泵的密封--液化气的安全要求

作者：Henning Mollenhauer

欢迎访问e展厅 展厅 5 密封件展厅 油封, 骨架油封, 石墨填料环, 汽封, 轴封, ... 处理液化石油气的安全标准对这个行业及其所用设备提出了越来越多的要求。利用新的密封技术、材料和设计不仅能够制造出满足这些要求的系统，还能保证系统在工作和停机期间完全无泄漏，即使在液体的沸点处理爆炸性液体时，也不会出现泄漏的情况。 为了与欧洲法规相协调，与泵有关的规范条例发生了一些变动，变化内容涉及泵的设计、安全使用和环境泄漏的风险。欧洲机械指令（European Machine Directive）（98/37/EC）已经作出修改，以敦促设备制造商们在实践工作中遵守其他协调标准和他们各自的安全准则。 此外，指令目前所论及的爆炸风险不仅指来自于装置的电子元件，还包括来自于机械设备，例如泵、风扇和压缩机的爆炸风险。 这种经过修正的法律地位要求制造商们做出更大的努力，以保证增强安全性，同时消除和人身伤害有关的任何风险。此外，业界已经颁布了涉及环境空气质量的新国际法规（欧洲指令96/92/EC），旨在进一步保护环境免受密封泄漏的危险。因此，用户现在面临的选择比较简单，要么采用“无密封”设计，要么在轴封上应用监视系统，它们都能从根本上消除设备在工作时间和停机期间的泄漏风险。 当工作对象是液化石油气时，泵制造商需要满足多项指令的要求，它们主要针对爆炸性、刺激性，以及有毒的介质。可以证明，最安全的办法是研制出一种标准泵系列产品，这种泵能够符合所有必须执行的安全要求。如果仍然存在固有的风险，则必须在安装、操作和维护说明书中清楚地告知用户。 很重要的一点是，泵制造商必需寻求各方的参与支持，它们包括知名组织、权威检查机构和政府部门，以及其他设备制造商和用户。这对于新产品的研制尤为重要，有助于制造商全面考虑最新出现的要求和业务法规。 因此，如今新一代的液化气泵与之前的泵产品截然不同。起动性能、密封技术、设计目标、材料和内部间隙等方面都得到了进化发展。 液化石油气的物理特性 用于工业用途和民用的液化气有所不同，生产方式也不一样。按照DIN51622的定义，液化气包括丙烷、丁烷和它们的衍生物；以及二氧化碳、氨和其他基于制冷剂的成分。 在规定设备时，必须充分理解上述这些液体与“传统”介质之间的差别。简单来说，就是当泵送处于沸点温度的爆炸性液体时，必须格外小心，要比泵送压力远低于其蒸气压的简单液体更加谨慎细致。 就泵送设备而言，有那么一些要求是用户和制造商应该给予重视并将之看作保证设备长期、无故障运行的基本原则。从根本上来说，最重要的一点和液化气的蒸气压有关。 从本质上看，液化气泵必须具备以下区别于其他泵的特点： ◆ 较低的必需汽蚀余量（或称必需净正吸入压头，NPSHr）； ◆ 能产生较高的压力； ◆ 陡斜的压力-流量曲线特性； ◆ 气体处理的能力； ◆ 能够在保证流量不显著减小的前提下泵送气液混合相介质； ◆对于爆炸性介质的输送需经过ATEX认证。 可用的技术 有几种不同的技术已经被用于液化气的泵送。一般而言，这些技术包括了侧流道泵、离心泵和滑片式容积泵。它们中的每一种泵都能够满足这类易蒸发介质严苛的特性要求，但是，它们在泵送介质、应用和工作地点这几方面的适应能力各不相同。 最初，侧流道泵是一种理想的选择方案——它们能够非常有效地泵送气体/蒸气/液体介质，而且具有很好的汽蚀余量值。它们相当坚固耐用，能够无故障地工作数十年。它们还具有非常笔直的工作性能曲线，这有助于它们泵送液化气。它们可以采用无密封、磁性耦合设计，从而消除其固有的机械密封的有关问题，并且它们能够在一段时间内干转。那么，为何纯粹的侧流道泵并非最理想的选择呢？答案是：它们受到了相对较低的流量和效率的限制。 离心泵解决了最小流量的问题，并且具有很高的效率。它也可以采用无密封设计，同样能够消除固有的泄漏风险。通常，该技术代表了对标准液泵的改造，因此而受限于其特性设计。 离心泵往往提供“正常”水平的必需汽蚀余量——但是稍微超过一点。它们对系统中混入的气体和/或蒸气相当敏感，容易诱发一些相关问题，例如性能变差，甚至出现气阻现象。