大连罗兰泵业有限公司
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  • Time of issue:2020-06-03 00:00:00
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罗兰磁力泵技术说明

一、技术背景

        无密封离心泵以其本质安全的特性被广泛用于石油化工工艺流程对易燃易爆、有毒有害等危险化学液体的泵送。但当前常规技术下,无密封泵普遍存在两个技术瓶颈问题。一是涡流损耗问题,二是滑动轴承问题。

        无密封泵通常仅指“磁力驱动离心泵”(MDP)和“屏蔽电机离心泵”(CMP)。这两种泵实现无密封的原理本质上是一致的。因此都存在涡流损耗和轴承问题。当小功率驱动时,上述问题不明显。但大功率驱动时问题非常凸显。这种现状制约了大功率无密封泵的广泛应用。

        屏蔽电泵是一种技术成熟的产品,市场应用的覆盖面较大。磁力泵近年来的技术进步有取代前者的趋势。一个重要的原因是,磁力泵相对屏蔽电泵具有现场维修的便利、快速和低成本的特点。

 

二、磁力泵的涡流损耗

2.1涡流损耗产生的原因

        磁力泵是用永磁耦合实现无接触的动力扭矩传送。这样就可在磁场气隙中安装一个承压壳体,将工作介质与大气隔离开,使通常的轴动密封变成静密封。该承压壳体俗称“隔离套”,其安装位置和工作条件决定了对材料的性能有特殊要求。如高机械强度、非铁磁性、高电阻率、耐腐蚀等等。在常规材料中,没有满足全部条件的材料。无奈的情况下,只好采用非铁磁性和电阻率相对较高的金属材料。如奥氏体不锈钢、哈氏合金、钛合金等。

磁力泵工作时金属隔离套处于交变磁场中,会感应出涡电流,它是功率传递过程中的损耗,称为“涡流损耗”。

 涡流损耗的经验计算公式:

PL=K×T×L×N2×Bg2×D3×M/R

式中:PL—涡流损失                K—常数            T—壳体壁厚      

  L—磁化长度                  N—转速            Bg—磁通量

D—隔离套平均直径    M—磁体组数        R—电阻率

        磁力泵大功率驱动,正确的说法是大扭矩驱动——永磁体的体积也将增大,金属隔离套的尺寸也相应增大,涡流损耗将以金属隔离套直径的三次方增加。

 

 表1 常用金属材料的电阻率

 

 

2.2磁力泵涡流损耗的负面作用

        磁力泵的涡流损耗使机组效率降低。当大功率驱动时,涡流损耗会呈几何级数上升,效率将低到不可接收的程度。这是制约大功率磁力泵使用的主要技术瓶颈。

        “涡流损耗”以焦耳热的形式耗散,金属隔离套会持续温升,因此,需要冲洗冷却。通常的设计是建立一个内冲洗回路。用工作液进行冷却,这会带来多重负面作用。

        例如:

        1)内冲洗液换热温升通常回流至泵入口,会恶化泵的吸入条件。在有效汽蚀余量(NPSHa)较低以及小流量调节运行时,极易发生汽蚀。

        2)冲洗液的温升对易汽化或易聚合等工作液体工况不适用。

        3)冲洗回路必需始终保持通畅。因此,工作液体含有可能产生管路堵塞杂质的工况不适用。

        4)通常对于腐蚀性的液体,温升会使腐蚀速率增加。

        5)冲洗回流产生额外的容积损失,这在涡流损耗较大的大功率驱动时尤为明显。典型的工况如小流量、高扬程。

 

 

 

三、滑动轴承问题

        磁力泵的工作转子支承通常只能采用滑动轴承,并依靠泵送液体进行润滑。磁力泵的故障集中表现为轴承的损坏。所以,滑动轴承的可靠性是保证磁力泵机组连续运行寿命的关键因素。

        如图1,滑动轴承本质上是一台粘滞泵。它依靠润滑液在轴颈旋转时,由粘滞力在轴颈位移形成的楔形间隙内产生压力。在最小间隙处形成液膜,平衡矢量载荷。因此称为“液体动压滑动轴承”。

        液膜的形成主要与三个参数有关:润滑液粘度Z—cp(0.03pa·s),转速N(r/min),轴承均压P—lb/in²(13.6bar),一般的经验是ZN/P值大于或等于30(0.44)才能形成液膜。

