水环式真空泵在氧气充瓶中应用实践

2018-04-16周金城

低温与特气 2018年2期

关键词：环式泵体工作液

周金城

(马鞍山钢铁股份有限公司气体销售分公司，安徽马鞍山湖南西路 8号 243011)

1 前言

通过在氧气充瓶系统中设置真空泵，对氧气气瓶进行抽真空处理，将氧气气瓶中混入的可燃性气体、空气及其它杂质气体抽出瓶体，保证氧气充瓶时设备运行安全，提高氧气瓶中氧气纯度。

马鞍山钢铁股份有限公司(以下简称：马钢)气体分公司在2015年对氧气充瓶系统进行全面技术改造时，借鉴安徽省内氧气充装企业使用真空泵经验，为氧气充瓶系统配备1台防爆型双级旋片式真空泵，对氧气气瓶进行抽真空处理。

该台双级旋片式真空泵是以润滑油作为工作液，在其运行进行抽真空作业时，真空泵工作腔中润滑油蒸气与抽出氧气瓶的废气在氧气充瓶作业区域排放，降低氧气充瓶作业安全系数。同时，在2016年4月，因进行抽真空作业的氧气瓶瓶阀接头螺纹磨损，存在通大气现象，造成旋片式真空泵工作腔中润滑油进入氧气充装汇流排、连接软管、充装夹具与阀门中，严重威胁马钢气体分公司氧气充瓶系统安全运行。为此，气体分公司将水环式真空泵应用在氧气充瓶系统中，保证氧气充瓶作业设备运行安全。

2 水环式真空泵分析

2.1 水环式真空泵工作机理及特点

水环式真空泵以水作为工作液。在启动水环式真空泵时，向泵腔中注入一定高度的水作为工作液，工作轮旋转，水因离心力作用在泵体内壁形成一个旋转的封闭水环，水环上部内表面与轮毂相切，水环下部内表面与叶片顶端接触。在此状态中，叶轮轮毂与水环之间形成一个月牙形空间，月牙形空间被叶轮分成与叶片数目相等的若干个小腔。以叶轮上部0°为起点，叶轮在旋转前180°时小腔的容积由小变大，与端盖中吸气口相通，其空间内气体压力降低，此时气体吸入，在吸气终点小腔与吸气口隔绝。在叶轮从180°～360°旋转过程中，水环内表面逐步与轮毂接近，小腔容积由大变小，其空间内气体压力升至大于排气口压力，在小腔与排气口相通时，气体被排出。叶轮每旋转一周，叶片间的空间(小腔)吸排气一次，若干小腔连续工作，重复进行，使泵体不间断的抽吸、压缩气体，达到对氧气瓶抽真空目的。

水环式真空泵对氧气瓶进行抽真空作业时，氧气瓶中残存气体与水接触，泵腔内无金属摩擦面，无需对泵腔进行润滑。水环式真空泵转动件与固定件密封均由水封实现，泵腔内无需使用润滑油密封与润滑，彻底避免氧气与润滑油接触，同时不使润滑油蒸气对抽真空作业设备污染，从根本上杜绝氧气瓶因可燃性气体、润滑油混入发生爆炸的可能性。

同时，因水环式真空泵对抽吸气体进行压缩方式是等温压缩，水环式真空泵可以抽除氧气瓶中混入的固体尘埃气体、可凝性气体与气水混合物，水环式真空泵对氧气气瓶抽真空综合作业效率高。

2.2 影响水环式真空泵安全运行主要因素

因水环式真空泵工作机理与设备结构特点，影响水环式真空泵安全运行主要因素是工作液(水)温度、液位、清洁度。

2.2.1温度影响

高温影响：水环式真空泵是以水作为工作液，工作液(水)温度高，水环式真空泵吸入区域工作液(水)饱和蒸气压高，接近沸腾状态，吸入区域的工作液表面产生气泡，使工作液(水)在泵腔内产生的水蒸气占据较小部分工作腔空间，真空泵对外抽气性能降低。在吸入区域工作液(水)压力达到其饱和蒸气压时，泵腔中为气液混合状态，水环式真空泵产生气蚀现象，使水环式真空泵抽气流量减至0 m3/min，泵体损坏。

低温影响：在冬季低温环境，工作液(水)温度不大于0℃时，水环式真空泵吸入区域工作液(水)发生冻结现象，固体冰块或冰粒瓶撞击高速旋转工作轮叶片，造成水环式真空泵工作轮损坏。

2.2.2液位影响

低液位影响：水环式真空泵工作液(水)液位低，使叶轮转动形成的水环效果不佳，未能形成完全密封，吸气效率降低，气瓶真空度低。同时，水环式真空泵工作液(水)液位低，水环式真空泵密封水流量低，泵体机械密封冷却、润滑效果低，使泵体机械密封磨损。

高液位影响：水环式真空泵工作液(水)液位高，真空泵泵腔中水环厚度增加，真空泵叶轮叶片浸入水环长度增加，导致叶轮转动阻力增大，真空泵效率下降，拖动电机电流升高，使电机过流真空泵跳机。同时，水环式真空泵工作液(水)液位高，泵腔中进水流量高，泵体机械密封因水流冲击力大，泵体机械密封处密封水产生泄漏，真空泵密封效果降低。

2.2.3清洁度影响

水环式真空泵工作液(水)清洁度降低，泵腔入水管道堵塞、工作轮叶片结垢，使水环式真空泵性能曲线偏移，抽气流量降低，电机电流升高，设备运行能耗增大、使用周期缩短。同时，密封水清洁度低，泵体机械密封锈蚀，真空泵转子系统卡阻，使水环式真空泵启动失败、设备损坏。

