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淺談磁力泵與屏蔽泵

編者：隨著人們環保意識的日益增強和環保法規的逐步健全，泵泄漏的問題越來越引起人們的重視。從理論上講，杜絕泵泄漏最有效的措施就是采用無密封泵。《淺談磁力泵與屏蔽泵》一文著重闡述了兩類無密封泵即磁力驅動泵、屏蔽泵的基本原理、工作性能、適用范圍及其優缺點，并對兩類泵作了對比分析。
    多年來，常規的有密封泵一直是石化工業的主力裝備。這種泵上裝有各種各樣的密封，從填料密封直到復雜的雙端面機械密封。有密封泵的主要優點是單位成本低，設計上的通用性，用戶對此維護方式已經習慣。其缺點是，該密封必須產生泄漏來潤滑密封面。填料密封的泄漏量一般為3～80mL/h，制造良好的機械密封僅有微量泄漏，其泄漏量為0.01～3mL/h。如果密封出事故，則輸送介質就會泄漏到大氣中，從而危害人身和環境。此外，雖然目前機械密封及其精巧的輔助系統已經變得越來越復雜，但在延長密封使用壽命方面所取得的進展始終不令人滿意。因此，一種既可行又重要的選擇方案就是采用一種不需要軸封的離心泵即無密封泵。相比之下，無密封泵可以大大減輕或消除這種災難性事故的危害并大大延長使用壽命。無密封泵主要包括磁力驅動泵和屏蔽泵，結構上只有靜密封而無動密封，用于輸送液體時能保證一滴不漏。
    1.磁力泵
    磁力聯軸器傳動泵（簡稱磁力驅動泵）最早是在1947年由英國HMD公司的Geoffrey Howard研制成功的。幾年后西德的Franz Klaus也相繼開發成功。最先使用磁力驅動泵的兩家公司是英國的帝國化學工業公司和德國的拜爾化學公司。開發磁力驅動泵的最初目的是為了保護從事化工、核動力、國防等工業現場人員的安全和健康。20世紀70年代中期以后由于稀土鈷（1978年）、最強有力的釹鐵硼（1983年）等新一代永磁鐵和碳化硅軸承技術的開發使磁力驅動泵的技術水平有了極大的提高。據國外樣本和文獻資料顯示，磁力驅動泵的流量現在可達1150m3/h；揚程達500m；介質溫度范圍-120℃～450℃；粘度極限100～200cp；介質中磨蝕性固體顆粒含量可達1.5%（按重量），固體顆粒粒度可達100μm；采取特殊措施后，泵能輸送含20%不溶性固體物的渣漿，固體物直徑可達20mm；系統壓力可達450bar。磁力驅動泵還適應于機械密封很難勝任的高真空使用條件。技術上的這些突破和其它改進措施，使磁力驅動泵的可靠性和經濟性有了驚人的提高。對磁力驅動泵和機械密封泵的可用率和易修性的調查表明，有密封泵的損壞率和故障率都明顯高于磁力驅動泵。例如在400℃的熱液泵上的機械密封平均壽命為6個月，而磁力驅動泵能運轉多年，惟一需要的維護只是對泵和電機的外部軸承進行正常的潤滑。在化工領域中獲得的大量經驗已使人們得出這樣的結論：磁力驅動泵已經發展成為許多流程裝置中最經濟的解決辦法。因此，磁力驅動泵使用的增多已不僅僅是因為一個可靠的環境因素，而且還有大幅度減少運行、維修費用的經濟因素。其應用范圍已從輸送危害性液體和貴重液體擴大到需要長壽命、維護少的普通用泵場合，例如遠洋船舶上因維護費用高而用磁力驅動泵來輸送空調系統用冷水。最近十年來磁力驅動泵的應用急劇增長，已經成為各種應用領域中的常見裝備。磁力驅動泵現在可以滿足無密封泵全部應用領域的90%。
    磁力驅動泵是利用磁體能吸引鐵磁物質以及磁體或磁場之間有磁力作用的特性；而非鐵磁物質不影響或很少影響磁力的大小，因此可以無接觸地透過非磁導體（隔離套）進行動力傳輸，這種傳動裝置稱為磁性聯軸器。電動機通過聯軸器和外磁鋼聯在一起，葉輪和內磁鋼聯在一起。在外磁鋼和內磁鋼之間設有全密封的隔離套，將內、外磁鋼完全隔開，使內磁鋼處于介質之中，電動機的轉軸通過磁鋼間磁極的吸力直接帶動葉輪同步轉動。其主要優點：由于傳動軸不需要穿入泵殼，而是利用磁場透過空氣間隙和隔離套薄壁傳動扭矩，帶動內轉子，因此從根本上消除了軸封的泄漏通道，實現了完全密封；傳遞動力時有過載保護作用；除磁性材料與磁路設計有較高要求外，其余部分技術要求不高；磁力驅動泵的維護和檢修工作量小。其主要缺點：磁力驅動泵的效率比普通離心泵低；對防單面泄漏的隔離套的材料及制造要求較高；磁力驅動泵由于受到材料及磁性傳動的限制，因此國內一般只用于輸送100℃以下、1.6MPa以下的介質；由于隔離套材料的耐磨性一般較差，因此磁力驅動泵一般用于輸送不含固體顆粒的介質；聯軸器對中要求高，對中不當時，會導致進口處軸承的損壞和防單面泄漏隔離套的磨損。
    2.屏蔽泵
