石化装置屏蔽泵应用前景研究

2024-06-02吕庆明

中国设备工程 2024年10期

吕庆明

（中国石油广西石化公司，广西钦州 535000）

屏蔽泵是一种无泄漏、低噪音、高效率的流体输送设备，其独特的设计使得泵在运行过程中无需机械密封，从而有效避免了泄漏和污染问题。随着科技的进步和环保意识的提高，屏蔽泵在众多领域的应用前景越来越广阔，石化装置也迫切需要安全环保性能更高的泵。

1 屏蔽泵的结构原理

屏蔽泵采用电动机与泵体一体化设计，电动机与介质完全隔离，从而实现了无泄漏运行。其工作原理是通过电动机驱动屏蔽套内的转子旋转，进而驱动介质在泵体内循环流动。具体结构如图1 所示，主要部件有泵壳、叶轮、泵轴、止推轴承、径向滑动轴承、转子（电机鼠笼转子）、屏蔽套、定子（包含电机线圈）、接线盒等。

图1 基本型内循环单级屏蔽泵结构图

屏蔽泵根据结构及介质特性分为以下类型：普通型（基本型）、反向环流型（逆循环型）、高温型、高熔点型、自吸型、泥浆分离型。

2 屏蔽泵的特点

屏蔽泵具有以下优点：（1）无泄漏。屏蔽泵的设计使得介质与电动机完全隔离，避免了泄漏和污染问题；（2）低噪音。屏蔽泵在运行过程中产生的噪音较低，有利于改善工作环境；（3）高效率。屏蔽泵采用先进的流体动力学设计，使得其具有较高的输送效率；（4）节能环保。屏蔽泵在运行过程中无须额外的密封冷却系统，降低了能耗和排放。

屏蔽泵也具有一些缺点，如屏蔽泵对含有颗粒介质的适应性较差，对泵前过滤器发生堵塞工况适应性较差，主要原因是泵内滑动轴承不允许被介质磨损或卡滞，滑动轴承需要流畅的介质流动进行润滑和冷却。相比普通离心泵，屏蔽泵在发生屏蔽套磨损等较大故障时检修成本较大和检修时间较长，在石化装置中，工艺操作人员如果清网不及时，导致屏蔽泵损坏的责任往往更大，所以，对于状态不好的介质，较多工艺操作人员并不愿意采用屏蔽泵。

3 屏蔽泵与普通离心泵的对比

无泄漏泵通常指无动密封点的屏蔽泵和磁力泵，以下为屏蔽泵与普通离心泵的对比分析。

（1）投资。普通离心泵价格相对较低，但是整个生命周期费用较高；屏蔽泵滑动轴承寿命长，不需要外部润滑油润滑，正常工况下几乎免维护。

（2）密封。采用机械密封的离心泵，动密封易磨损；屏蔽泵采用的是完全无泄漏的静密封，即使内部屏蔽套泄漏，介质也不会直接泄漏至大气环境中，本质安全可靠。对于高危介质的普通离心泵，为了提高安全性能，通常采用双端面机械密封、串联机械密封或机械密封与干气密封串联的密封，但是，这些密封形式并非绝对安全可靠，介质从一级密封泄漏至二级密封，然后泄漏至空气中的情况也时有发生，甚至出现过较多较大的事故，造成较大损失。即使密封控制系统的报警有效且人员及时发现故障，有时也不可避免此类情况的发生。另外，在介质超压情况，双端面或串联密封的轴套发生整体滑动导致两级密封环同时受压碎裂时，易燃易爆介质会快速直接泄漏至空气中，加之此时密封端面处因受压会产生高温，极易发生火灾爆炸事故。