利用长距离立式设计能够克服汽蚀余量限制的问题，这种设计挖入地下，以便在吸入口的工作点提供额外的液体压头。 这种立式的纯粹的离心式构造也存在一些令人担忧的问题，当混入/释放的蒸气/气体自由运动时，它们会穿过液流到达最高点——通常是密封腔。由于密封区域充满蒸气，因此会对机械密封的润滑和冷却造成不良影响。通过采用增压式背对背双端面密封设计能够克服该问题，但是这样又会增大系统的维护费用。 另一项广泛采用的泵技术是容积式滑片泵，它具有磨损自补偿的优点。这有利于在叶片的整个寿命周期内持续保持最优性能。滑片泵非常适合输送极为稀薄的易挥发液体，所用建造材料也有助于制造商按照ATEX的要求来制造它们。它们还具有陡斜的性能曲线，允许在相对较高的压力下泵送少量的液化气。 滑片泵技术易受气穴现象的影响，因为它们对汽蚀余量有着相当高的要求。所以，哪怕汽蚀余量只是在短期内有所降低，都会导致泵的使用寿命变得相当有限。此外，这种泵不适合家用，因为它们在工作时噪声很大。当工作对象是液化石油气时，泵的选用常常受到这种噪声的限制，因为加油站通常位于家庭住宅的附近。 最后，有一种选择方案综合了上述技术的优点，摒弃了它们的缺点，它被称为“组合”泵。该技术不仅具有侧流道泵的全部优点，还结合了多级离心泵的技术优势，从而形成以下特点： ◆ 高流量； ◆ 高压； ◆ 可以证实它在各种不同工作点上都具有相当好的汽蚀余量； ◆ 允许有限的干转； ◆ 坚固耐用，通常能够无故障地工作数十年； ◆ 可以利用磁耦合技术实现无密封设计。 同样地，这些部件也可以应用背对背双端面密封（增压密封系统），或者带有检漏设施的串联密封。 组合液化气泵的设计 组合泵最常见的设计形式是具有多个环形截面设计的多级卧式结构，其中包含一根用于减小入口损失的轴向抽吸支管。一个特大号的离心式叶轮安装在紧邻流量调节延长抽吸支管（flow-harmonising extended suction branch）的下游处。从本质上来看，流量调节支管与特大号的离心式叶轮二者共同降低了对汽蚀余量要求，同时提高了液压效率。 下游的侧流道级能够在高排放压力下输送蒸气、气体和混流。此外，侧流道设计本来就是一种自起动设计。 与其他类型的泵技术相比，侧流道组合泵为用户提了供难以置信的低吸入口工况参数。某些泵的必需汽蚀余量仅0.5m，而流量却高达35m3/h。 该技术主要简化了安装，降低了安装成本。它无需挖掘泵基，或者增大导管的高度。 侧流道级与最初的离心级同轴布置，这种结构确保流量不会因为液流的部分汽化而中断或减小。 组合泵的性能范围 多级侧流道泵符合DIN 24254/EN 734标准，能够非常有效地工作在流量达35 m3/h，排放压力水头大约为350m（18bar）的工况下。 性能曲线随泵的规格和级数的变化而不同，各条曲线彼此非常接近，所以能够根据准确的需求来选择合适的泵。 为了便于泵送更高流量的液化气，例如流量高达200m3/h的液化气，可以增加更多的多级离心级。当平衡的泵级采用了更多数量的离心式叶轮时，就被称为离心式组合泵。 离心组合泵具有侧流道的优点，该泵级被安装在朝向排放口的其他叶轮的下游。因此，这种泵不但能够非常高效地泵送大流量的液体，而且还具有自起动和处理蒸气/气体的优点。这种泵具有和流量调节轴向入口相同的设计特点。 有关液化气吸程的问题 液化气通常存储在静止的液化气罐中。液化气罐的尺寸通常取决于需求和气源的特点。出于对安全的考虑，现在越来越多的液化气罐被地表所覆盖，或者安放在地下。 毫无疑问，可以从地下储罐中泵送液化气，并且这也是一种常用方法。但是，在实际情况中，却往往不采用这种方法，因为它需要大量的地下管道资料，还需要额外的高成本安全措施。 通常，液体通过储罐上部的法兰往上输送。如果这些“液化的”气体表面上的（抽吸）压力减小，就会削弱蒸气压力，导致液化气起泡。 一种合适的解决方案是安装整台泵或者只在容器内部安装液压元件。除了这种可选的方案之外，还有一种简单的处理方法。 这种方法的装置包括一个埋入地下的存储罐，一台安装在地面上的侧流道组合泵，以及一个简单的气体分离器、工艺管道和一条部分液流再循环管线。 