3 水环式真空泵应用

3.1 水环式真空泵选型

根据水环式真空泵设备技术特点与马钢气体分公司氧气充瓶系统实际状况，分阶段对水环式真空泵应用在氧气充瓶系统中进行技术攻关。

首先，制定氧气充瓶系统应用水环式真空泵的设备选型技术方案。根据气体分公司氧气充瓶系统设备安全运行具体要求、国内气体充装行业水环式真空泵使用情况调研、水环式真空泵设计制造厂状况了解，确定为气体分公司氧气充瓶系统配备的水环式真空泵型号为SK-1型，该型水环式真空泵采用单级吸气工作方式。

根据安徽省安全监督部门对氧气气瓶充装设备现场设置具体安全要求，将水环式真空泵设计为一体式，即水环式真空泵泵体、工作液水箱、拖动电机、相关管道均设置在一台碳钢材料制造的工作箱内，使水环式真空泵与氧气充瓶系统设备隔离，在水环式真空泵运行时，保证氧气充瓶系统设备运行安全。通过水环式真空泵泵体出口排放的水蒸气冷却作用，降低水环式真空泵拖动电机运行温度。同时，将水环式真空泵拖动电机及其它全部电气设备均设计为防爆型。

根据制定的水环式真空泵选型技术方案，马钢委托相关制造厂定制1台抽气速率1 m3/min、极限真空-0.093 MPa、转速2800 r/min、功率3 kW的水环式真空泵。

根据气体分公司氧气充瓶系统安全运行要求，为氧气瓶抽真空作业单设1组抽真空汇流排。

3.2 水环式真空泵安装调试

根据氧气气瓶充装国家安全规范要求，将水环式真空泵安装在氧气充装汇流排防爆墙外面。同时，根据SK-1型水环式真空泵设备结构特点，水环式真空泵不再配备外置型式的循环水水箱，使用水环式真空泵工作箱中配备的内置型式水箱，内置水箱选用气体分公司生产的蒸馏水为工作液(水)。

水环式真空泵设备安装时，首先使用丙酮清洗工作液水箱、管道、阀门与抽真空汇流排，而后使用蒸馏水冲洗工作液水箱、水管，消除设备制造可能残留的油脂、固体杂质。

水环式真空泵调试时，同时对1组抽真空汇流排中6只氧气瓶进行抽真空作业，6只氧气瓶真空度全部同步降至-0.1 MPa时间不大于6 min。1组氧气充装汇流排中30只氧气瓶完成抽真空作业时间不大于27 min，水环式真空泵作业效率高。

在水环式真空泵调试期间，为气体分公司食品添加剂(氮气)项目外审瓶装氮气的氮气瓶进行抽真空作业，在氮气充瓶作业完成后，经化验员对其露点进行化验分析，瓶装氮气露点均不大于-64.2℃。水环式真空泵抽真空时气瓶露点效果较好，较大幅度缩短气瓶干燥装置作业时间。

在2017年1月29日，水环式真空泵调试结束，投入生产至今，设备运行稳定，仅需定期补充蒸馏水。

3.3 水环式真空泵操作维护注意事项

3.3.1启动前检查

微开水环式真空泵液位阀，确认液位阀有少量水排出，水环式真空泵内置水箱工作液(水)位达到正常生产要求。微开水环式真空泵排污阀，确认排污阀排出工作液(水)洁净、无色、无固体颗粒物。

冬季低温环境，水环式真空泵启动前，必须开大水环式真空泵排污阀，有连续、较大流量工作液(水)排出时，方可以启动水环式真空泵。

开启抽真空气瓶瓶阀，检查气瓶压力，确认抽真空气瓶无高压气体存在，方能启动水环式真空泵。如抽真空气瓶压力高，必须将气瓶内气体排放，在压力降至小于0.1 MPa时，气瓶方能进行抽真空作业。

3.3.2启动运行操作

水环式真空泵启动时：严禁抽真空汇流排中各组抽真空软管、截止阀及气瓶瓶阀有连通大气现象。同时，检查水环式真空泵设备本体变化，如水环式真空泵有空气倒吸、工作液(水)外漏、异常声音时，停运真空泵检查分析原因。

冬季低温环境，工作液(水)温度低于0℃时，严禁启动水环式真空泵。

水环式真空泵运行时严禁对抽真空作业气瓶进行切换、倒瓶操作。严禁对水环式真空泵水箱补充工作液(水)，避免水环式真空泵电机电流高。严禁开启水环式真空泵排污阀、液位阀，避免水环式真空泵泵体振动大。同时，观察抽真空汇流排真空压力表数值变化，如真空压力表数值长时间未有明显变化时，停运真空泵检查分析原因。

夏季高温环境，大气温度高于35℃时，严禁水环式真空泵连续运行时间高于5 h，必须间断停运20 min，降低工作液(水)温度，避免水环式真空泵工作液(水)温度高。

3.3.3停机后操作维护

水环式真空泵停机后，开启水环式真空泵排污阀，再次检查排污阀排放工作液(水)清洁度。同时，开启水环式真空泵液位阀，检查水环式真空泵工作液(水)位降幅。

水环式真空泵处于停机状态时，对内置水箱中工作液(水)定期进行补充、置换。水环式真空泵正常运行至1个月时，开启水环式真空泵排污阀、进水阀，对水环式真空泵工作液(水)进行排放、置换、补充1/3蒸馏水。水环式真空泵正常运行至半年时，对水环式真空泵工作液(水)排放、置换、补充1/2蒸馏水。水环式真空泵正常运行至1 a时，将水环式真空泵内置水箱中全部工作液(水)排放、置换蒸馏水。

冬季低温环境水环式真空泵长期停机必须开启真空泵排污阀，将水环式真空泵内置水箱中工作液(水)排净，避免泵体、内置水箱、管道、阀门冻裂。