（3）效率。普通离心泵的效率高；屏蔽泵的效率稍微低一些，但没有密封系统的能量损耗，相比双端面机械密封的离心泵总的能耗相近。

（4）电机。离心泵采用的是标准电机，采用滚动轴承，需要持续提供润滑油脂，且寿命较短；屏蔽泵采用的是屏蔽电机，结构紧凑，占地面积较小。

（5）制造。离心泵制造要求低；屏蔽泵制造要求较高一些，但目前技术成熟。

（6）噪音。离心泵有风扇，噪音大；屏蔽泵没有风扇，运行稳定时几乎没噪音。

（7）联轴器。离心泵有联轴器；屏蔽泵无须安装联轴器，无须进行对中工作。

（8）维护。离心泵的维护比较方便；屏蔽泵易损件较少，滑动轴承更换难度相对较小，无须更换价格较高的机械密封，维修更加方便。

（9）介质。离心泵可以输送多种介质；屏蔽泵不可以输送含大颗粒和高粘度介质。

（10）安全。国家环保规定：一些特殊介质，如含苯、苯乙烯等有毒有害介质应使用无泄漏泵。另外，易燃、易爆等高危介质选用无泄漏泵输送最安全。

（11）结构。普通离心泵机械密封结构及附属管路复杂，密封点及故障点都较多，日常加油、加脂、检查、维护工作量较大；屏蔽泵占地面积小，无附属系统，通常自带轴承状态监测仪表，有利于及时发现轴承故障。

4 磁力泵与屏蔽泵的对比

如图2 所示，磁力泵的结构组成部件主要有泵壳、叶轮、隔离套民、外磁缸总成、外磁缸轴承、泵轴、内磁缸总成，其中滑动轴承与屏蔽泵滑动轴承类似，泵壳和叶轮与屏蔽泵的泵壳和叶轮类似，泵轴为空心轴，用于形成介质润滑冷却的流通管路。隔离套作用类似于屏蔽泵的隔离套，内磁缸总成和外磁缸总成构成了一套永磁传动机构，实际零接触传输转矩的作用，同时也实现了无动密封点设计，消除了动密封点泄漏的缺点。

图2 同步磁力传动磁力泵结构图

（1）磁力泵也属于无泄漏泵，是介于普通离心泵和屏蔽泵中间的一种过渡型产品，无机械密封，效率较普通离心泵低，不适用高温、含有颗粒及黏度大的介质。与屏蔽泵类似。

（2）磁力泵采用普通电机，存在磁力损失，效率比普通轴封离心泵低5%～7%。隔离套比屏蔽泵的屏蔽套厚，因此，效率也比屏蔽泵偏低，磁力泵有电机轴、泵外轴、内轴三根轴，对中较困难，振动较大，而且采用的封闭轴承需要定期更换。比屏蔽泵检修量大。

（3）内外磁缸永磁体采用胶水黏接方式固定，在运行过程中易发生永磁体脱落并损坏隔离套的情况，磁力泵隔离套损坏后介质会直接泄漏至大气中，加上动静件发生高速碰磨易生产火花或较高温度，引燃泄漏介质的危险性较大，比屏蔽泵危险性大。

（4）图2 中外磁缸轴承多数采用封闭滚动轴承，需要定期检修更换，如果更换不及时，会导致外磁缸总成与隔离套发生碰磨等情况，如果隔离套被磨损至穿孔泄漏，可燃介质会泄漏至与空气接解的外腔体中，加上外磁缸总成与隔离套碰磨产生的热能，有起火爆炸等风险。然而，屏蔽泵的轴承全部为滑动轴承，没有严格的寿命限制，正常运行条件，可以实现连续运行10 年以上无须检修更换。另外，如果其滑动轴承损坏，转子与屏蔽套发生碰磨，并导致屏蔽套穿孔泄漏，介质会泄漏至与泵腔同等设计压力的定子线圈腔体中，不会继续泄漏至空气中，可实现故障状态下的本质安全与环保。