该系统的优点在于其简便性。在起动阶段，汽蚀余量还未形成，泵系统能够处理大量的蒸气。在汽化过程中（“汽化造成冷却”），抽吸管道内液体的热量被带走。 因此，抽吸管道内的液流温度变低，蒸气压力也变低，与其相比，液化气罐内剩余液体的温度较高，气压也更高。这种差别为抽吸液流提供额外的原动力，使其上升，进入泵的入口。然后系统开始发挥全部的泵送能力。 期间，少量的部分液流从泵的排出口倒流回液化气罐上部的蒸气相介质中。因此，有更高的压力施加在液体表面，这有利于提供更大的原动力来帮助液体沿抽吸管道上升，并进入泵内。这种方法为埋入地下的存储容器提供了一种非常稳定且相当长久的解决方案。 只要遵循吸程不超过4m，液化气罐容量小于200m3这一原则，通常就能将汽化减小到可接受的最低程度。该原则适用于丙烷和丙烷含量不少于20%的丙烷/丁烷混合物。 液化气的立式槽罐泵 可以为直径一般不超过6m的液化气存储罐装配立式槽罐泵，且使泵的电机安装在外部。 这些泵安装在液化气罐的顶部法兰上，并使液压端没入液体内。其用途与垂直安装的侧流道组合泵非常相似。利用一根延长管将流量调节液压抽吸管和特大号的离心叶轮安装在储罐内最接近底部的位置。这种结构的好处在于使液压抽吸管处于浸没状态。 立式槽罐泵的另一个优点是，它们具有无密封的磁耦合驱动器。这意味着不存在与生俱来的机械密封失效问题。此外，因为没有机械密封，所以由于部分汽化而形成的气泡不会聚集在各个密封面附近，因而也不会造成任何问题。 液化气泵的轴封 通常，采用某种类型的外部驱动器来驱动泵的旋转。因此，需要将传动轴加以密封，以免气体、蒸气和液体泄漏到外部环境中。一般而言，有五种基本方法可对其进行密封： ◆ 单端面平衡机械密封； ◆ 带有节流阀衬套的单端面平衡机械密封； ◆ 串联式双端面机械密封； ◆ 背对背式双端面机械密封； ◆ 无密封磁力驱动耦合器。 单端面机械密封 如今在液化气泵送中应用得最为普遍的机械密封类型是单端面平衡型密封。机械密封安装在泵的排放端，以便在密封腔内提供足够的液体（用于润滑和冷却）。平衡式机械密封的使用限制了作用在密封面上的表面压力。 非常重要的一点是，必须选用知名厂商生产的密封件，他们能够提供详实的记录来证明其密封的设计可靠，材料的连接坚固。这样做是为了确保泵具有长期的可靠性和安全性，以及延长的平均故障间隔时间（MTBF）。 单端面机械密封的问题通常是由于缺乏第二层安全壳而引起的，随着使用时间的延长和磨损的加剧，故障几乎不可避免。轴承的磨损和气穴现象是两个典型的例子，它们出现在工作期间，使轴向位移变得过大，最后导致接触面处的密封不稳定。因此，密封成为了安全链中的薄弱环节。所以，长期的密封失效问题会使用户面临不断加剧的泄漏风险。 单端面机械密封的实际问题是，它们无法完全容纳刺激性气味、蒸气和气体。这是因为被泵送的液化气必须越过密封端面来提供必要的润滑和冷却。结果，介质在越过密封面之后就会蒸发，不留下液体痕迹。 现场风险评估程序是泵送液化气中极为关键的一项工作内容，这一点对于任何爆炸性、易挥发性介质，以及某些有毒的和高蒸气压力的介质都不例外。使用基于工况且能够检测气穴现象和磨损状况的维护设备往往能够取得令人满意的效果。获奖的SIHIdetect就是这样的一个例子，它能够实现远程和本地监测。 “背对背”双端面机械密封 双端面背对背式机械密封的布局形式包括两个标准的单端面密封件，它们背对背地（就像名字所描述的那样）安装在泵轴上。之所以要采用这种结构是因为，在合适的温度和兼容性下，液体在压力的作用下在两个密封件之间循环流动。这种“密封”液流能够冷却和润滑密封端面，因为其压力大约比泵的液压所形成的压力高1-2bar。 距离泵最近的内侧机械密封将液体密封在泵内。与之相反，外侧密封确保相对无害的密封液不会泄漏到周围环境中。外部容器中含有必需的循环液体，此外，必须对压力和液位进行监测。 如果内侧密封失效，则密封液被迫进入泵内，系统能够检测到液位和压力的变化，以便采取安全紧急停机措施。如果外侧密封失效，相对无害的密封液会喷射到周围大气中，系统同样能够监测压力和液位，进而采取紧急停机措施。 