        磁力泵的工作液体通常粘度都很低。在规定转速和大功率驱动时,轴承载荷相应增大(包括附加振动冲击载荷)的工况下,轴承工作时液膜难以形成,轴承滑动对耦面将产生接触性摩擦,称为“边界润滑”。

        滑动轴承“边界润滑”时对材料的磨损程度取决于材料的PV值特性。

 

        P—净载荷/投影面积(减开槽面积),psi

        V—轴径或推力面平均直径处的速度,ft/min

        碳化硅/碳化硅的高PV值是磁力泵滑动轴承的优选组配材料。但实际使用中存在如下问题:

        1)如图2,由于加工及装配精度误差及轴承固有的间隙等原因。滑动轴承使用时,颈向轴承(衬套)与轴颈(轴颈套)的轴心线以及推力轴承的对耦面难以保持平行度,产生“轴承偏载”。此时,随着大功率驱动时的载荷增大,压力集中超过材料组配的PV值,将产生SiC材料的自磨损甚至材料碎裂。
        2)碳化硅材料的热膨胀系数很低。对于颈向轴承,当高温工况时,与配合安装的金属构件形成较大的胀差,使得配合间隙过盈或放大。严重的结果是产生陶瓷材料的碎裂并伴生振动的增加。

 

 

 

 

 

图1 滑动轴承工作原理示意图

表2 不同组配轴承材料的PV值(摘自:Pump Handbook 《泵手册》,中国石化出版社)

 

 

六、其它相关说明

6.1罗兰磁力泵的效率比较

        罗兰磁力泵在小功率范围内,与可比的普通磁力泵和屏蔽电泵相比,效率高8~12%左右;与机械密封泵相比效率低2%左右,在偏离BEP点一半时的效率会低6%左右。

        罗兰大功率磁力泵整机效率与可比的机械密封泵效率基本一致。

        (解释):磁力泵内滑动轴承及内磁半联产生摩擦损耗,但该损耗值是相对恒定的量。当偏离BEP点小流量运行时,轴功率下降,摩擦损耗与轴功率的比值较BEP点增大。当大功率驱动时,该比值很小,可忽略不计。

6.2屏蔽泵的主要优缺点比较

        受各种因素的影响,用户在面对磁力泵和屏蔽泵的选型时可能产生困扰。在这种情况下,选型失败的案例很多,其造成的损失往往远超泵的采购成本。因此,选型把关的基础还应是对设备原理性的深刻理解和对一些使用特性的充分认知。这时,信息的充分交换尤其重要。

        相比普通的磁力泵,屏蔽泵最大的优点是设计许用工作温度和许用泵入口压力更高。屏蔽泵的缺点是存在更大的发热问题。原因是不仅金属屏蔽套会产生涡流损耗,而且存在电机本身的铜损(绕组电阻)和铁损(转子的交变励磁产生涡流损耗和磁滞损耗)。此外,相同转矩时电机转子的外形尺寸也较稀土永磁转子大许多,产生的摩擦损失也较大。这种情况下,对于低有效汽蚀余量(NPSHa),易汽化,易聚合及小流量运行等工作条件时,选用屏蔽泵应特别慎重。屏蔽泵的另一个缺点是需要专业维修(屏蔽套、转子包封及共轴的更换)。在维修便利性、时间及成本上都不如磁力泵。

6.3罗兰磁力泵与机械密封泵的比较优势

        1、罗兰磁力泵安全等级高、安全冗余度大。

        2、罗兰磁力泵的整机效率与机械密封泵基本一致。

        3、罗兰磁力泵无动密封及辅助系统,故障节点少,可靠性高,无维护保养责任。

        4、罗兰磁力泵的内转子允许轴向自由窜动。因此,特别适合安装平衡盘。可实现轴向力的动态全平衡。这一优势在多级导叶泵上表现明显。

        5、磁力泵的转子支承轴承跨距比机械密封泵的支承轴承跨距短许多。因此,轴的刚度更强,临界转速大。

        6、磁力泵的叶轮转子与驱动转子无接触耦合。因此,彼此的振动不叠加,总体振动值更小。

        7、磁力泵的外轴承箱处于二次密封腔内的氮气保护。因此,润滑油不存在氧化及吸潮变性的问题。

6.4关于永磁材料的退磁问题

        现代永磁材料以其各项磁性能都非常优异的特点,使大功率永磁传动成为可能。稀土永磁材料常用钐钴2:17和钕铁硼两大类,牌号不同性能有所差异。作为磁力泵的永磁传动使用,材料的选择应本着适用和经济的原则。所以,对材料的区别应有所认识。

