水環式真空泵在氧氣充瓶中應用實踐

周金城

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司 氣體銷售分公司，安徽 馬鞍山 湖南西路 8號 243011)

1 前 言

通過在氧氣充瓶系統中設置真空泵，對氧氣氣瓶進行抽真空處理，將氧氣氣瓶中混入的可燃性氣體、空氣及其它雜質氣體抽出瓶體，保證氧氣充瓶時設備運行安全，提高氧氣瓶中氧氣純度。

馬鞍山鋼鐵股份有限公司(以下簡稱：馬鋼)氣體分公司在2015年對氧氣充瓶系統進行全面技術改造時，借鑒安徽省內氧氣充裝企業使用真空泵經驗，為氧氣充瓶系統配備1臺防爆型雙級旋片式真空泵，對氧氣氣瓶進行抽真空處理。

該臺雙級旋片式真空泵是以潤滑油作為工作液，在其運行進行抽真空作業時，真空泵工作腔中潤滑油蒸氣與抽出氧氣瓶的廢氣在氧氣充瓶作業區域排放，降低氧氣充瓶作業安全系數。同時，在2016年4月，因進行抽真空作業的氧氣瓶瓶閥接頭螺紋磨損，存在通大氣現象，造成旋片式真空泵工作腔中潤滑油進入氧氣充裝匯流排、連接軟管、充裝夾具與閥門中，嚴重威脅馬鋼氣體分公司氧氣充瓶系統安全運行。為此，氣體分公司將水環式真空泵應用在氧氣充瓶系統中，保證氧氣充瓶作業設備運行安全。

2 水環式真空泵分析

2.1 水環式真空泵工作機理及特點

水環式真空泵以水作為工作液。在啟動水環式真空泵時，向泵腔中注入一定高度的水作為工作液，工作輪旋轉，水因離心力作用在泵體內壁形成一個旋轉的封閉水環，水環上部內表面與輪轂相切，水環下部內表面與葉片頂端接觸。在此狀態中，葉輪輪轂與水環之間形成一個月牙形空間，月牙形空間被葉輪分成與葉片數目相等的若干個小腔。以葉輪上部0°為起點，葉輪在旋轉前180°時小腔的容積由小變大，與端蓋中吸氣口相通，其空間內氣體壓力降低，此時氣體吸入，在吸氣終點小腔與吸氣口隔絕。在葉輪從180°～360°旋轉過程中，水環內表面逐步與輪轂接近，小腔容積由大變小，其空間內氣體壓力升至大于排氣口壓力，在小腔與排氣口相通時，氣體被排出。葉輪每旋轉一周，葉片間的空間(小腔)吸排氣一次，若干小腔連續工作，重復進行，使泵體不間斷的抽吸、壓縮氣體，達到對氧氣瓶抽真空目的。

水環式真空泵對氧氣瓶進行抽真空作業時，氧氣瓶中殘存氣體與水接觸，泵腔內無金屬摩擦面，無需對泵腔進行潤滑。水環式真空泵轉動件與固定件密封均由水封實現，泵腔內無需使用潤滑油密封與潤滑，徹底避免氧氣與潤滑油接觸，同時不使潤滑油蒸氣對抽真空作業設備污染，從根本上杜絕氧氣瓶因可燃性氣體、潤滑油混入發生爆炸的可能性。

同時，因水環式真空泵對抽吸氣體進行壓縮方式是等溫壓縮，水環式真空泵可以抽除氧氣瓶中混入的固體塵埃氣體、可凝性氣體與氣水混合物，水環式真空泵對氧氣氣瓶抽真空綜合作業效率高。

2.2 影響水環式真空泵安全運行主要因素

因水環式真空泵工作機理與設備結構特點，影響水環式真空泵安全運行主要因素是工作液(水)溫度、液位、清潔度。

2.2.1溫度影響

高溫影響：水環式真空泵是以水作為工作液，工作液(水)溫度高，水環式真空泵吸入區域工作液(水)飽和蒸氣壓高，接近沸騰狀態，吸入區域的工作液表面產生氣泡，使工作液(水)在泵腔內產生的水蒸氣占據較小部分工作腔空間，真空泵對外抽氣性能降低。在吸入區域工作液(水)壓力達到其飽和蒸氣壓時，泵腔中為氣液混合狀態，水環式真空泵產生氣蝕現象，使水環式真空泵抽氣流量減至0 m3/min，泵體損壞。