综上所述，磁力泵在检修维护、本质安全等方面不及屏蔽泵。

5 近年来屏蔽泵应用调查研究

2023 年5 月3 日～2023 年5 月6 日，某石化公司与同类企业进行了调查研究，据调查，2022 年某石化公司至少安装72 台屏蔽泵，2021 年某石化公司至少安装83 台屏蔽泵，2023 年某石化公司采购了1041 万的屏蔽泵。近两年，全国石化行业屏蔽泵的需求量在成倍增加，较多普通离心泵都改用屏蔽泵，因此部分屏蔽泵制造商供货周期被迫延长。

普通离心泵机械密封泄漏发生的部分事故案例如下：2010 年3 月18 日，某石化公司炼油四部油泵机械密封泄漏引发大火；2011 年9 月20 日，某石化公司丙烯回流泵机械密封发生泄漏引发火情；2012 年6 月13 日，南京化工园区某石化公司环氧乙烷泵机械密封泄漏引发爆炸；2013 年4 月09 日，某石化公司热渣油泵机械密封泄漏引发大火；2014 年1 月12 日，某石化公司加氢裂化装置分馏塔一台机泵机械密封泄漏引发火情；2015年4 月10 日，某石化公司加氢裂化装置汽提塔塔底泵机械密封泄漏引发火情。

因此，迫切需要通过采用新技术、新设备减少设备泄漏途径，促进石油化工产业的可持续发展。石油化工企业当前提倡创建无泄漏装置，用无泄漏泵替代传统易泄漏动密封离心泵是未来趋势，无泄漏泵有利于实现高危介质输送的本质安全，本文已将屏蔽泵、磁力泵、普通离心泵进行了对比分析，初步表明无泄漏泵中的屏蔽泵相对更适合石化装置使用。

6 屏蔽泵在各领域的应用现状

（1）化工领域。屏蔽泵在化工生产中具有广泛的应用，如输送油品、轻烃等易燃易爆介质，输送苯、甲苯等有毒有害介质，输送酸、碱、盐等腐蚀性介质。只要介质清洁度达到一定要求，以上这个介质都比较适全选用屏蔽泵，屏蔽泵也是国内外乙烯装置-100℃低温甲烷泵的最优选择，其无泄漏、少维护等特点使得化工生产更加安全、环保。

（2）医药领域。在医药行业中，屏蔽泵被用于输送药液、疫苗等敏感介质。其低噪音、无泄漏的特性有助于保证产品质量和生产环境。

（3）环保领域。屏蔽泵在污水处理、废气处理等环保工程中发挥着重要作用。其节能环保的特点使得其在环保领域具有广阔的应用前景。

（4）食品领域。在食品生产中，屏蔽泵被用于输送果汁、牛奶等食品原料。其无泄漏、易清洗的特点有助于保证食品安全和卫生。

（5）核能领域。因无泄漏、安全可靠性高，屏蔽泵也是核电站反应堆含辐射介质核主泵的最佳选择，可有效防止核泄漏事件的发生。

7 屏蔽泵的未来发展趋势

随着科技的不断进步和应用领域的不断拓展，屏蔽泵在未来将呈现以下发展趋势。

（1）技术创新。通过不断的技术创新和优化，提高屏蔽泵的性能和可靠性，降低制造成本，拓宽应用领域。对于前文所述的滑动轴承适应性问题，目前也有较多解决方案。主要分为两个方面：①泵前过滤器在保证过滤精度的同时增加流通面积，减少清网频率，防止发生因清网不及时导致泵损坏的情况。②优化内部结构，采用清洁介质内循环等结构功能提高对含颗粒介质的适应性。

（2）智能化发展。将智能控制技术应用于屏蔽泵中，实现远程监控、故障诊断和自动调整等功能，提高设备的运行效率和维护便利性。

（3）绿色环保。继续推动屏蔽泵的节能环保设计，降低能耗和排放，减少对环境的影响。

（4）多元化应用。在现有应用领域的基础上，进一步拓展屏蔽泵在新能源、航空航天等高端领域的应用。