石化裝置屏蔽泵應用前景研究

呂慶明

（中國石油廣西石化公司，廣西 欽州 535000）

屏蔽泵是一種無泄漏、低噪音、高效率的流體輸送設備，其獨特的設計使得泵在運行過程中無需機械密封，從而有效避免了泄漏和污染問題。隨著科技的進步和環(huán)保意識的提高，屏蔽泵在眾多領域的應用前景越來越廣闊，石化裝置也迫切需要安全環(huán)保性能更高的泵。

1 屏蔽泵的結構原理

屏蔽泵采用電動機與泵體一體化設計，電動機與介質完全隔離，從而實現(xiàn)了無泄漏運行。其工作原理是通過電動機驅動屏蔽套內(nèi)的轉子旋轉，進而驅動介質在泵體內(nèi)循環(huán)流動。具體結構如圖1 所示，主要部件有泵殼、葉輪、泵軸、止推軸承、徑向滑動軸承、轉子（電機鼠籠轉子）、屏蔽套、定子（包含電機線圈）、接線盒等。

圖1 基本型內(nèi)循環(huán)單級屏蔽泵結構圖

屏蔽泵根據(jù)結構及介質特性分為以下類型：普通型（基本型）、反向環(huán)流型（逆循環(huán)型）、高溫型、高熔點型、自吸型、泥漿分離型。

2 屏蔽泵的特點

屏蔽泵具有以下優(yōu)點：（1）無泄漏。屏蔽泵的設計使得介質與電動機完全隔離，避免了泄漏和污染問題；（2）低噪音。屏蔽泵在運行過程中產(chǎn)生的噪音較低，有利于改善工作環(huán)境；（3）高效率。屏蔽泵采用先進的流體動力學設計，使得其具有較高的輸送效率；（4）節(jié)能環(huán)保。屏蔽泵在運行過程中無須額外的密封冷卻系統(tǒng)，降低了能耗和排放。

屏蔽泵也具有一些缺點，如屏蔽泵對含有顆粒介質的適應性較差，對泵前過濾器發(fā)生堵塞工況適應性較差，主要原因是泵內(nèi)滑動軸承不允許被介質磨損或卡滯，滑動軸承需要流暢的介質流動進行潤滑和冷卻。相比普通離心泵，屏蔽泵在發(fā)生屏蔽套磨損等較大故障時檢修成本較大和檢修時間較長，在石化裝置中，工藝操作人員如果清網(wǎng)不及時，導致屏蔽泵損壞的責任往往更大，所以，對于狀態(tài)不好的介質，較多工藝操作人員并不愿意采用屏蔽泵。

3 屏蔽泵與普通離心泵的對比

無泄漏泵通常指無動密封點的屏蔽泵和磁力泵，以下為屏蔽泵與普通離心泵的對比分析。

（1）投資。普通離心泵價格相對較低，但是整個生命周期費用較高；屏蔽泵滑動軸承壽命長，不需要外部潤滑油潤滑，正常工況下幾乎免維護。

（2）密封。采用機械密封的離心泵，動密封易磨損；屏蔽泵采用的是完全無泄漏的靜密封，即使內(nèi)部屏蔽套泄漏，介質也不會直接泄漏至大氣環(huán)境中，本質安全可靠。對于高危介質的普通離心泵，為了提高安全性能，通常采用雙端面機械密封、串聯(lián)機械密封或機械密封與干氣密封串聯(lián)的密封，但是，這些密封形式并非絕對安全可靠，介質從一級密封泄漏至二級密封，然后泄漏至空氣中的情況也時有發(fā)生，甚至出現(xiàn)過較多較大的事故，造成較大損失。即使密封控制系統(tǒng)的報警有效且人員及時發(fā)現(xiàn)故障，有時也不可避免此類情況的發(fā)生。另外，在介質超壓情況，雙端面或串聯(lián)密封的軸套發(fā)生整體滑動導致兩級密封環(huán)同時受壓碎裂時，易燃易爆介質會快速直接泄漏至空氣中，加之此時密封端面處因受壓會產(chǎn)生高溫，極易發(fā)生火災爆炸事故。