低溫影響：在冬季低溫環境，工作液(水)溫度不大于0℃時，水環式真空泵吸入區域工作液(水)發生凍結現象，固體冰塊或冰粒瓶撞擊高速旋轉工作輪葉片，造成水環式真空泵工作輪損壞。

2.2.2液位影響

低液位影響：水環式真空泵工作液(水)液位低，使葉輪轉動形成的水環效果不佳，未能形成完全密封，吸氣效率降低，氣瓶真空度低。同時，水環式真空泵工作液(水)液位低，水環式真空泵密封水流量低，泵體機械密封冷卻、潤滑效果低，使泵體機械密封磨損。

高液位影響：水環式真空泵工作液(水)液位高，真空泵泵腔中水環厚度增加，真空泵葉輪葉片浸入水環長度增加，導致葉輪轉動阻力增大，真空泵效率下降，拖動電機電流升高，使電機過流真空泵跳機。同時，水環式真空泵工作液(水)液位高，泵腔中進水流量高，泵體機械密封因水流沖擊力大，泵體機械密封處密封水產生泄漏，真空泵密封效果降低。

2.2.3清潔度影響

水環式真空泵工作液(水)清潔度降低，泵腔入水管道堵塞、工作輪葉片結垢，使水環式真空泵性能曲線偏移，抽氣流量降低，電機電流升高，設備運行能耗增大、使用周期縮短。同時，密封水清潔度低，泵體機械密封銹蝕，真空泵轉子系統卡阻，使水環式真空泵啟動失敗、設備損壞。

3 水環式真空泵應用

3.1 水環式真空泵選型

根據水環式真空泵設備技術特點與馬鋼氣體分公司氧氣充瓶系統實際狀況，分階段對水環式真空泵應用在氧氣充瓶系統中進行技術攻關。

首先，制定氧氣充瓶系統應用水環式真空泵的設備選型技術方案。根據氣體分公司氧氣充瓶系統設備安全運行具體要求、國內氣體充裝行業水環式真空泵使用情況調研、水環式真空泵設計制造廠狀況了解，確定為氣體分公司氧氣充瓶系統配備的水環式真空泵型號為SK-1型，該型水環式真空泵采用單級吸氣工作方式。

根據安徽省安全監督部門對氧氣氣瓶充裝設備現場設置具體安全要求，將水環式真空泵設計為一體式，即水環式真空泵泵體、工作液水箱、拖動電機、相關管道均設置在一臺碳鋼材料制造的工作箱內，使水環式真空泵與氧氣充瓶系統設備隔離，在水環式真空泵運行時，保證氧氣充瓶系統設備運行安全。通過水環式真空泵泵體出口排放的水蒸氣冷卻作用，降低水環式真空泵拖動電機運行溫度。同時，將水環式真空泵拖動電機及其它全部電氣設備均設計為防爆型。

根據制定的水環式真空泵選型技術方案，馬鋼委托相關制造廠定制1臺抽氣速率1 m3/min、極限真空-0.093 MPa、轉速2800 r/min、功率3 kW的水環式真空泵。

根據氣體分公司氧氣充瓶系統安全運行要求，為氧氣瓶抽真空作業單設1組抽真空匯流排。

3.2 水環式真空泵安裝調試

根據氧氣氣瓶充裝國家安全規范要求，將水環式真空泵安裝在氧氣充裝匯流排防爆墻外面。同時，根據SK-1型水環式真空泵設備結構特點，水環式真空泵不再配備外置型式的循環水水箱，使用水環式真空泵工作箱中配備的內置型式水箱，內置水箱選用氣體分公司生產的蒸餾水為工作液(水)。

水環式真空泵設備安裝時，首先使用丙酮清洗工作液水箱、管道、閥門與抽真空匯流排，而后使用蒸餾水沖洗工作液水箱、水管，消除設備制造可能殘留的油脂、固體雜質。

水環式真空泵調試時，同時對1組抽真空匯流排中6只氧氣瓶進行抽真空作業，6只氧氣瓶真空度全部同步降至-0.1 MPa時間不大于6 min。1組氧氣充裝匯流排中30只氧氣瓶完成抽真空作業時間不大于27 min，水環式真空泵作業效率高。

