
（1）对输送易燃、易爆、易挥发的低温介质（液化石油气等）、有毒或贵介质的泵要求轴封可靠或采用无泄漏泵。应优先选用无泄漏泵，如屏蔽泵、磁力泵或带有泄漏液收集和泄漏报警装置的双重机封密封。
因此，在本案例中，甲醇裂解制氢装置原料泵甲醇输送泵输送的介质甲醇为易燃、易爆、易挥发、有毒性危险介质，应该以安全性为优先，兼具经济性考虑，而输送的介质甲醇为很洁净的物质，非常适合屏蔽泵对介质的要求，这样后期泵的故障率少，检修维护成本会低很多，一备一用，整体设备投资也不是很高。所以，在输送甲醇等易燃、易爆、易挥发、有毒性危险介质时，选择屏蔽泵为最佳方案。