（3）效率。普通離心泵的效率高；屏蔽泵的效率稍微低一些，但沒有密封系統(tǒng)的能量損耗，相比雙端面機械密封的離心泵總的能耗相近。

（4）電機。離心泵采用的是標準電機，采用滾動軸承，需要持續(xù)提供潤滑油脂，且壽命較短；屏蔽泵采用的是屏蔽電機，結構緊湊，占地面積較小。

（5）制造。離心泵制造要求低；屏蔽泵制造要求較高一些，但目前技術成熟。

（6）噪音。離心泵有風扇，噪音大；屏蔽泵沒有風扇，運行穩(wěn)定時幾乎沒噪音。

（7）聯(lián)軸器。離心泵有聯(lián)軸器；屏蔽泵無須安裝聯(lián)軸器，無須進行對中工作。

（8）維護。離心泵的維護比較方便；屏蔽泵易損件較少，滑動軸承更換難度相對較小，無須更換價格較高的機械密封，維修更加方便。

（9）介質。離心泵可以輸送多種介質；屏蔽泵不可以輸送含大顆粒和高粘度介質。

（10）安全。國家環(huán)保規(guī)定：一些特殊介質，如含苯、苯乙烯等有毒有害介質應使用無泄漏泵。另外，易燃、易爆等高危介質選用無泄漏泵輸送最安全。

（11）結構。普通離心泵機械密封結構及附屬管路復雜，密封點及故障點都較多，日常加油、加脂、檢查、維護工作量較大；屏蔽泵占地面積小，無附屬系統(tǒng)，通常自帶軸承狀態(tài)監(jiān)測儀表，有利于及時發(fā)現(xiàn)軸承故障。

4 磁力泵與屏蔽泵的對比

如圖2 所示，磁力泵的結構組成部件主要有泵殼、葉輪、隔離套民、外磁缸總成、外磁缸軸承、泵軸、內(nèi)磁缸總成，其中滑動軸承與屏蔽泵滑動軸承類似，泵殼和葉輪與屏蔽泵的泵殼和葉輪類似，泵軸為空心軸，用于形成介質潤滑冷卻的流通管路。隔離套作用類似于屏蔽泵的隔離套，內(nèi)磁缸總成和外磁缸總成構成了一套永磁傳動機構，實際零接觸傳輸轉矩的作用，同時也實現(xiàn)了無動密封點設計，消除了動密封點泄漏的缺點。

圖2 同步磁力傳動磁力泵結構圖

（1）磁力泵也屬于無泄漏泵，是介于普通離心泵和屏蔽泵中間的一種過渡型產(chǎn)品，無機械密封，效率較普通離心泵低，不適用高溫、含有顆粒及黏度大的介質。與屏蔽泵類似。

（2）磁力泵采用普通電機，存在磁力損失，效率比普通軸封離心泵低5%～7%。隔離套比屏蔽泵的屏蔽套厚，因此，效率也比屏蔽泵偏低，磁力泵有電機軸、泵外軸、內(nèi)軸三根軸，對中較困難，振動較大，而且采用的封閉軸承需要定期更換。比屏蔽泵檢修量大。

（3）內(nèi)外磁缸永磁體采用膠水黏接方式固定，在運行過程中易發(fā)生永磁體脫落并損壞隔離套的情況，磁力泵隔離套損壞后介質會直接泄漏至大氣中，加上動靜件發(fā)生高速碰磨易生產(chǎn)火花或較高溫度，引燃泄漏介質的危險性較大，比屏蔽泵危險性大。

（4）圖2 中外磁缸軸承多數(shù)采用封閉滾動軸承，需要定期檢修更換，如果更換不及時，會導致外磁缸總成與隔離套發(fā)生碰磨等情況，如果隔離套被磨損至穿孔泄漏，可燃介質會泄漏至與空氣接解的外腔體中，加上外磁缸總成與隔離套碰磨產(chǎn)生的熱能，有起火爆炸等風險。然而，屏蔽泵的軸承全部為滑動軸承，沒有嚴格的壽命限制，正常運行條件，可以實現(xiàn)連續(xù)運行10 年以上無須檢修更換。另外，如果其滑動軸承損壞，轉子與屏蔽套發(fā)生碰磨，并導致屏蔽套穿孔泄漏，介質會泄漏至與泵腔同等設計壓力的定子線圈腔體中，不會繼續(xù)泄漏至空氣中，可實現(xiàn)故障狀態(tài)下的本質安全與環(huán)保。

綜上所述，磁力泵在檢修維護、本質安全等方面不及屏蔽泵。

5 近年來屏蔽泵應用調查研究

2023 年5 月3 日～2023 年5 月6 日，某石化公司與同類企業(yè)進行了調查研究，據(jù)調查，2022 年某石化公司至少安裝72 臺屏蔽泵，2021 年某石化公司至少安裝83 臺屏蔽泵，2023 年某石化公司采購了1041 萬的屏蔽泵。近兩年，全國石化行業(yè)屏蔽泵的需求量在成倍增加，較多普通離心泵都改用屏蔽泵，因此部分屏蔽泵制造商供貨周期被迫延長。