在水環式真空泵調試期間，為氣體分公司食品添加劑(氮氣)項目外審瓶裝氮氣的氮氣瓶進行抽真空作業，在氮氣充瓶作業完成后，經化驗員對其露點進行化驗分析，瓶裝氮氣露點均不大于-64.2℃。水環式真空泵抽真空時氣瓶露點效果較好，較大幅度縮短氣瓶干燥裝置作業時間。

在2017年1月29日，水環式真空泵調試結束，投入生產至今，設備運行穩定，僅需定期補充蒸餾水。

3.3 水環式真空泵操作維護注意事項

3.3.1啟動前檢查

微開水環式真空泵液位閥，確認液位閥有少量水排出，水環式真空泵內置水箱工作液(水)位達到正常生產要求。微開水環式真空泵排污閥，確認排污閥排出工作液(水)潔凈、無色、無固體顆粒物。

冬季低溫環境，水環式真空泵啟動前，必須開大水環式真空泵排污閥，有連續、較大流量工作液(水)排出時，方可以啟動水環式真空泵。

開啟抽真空氣瓶瓶閥，檢查氣瓶壓力，確認抽真空氣瓶無高壓氣體存在，方能啟動水環式真空泵。如抽真空氣瓶壓力高，必須將氣瓶內氣體排放，在壓力降至小于0.1 MPa時，氣瓶方能進行抽真空作業。

3.3.2啟動運行操作

水環式真空泵啟動時：嚴禁抽真空匯流排中各組抽真空軟管、截止閥及氣瓶瓶閥有連通大氣現象。同時，檢查水環式真空泵設備本體變化，如水環式真空泵有空氣倒吸、工作液(水)外漏、異常聲音時，停運真空泵檢查分析原因。

冬季低溫環境，工作液(水)溫度低于0℃時，嚴禁啟動水環式真空泵。

水環式真空泵運行時嚴禁對抽真空作業氣瓶進行切換、倒瓶操作。嚴禁對水環式真空泵水箱補充工作液(水)，避免水環式真空泵電機電流高。嚴禁開啟水環式真空泵排污閥、液位閥，避免水環式真空泵泵體振動大。同時，觀察抽真空匯流排真空壓力表數值變化，如真空壓力表數值長時間未有明顯變化時，停運真空泵檢查分析原因。

夏季高溫環境，大氣溫度高于35℃時，嚴禁水環式真空泵連續運行時間高于5 h，必須間斷停運20 min，降低工作液(水)溫度，避免水環式真空泵工作液(水)溫度高。

3.3.3停機后操作維護

水環式真空泵停機后，開啟水環式真空泵排污閥，再次檢查排污閥排放工作液(水)清潔度。同時，開啟水環式真空泵液位閥，檢查水環式真空泵工作液(水)位降幅。

水環式真空泵處于停機狀態時，對內置水箱中工作液(水)定期進行補充、置換。水環式真空泵正常運行至1個月時，開啟水環式真空泵排污閥、進水閥，對水環式真空泵工作液(水)進行排放、置換、補充1/3蒸餾水。水環式真空泵正常運行至半年時，對水環式真空泵工作液(水)排放、置換、補充1/2蒸餾水。水環式真空泵正常運行至1 a時，將水環式真空泵內置水箱中全部工作液(水)排放、置換蒸餾水。

冬季低溫環境水環式真空泵長期停機必須開啟真空泵排污閥，將水環式真空泵內置水箱中工作液(水)排凈，避免泵體、內置水箱、管道、閥門凍裂。

4 結束語

目前，國家氧氣安全生產標準中對氧氣充瓶生產使用的真空泵未有明確的規范，氧氣氣瓶進行抽真空作業無專用型號的真空泵，其種類、規格不一。馬鋼氣體分公司根據氧氣充瓶設備實際狀況，在氧氣充瓶系統中應用水環式真空泵，從根本上消除氧氣充瓶系統安全運行隱患，同時為國內氧氣充裝企業安全生產提供一種借鑒方法。