    屏蔽泵屬離心式無密封泵，泵和驅動電機都被封閉在一個被泵送介質充滿的壓力容器內，此壓力容器只有靜密封。這種結構取消了傳統離心泵具有的旋轉軸密封裝置，能做到完全無泄漏。屏蔽泵把泵和電機聯在一起，電動機的轉子和泵的葉輪固定在同一根軸上，利用屏蔽套將電動機的轉子和定子隔開，轉子在被輸送的介質中運轉，其動力通過定子磁場傳遞給轉子。其主要優點：①與有密封泵相比，省去了維修和更換密封的麻煩，也省去了聯軸器，零件數量少（只有機械密封泵的30%左右），可靠性高。無滾動軸承和電機的風扇，不需要加潤滑油，且運轉平穩、噪音低。可配置軸承磨損監視器，檢測軸承的磨損情況。②結構緊湊，占用空間小，對底座和基礎的要求低，沒有聯軸器的對中問題，安裝容易且費用低。日常維修工作量少，維修費用低。③能在真空系統或“真空”與“正壓”交替運行的情況下正常運轉而無泄漏。可以在高真空度情況下直接從真空槽中把物料送至其他容器中。使用范圍廣，對于高溫、高壓、極低溫、高熔點等各種工況均能滿足要求。其主要缺點：①由于采用滑動軸承，且用被輸送的介質潤滑，故對潤滑性差的介質就不適宜采用屏蔽泵輸送。一般適合于屏蔽泵的介質粘度范圍為0.1～20cP。②屏蔽泵的效率通常低于有密封的離心泵。但在中、小功率的情況下，與雙端面密封泵相比，后者由于增加了冷卻和沖洗系統的功率消耗，故總效率相差不大。③離心泵運行時，要求流量應高于最小連續流量。對屏蔽泵這點尤其重要，因為在小流量工況下，泵效率較低且會導致發熱，使流體蒸發而造成泵干轉，引起滑動軸承的損壞。
    3.磁力泵與屏蔽泵的比較
    在過去十年中，磁力驅動泵已成為廣大應用領域中的常見裝備。相比之下，屏蔽泵已被看作是一種價格更高、更特殊的泵，多數情況下只在有專門訂貨時才設計制造。盡管這種看法隨著標準化屏蔽泵系列的出現而正在變化，但屏蔽泵在市場中仍只占相當小的份額。
    一般來說，無密封泵的可靠性等同于或優于相當的有密封泵。但是這兩種泵都會因使用不當（特別是干轉和偏離設計點運轉）而易遭損壞。用輸送介質潤滑軸承的無密封泵在長時間的干轉后才會發生軸承磨損。在缺乏運行監控情況下，這種磨損是看不見的，在某些情況下可能導致泵損壞和密封套的破裂。標準的磁力驅動裝置在損壞情況下會使液體泄入聯軸器體內，并且通過聯軸器軸承泄漏到外界大氣中。這種泄漏通常由于液體必須流經曲折通路而受到節制，一般不會造成嚴重后果。這種標準的磁力驅動裝置還可以作很大改進以避免泄漏，改進方法是采用通氣口來防止聯軸器體內的壓力增大和采用輔助的（驅動裝置）軸封來防止泄漏。相比之下，屏蔽泵會使泄漏液體密封在電機體內，并防止進一步外泄。不過要把液體密封住，只有在嚴密注意壓力容器（電機殼）到接線盒之間的電纜接頭的情況下才有可能。這個部位歷來是屏蔽泵的惟一弱點。設計不良會使第二道（指電機殼）密封不起任何作用。即使密封套萬一損壞，磁力驅動泵可以完全得到清理，而且未受損壞的零件可以重新使用。如果必要，這種維修在現場就可進行。而泄漏到屏蔽泵電機體內的液體會使繞組損壞。雖然某些泵型具有可拆卸的定子結構，但大部分屏蔽泵都是采用密封式電機或具有焊接結構，這就需要送到工廠去維修或者重新更換一個昂貴的體內部件。
    對于標準磁力驅動泵，不需要批準危險使用區，而屏蔽泵則需要合格證。在許多情況下這種合格證在歐洲各國也相互不一致，可能需要增設運行工況監控裝置，如，需要確保流程液存放的液位探測器。對于標準形式的屏蔽泵，其溫度局限在約100℃以內。決定因素是電機繞組采用的絕緣等級，為了克服這個問題，電機裝有獨立的冷卻回路，從而增加了管路、冷卻液源、泵和熱交換器的額外費用。標準的同步磁力驅動泵可以在約400℃溫度下運轉。
    總的來說，磁力泵可以滿足無密封泵全部應用領域的90%。這種泵技術規格齊全，價格經濟，交貨期短，使用方便，維修時不需要電工參與，而且可以與普通的有密封泵直接互換。屏蔽泵結構復雜，價格昂貴，通常不能滿足常規的標準。此外，密封零部件牽涉到維護問題，多工種安裝問題，以及交貨期長等問題，這些都使得屏蔽泵只能應用在磁力驅動泵不能滿足的、危險程度很高的各種邊緣應用領域。顯爾易見，這兩種泵雖然同時占有市場，但磁力驅動泵將會占領更大的市場份額，而成為未來各種環保、安全工業的主力裝備。
    在國內，由于國人的環保意識尚不是很強，環保法規還不夠健全，再加上執行力度也不夠，人們對泵泄漏的問題普遍重視不足。從而使國內泵制造廠對如何最大限度地減少泵（尤其是工業用泵）泄漏的研究投入很少。致使國產無密封泵（包括磁力驅動泵及屏蔽泵）的研制、開發水平與國際先進水平相比有較大差距。隨著我國加入WTO，以及最近五年優先發展環保產業的戰略方針的提出，可以預見，上海正奧泵業制造有限公司大力發展無密封泵，將會成為今后我國工業用泵的一個發展趨勢。