普通離心泵機械密封泄漏發(fā)生的部分事故案例如下：2010 年3 月18 日，某石化公司煉油四部油泵機械密封泄漏引發(fā)大火；2011 年9 月20 日，某石化公司丙烯回流泵機械密封發(fā)生泄漏引發(fā)火情；2012 年6 月13 日，南京化工園區(qū)某石化公司環(huán)氧乙烷泵機械密封泄漏引發(fā)爆炸；2013 年4 月09 日，某石化公司熱渣油泵機械密封泄漏引發(fā)大火；2014 年1 月12 日，某石化公司加氫裂化裝置分餾塔一臺機泵機械密封泄漏引發(fā)火情；2015年4 月10 日，某石化公司加氫裂化裝置汽提塔塔底泵機械密封泄漏引發(fā)火情。

因此，迫切需要通過采用新技術、新設備減少設備泄漏途徑，促進石油化工產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。石油化工企業(yè)當前提倡創(chuàng)建無泄漏裝置，用無泄漏泵替代傳統(tǒng)易泄漏動密封離心泵是未來趨勢，無泄漏泵有利于實現(xiàn)高危介質輸送的本質安全，本文已將屏蔽泵、磁力泵、普通離心泵進行了對比分析，初步表明無泄漏泵中的屏蔽泵相對更適合石化裝置使用。

6 屏蔽泵在各領域的應用現(xiàn)狀

（1）化工領域。屏蔽泵在化工生產(chǎn)中具有廣泛的應用，如輸送油品、輕烴等易燃易爆介質，輸送苯、甲苯等有毒有害介質，輸送酸、堿、鹽等腐蝕性介質。只要介質清潔度達到一定要求，以上這個介質都比較適全選用屏蔽泵，屏蔽泵也是國內(nèi)外乙烯裝置-100℃低溫甲烷泵的最優(yōu)選擇，其無泄漏、少維護等特點使得化工生產(chǎn)更加安全、環(huán)保。

（2）醫(yī)藥領域。在醫(yī)藥行業(yè)中，屏蔽泵被用于輸送藥液、疫苗等敏感介質。其低噪音、無泄漏的特性有助于保證產(chǎn)品質量和生產(chǎn)環(huán)境。

（3）環(huán)保領域。屏蔽泵在污水處理、廢氣處理等環(huán)保工程中發(fā)揮著重要作用。其節(jié)能環(huán)保的特點使得其在環(huán)保領域具有廣闊的應用前景。

（4）食品領域。在食品生產(chǎn)中，屏蔽泵被用于輸送果汁、牛奶等食品原料。其無泄漏、易清洗的特點有助于保證食品安全和衛(wèi)生。

（5）核能領域。因無泄漏、安全可靠性高，屏蔽泵也是核電站反應堆含輻射介質核主泵的最佳選擇，可有效防止核泄漏事件的發(fā)生。

7 屏蔽泵的未來發(fā)展趨勢

隨著科技的不斷進步和應用領域的不斷拓展，屏蔽泵在未來將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢。

（1）技術創(chuàng)新。通過不斷的技術創(chuàng)新和優(yōu)化，提高屏蔽泵的性能和可靠性，降低制造成本，拓寬應用領域。對于前文所述的滑動軸承適應性問題，目前也有較多解決方案。主要分為兩個方面：①泵前過濾器在保證過濾精度的同時增加流通面積，減少清網(wǎng)頻率，防止發(fā)生因清網(wǎng)不及時導致泵損壞的情況。②優(yōu)化內(nèi)部結構，采用清潔介質內(nèi)循環(huán)等結構功能提高對含顆粒介質的適應性。

（2）智能化發(fā)展。將智能控制技術應用于屏蔽泵中，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、故障診斷和自動調整等功能，提高設備的運行效率和維護便利性。

（3）綠色環(huán)保。繼續(xù)推動屏蔽泵的節(jié)能環(huán)保設計，降低能耗和排放，減少對環(huán)境的影響。

（4）多元化應用。在現(xiàn)有應用領域的基礎上，進一步拓展屏蔽泵在新能源、航空航天等高端領域的應用。

8 結語

綜上所述，屏蔽泵作為一種高效、節(jié)能、環(huán)保的流體輸送設備，在化工、醫(yī)藥、環(huán)保、食品、核能等多個領域具有廣泛的應用前景。隨著技術的不斷進步和應用領域的不斷拓展，屏蔽泵將在未來發(fā)揮更加重要的作用，為人類的生產(chǎn)和生活帶來更多安全和便利。

乙烯裝置、芳烴裝置、汽油裝置等石油化工裝置介質多為裂解氣輕組分液化后的烴類物質，潔凈度高、潤滑性好、易燃易爆、有毒有害，多為適合應用屏蔽泵的介質，因此盡可能選用屏蔽泵有利于化工裝置安全長周期運行。