        比较而言,钐钴永磁材料(Sm2Co17)居里温度高,矫顽力大,不易退磁,耐腐蚀性较好,不同牌号最高使用温度可达250~350℃,但价格较高,材料脆性非常大。钕铁硼的特点是磁能积高,磁场强度大,大约是钐钴的1.5倍左右,价格比钐钴低,不同牌号最高使用温度从80~200℃,耐氧化和耐腐蚀性差,材料表面需要镀层处理。

        影响永磁材料退磁的因素很多,包括:温度、几何形状、机械振动和冲击、射线、腐蚀、外磁干扰等。在稀土永磁材料出现以前,这些因素都很容易造成永磁材料的退磁。但现代稀土永磁材料各项磁性能,尤其是矫顽力很高,制备技术也日臻完善,除了温度因素外,其它因素对稀土永磁材料的退磁影响很小,甚至没有影响。

        高温使永磁材料内部分子热运动的能量密度增加,驱使磁矩无序排列,磁矩部分或全部抵消,铁磁转变为顺磁,宏观整体呈现部分或全部退磁。产生全部和不可逆退磁的临界温度称为“居里温度”,它是衡量永磁材料高温稳定性的重要参数。

        稀土永磁材料实际允许最高工作温度要远小于居里温度。这是因为随着温度的升高,永磁材料的磁感强度会有所降低,但在一定的温度下,降低的程度有限,并且是线性可逆的,因此是磁稳定的,反复超过这一温度,将产生部分不可逆退磁,这一温度称为膝点或称拐点,也就是永磁材料的允许工作温度。实践也证明,使用稀土永磁材料的磁力泵在膝点温度以下运行不会发生退磁现象。

6.5磁力泵的启动问题

        磁力泵的永磁联轴器一般为同步式的,不存在滑差。其最大转矩即是解耦转矩。一旦超过最大转矩,联轴器就会滑脱,而且受惯性力作用,不能过程中自动重新耦合。大功率磁力泵的转子惯量也较大,瞬间的启动转矩往往是额定转矩的数倍以上。而永磁联轴器受成本及其它因素的考虑,一般设计最大转矩仅为额定转矩的1.2~1.5倍,低于电机的堵转转矩。此时直接工频启动,会发生永磁联轴器解耦,使启动失效。所以,大功率磁力泵必需降速延时软启动。

        永磁联轴器滑脱时,会产生强烈的振动,驱动功率会降低一半左右,并在几秒至几十秒内急剧升温至最高许用温度。解耦的另一个原因是“抱轴”问题,例如杂质结晶以及聚合等原因。如果可能出现这种情况,监测和连锁的手段就是必需的。

6.6关于磁力泵的标准

        磁力泵和屏蔽电泵统称为无密封泵。相关标准有API685《石油、重化工及天然气工业无密封泵》标准。最新版本为第二版(2011版)。该标准细节上主要针对技术相对成熟的中小功率无密封泵。大功率磁力泵还处于技术成长期,其特有的技术问题及解决方案还未取得共识。因此,该标准对大功率磁力泵的涉及不多。

        罗兰磁力泵执行API685-2011标准。但需要说明的是,严格执行标准会显著增加成本。标准中一些非必需的条款应慎重提出要求。慎重的基础是对使用工况和对设备的充分了解。因此,事前与制造厂的技术交流和方案协调就显得十分必要。

6.7罗兰磁力泵的型式

        离心泵的型式多样,大多可设计为磁力泵(轴向剖分泵除外)。罗兰磁力泵除了典型的标准型式(API610),还可根据需要进行多种变型设计。严格的说,罗兰磁力泵是定制化的产品。目的不仅为满足特定的需求,还要兼顾可靠性、维修便利性和降低成本。

        罗兰磁力泵的变型设计,一般不涉及改变已有的水力模型,并且多年积累下的针对各种问题的有效解决方案,产品的性能将保持一贯性。

        罗兰磁力泵的成功选型有赖于对运行条件的充分了解。因此,用户应提供详尽和准确的数据单。

 

图2 径向轴承偏载示意图

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