双端面机械密封布局的另一个好处是，能够防止气体和蒸气泄漏，而单端面形式则无法实现这一点。 “串联式”双端面机械密封 串联密封提供了一种与背对背式双端面布局不同的密封方法，当需要泄漏检测设备，但是又没有增压密封系统可用时，往往就采用串联密封。 内侧密封的布局形式与标准单端面密封相似，能够防止液体泄漏到泵外。圆柱形的密封腔包裹着机械密封外侧的主轴。大气流充满该密封腔，并被一个与内侧密封串联（相同的方向）的外侧密封件密闭在腔内，以保证气流不向外泄漏。 外侧密封充当安全装置，只有当内侧密封失效时，它才发挥作用。外部容器盛有必需的密封液，它承受大气压力，同样必须对其进行监测。 如果内侧密封失效，则液化气对密封腔增压，系统将检测到压力升高的情况，并使泵停机。汹涌而出的泄漏气体大部分都留在密封件内，但是应该采用一条小口径泄漏管道通向一个火炬系统，以防止累积过量的压力。如果外侧密封失效，则液位下降，这一状况同样能被检测到。 无密封磁偶合 尽管机械密封结构肯定能够防止液体泄漏到外部，但是必须按照预定计划定期对它们进行维护，以防它们因为常规磨损而突然失效。正如上文所述，液化气泄漏到周围环境中的情况时有发生。 业内关于减小环境排放污染程度的要求越来越严格，因此促使用户安装磁耦合泵。这种结构完全不需采用旋转机械轴封。 从根本上来说，非磁性隔离罩（通常指的是“密封罐”）将泵的内腔密封起来，因此不会发生泄漏。密封罐是静止的，牢牢地安装在泵体上。 对于全封闭的回转叶轮组，由外部旋转磁铁来提供驱动力矩，它利用磁力推动反向的磁铁（在内部位于轴的末端）运动。外部磁铁的排列方向是北极-南极-北极-南极，如此循环。它们绕着隔离罐旋转且不与罐体接触。通常，磁性连接器件在工作时不会出现任何滑动，且内外组件的转速完全相同。 这样就得到了一个完全密封的泵，不再有密封失效的问题。但是必须说明一点，应用该技术时，必须避免干转，因为轴承由泵所输送的油品来润滑，且位于系统内部。 提高安全性和可靠性的最新方法 筒体结构形成了包围整个泵级的一层额外的壳形外罩。这样的设计具有两个主要的优点：第二级安全壳，以及保护泵体不受外部管道应力的影响。 液化气泵往往需要二级安全壳，以保证静态级间密封和二级机械密封受到同等程度的重视。沿着泵的长度方向建造一个筒体就能实现这样的安全壳，从而将任何级间的接头空隙包含在其中。并利用两个简单的环形密封圈将筒体与泵外壳密封起来。 将非常坚固的筒体与液化气泵结合到一起之后，还带来了另一个好处，那就是提供了额外的径向和轴向强度，从而使强度增大。施加在泵法兰上的管道应力比没有筒体外壳时更大，并且能够保护泵的密封。 出于防爆的原因，必须防止液化气泵发生干转。高端设备的标准配置包括提供一个与泵的外壳相连的液体传感器。 此外，侧流道装置的设计有时被称为再生泵，它使得一定量的液体在泵的内部循环流动，以利于泵的起动。虽然不知道该设计能够维持干运转的确切时间，但是它能确保泵在混流工况和起动阶段进行泵送时具有相当高的安全性。 为了便于维护，过去，密封区域外的主轴截面通常是敞开的，这样便于进入其中进行维修，但是，暴露在空气中又会引发一些危险，为了尽量减小这些风险，现在已经将所有的旋转部件包裹起来。这样的设计改进还带来了另一个好处，那就是缩短了轴承和密封之间的轴长。因此减小了主轴在密封端面处的偏斜，延长了机械密封的使用寿命。 最新发展的泵技术将密封泄漏检测装置作为泵的标准配置，从而提供了更高程度的安全性。从图11中可以看出，在泵腔内有一小段攻丝，它位于机械轴封和轴承之间。如果发生密封泄漏，那么能够在该区域检测到超压的情况，并利用它来停止泵送系统的工作。一个小孔能够将泄漏的物质输送到安全区域，例如火炬系统。 该工艺能解决密封监测、设备维护和泵的停机的问题。 如果还需要更加严格的密封故障识别措施，只需在标准配置中增加二级背对背旋转密封。这样就使泵变成了“从技术上实现密封的轴封”。无需对泵进行任何改造，因为在单端面密封的上游已经留有安装二级密封所需的空间。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (9/8/2012)