聚醚化工裝置中磁力泵的應用

張文國，王小鵬，張一兵

（中國寰球工程有限公司北京分公司，北京 100000）

聚醚是采用苯乙烯、丙烯腈、異丙醇、EO、PO等生產聚醚類物質的工藝流程，聚醚類物質可用于制備軟質、硬質或半硬質泡沫塑料。該流程所產生的廢水、有機廢液中會含有丙烯腈，苯乙烯等物質，其中丙烯腈為高度危害性介質，苯乙烯為中度危害性介質，對人體有很大危害性，因此裝置中輸送含丙烯腈和苯乙烯的廢液大多采用無泄漏泵—磁力泵或屏蔽泵。屏蔽泵的電機與泵頭為一體，需采用泵送介質對電機進行冷卻，而丙烯腈和苯乙烯在一定條件下會發(fā)生共聚反應，生成苯乙烯—丙烯腈共聚物（簡稱SAN）軟顆粒，堵塞冷卻通道，因此決定采用磁力泵。

文中介紹了磁力泵原理及結構特點，討論了聚醚化工工藝中的磁力泵的特殊要求（冷卻間隙，干運轉和安全保護及監(jiān)控的要求），以增加工程人員對于聚醚類裝置中的磁力泵選型的認識。

1 磁力泵的原理及結構特點

1.1 磁力泵的原理

磁力泵由電動機、磁力耦合機構和泵3部分組成，通過磁力耦合機構（內外磁缸）將電機輸出的轉矩傳遞給葉輪，從而達到輸送介質的目的［1~5］。

1.2 磁力泵的分類

磁力泵種類繁多，按照型式、工況和驅動原理可分為多種類型［6］。

（1）按照泵本身型式不同，可分為磁力驅動離心泵、磁力驅動齒輪泵，磁力驅動螺桿泵等，其中磁力驅動離心泵為當前磁力泵使用的主要類型；

（2）按照所適用工況的不同，可以分為普通磁力泵、高溫磁力泵和耐腐蝕磁力泵等；

（3）按照磁力驅動原理的不同，可以分為同步磁性傳動磁力泵和異步磁力傳動磁力泵。當前大多數(shù)磁力泵采用同步磁力驅動，具體結構見圖1。

圖1 磁力泵同步驅動結構

異步磁力驅動的磁力泵采用的為籠型結構的轉矩環(huán)來取代內磁缸，通過電磁場來產生略低的轉速，此類磁力泵由于內磁缸無永久性磁鐵，可使用的溫度要高于同步磁驅動的磁力泵。

1.3 磁力泵（離心式）的結構特點

磁力泵主要由泵體、葉輪、內外軸、磁力耦合機構、滑動軸承、聯(lián)軸器和電動機等構成［7~12］。

（1）磁力耦合機構。磁力泵的磁力耦合機構是由內、外磁缸和隔離套組成。磁力泵的內、外磁缸是由偶數(shù)對的稀土永磁材料制成的永磁體，按規(guī)律排列分布，其工作溫度可達到-45~100℃，且永磁體磁場方向具有很好的各向異性，不易發(fā)生退磁現(xiàn)象。

磁力泵的隔離套大多采用不導磁的金屬材質或陶瓷材質制成，將泵送介質和內磁缸完全密封，從而杜絕泵送介質的泄露［13-14］。

（2）滑動軸承。由于磁力泵的滑動軸承是使用所輸送的介質進行自潤滑，應根據(jù)不同的輸送介質來選用不同材質制作軸承，其中以碳化硅陶瓷軸承和石墨軸承為主［15］。

碳化硅陶瓷軸承承載能力較強，具有極強的耐沖蝕、耐化學腐蝕、耐磨損和耐熱性，使用溫度可達到500℃左右，且使用壽命較長，一般均可達到3 a以上。

相比于碳化硅陶瓷軸承，石墨軸承具有很好的自潤滑性，可以經(jīng)受短時間的干運轉。石墨軸承可承受溫度可達450℃左右，但是由于其耐磨性能較差，使用壽命會小于碳化硅軸承。

（3）冷卻潤滑系統(tǒng)。磁力泵運轉時，內磁缸與隔離套之間的環(huán)隙區(qū)域由于磁渦流會產生高溫，必須用少量的介質對內磁缸與隔離套之間的環(huán)隙區(qū)域和滑動軸承的摩擦副進行沖洗冷卻，沖洗介質將高溫帶走，從而保證磁力泵安全運轉。

如果磁力泵內部的冷卻潤滑不夠充分，將會導致環(huán)隙區(qū)域內的介質溫度高于永磁體的工作溫度，從而使得內磁缸逐漸失去磁性，使磁力傳動失效，所以磁力泵要求必須保證冷卻潤滑介質的量。冷卻環(huán)路見圖2。

圖2 磁力泵內部潤滑冷卻環(huán)路

2 聚醚裝置中磁力泵特殊要求

2.1 冷卻循環(huán)間隙的要求

聚醚類裝置中，廢液輸送泵的泵送流量為5 m3/h，揚程為90 m左右，裝置汽蝕余量約8.3 m，泵送介質中含有苯乙烯、丙烯腈、異丙醇等介質，泵送介質的溫度為常溫，粘度為3 mPa·s左右。

由于考慮到苯乙烯和丙烯腈的危害性，易聚合的化學性質，及設備成本原因，專利商要求該泵采用磁力泵。

由于丙烯腈和苯乙烯在一定的條件下會發(fā)生共聚反應，生成苯乙烯—丙烯腈共聚物（簡稱SAN）顆粒，SAN顆粒相對于常規(guī)的固體顆粒較軟，且容易聚合堵塞在磁力泵的潤滑冷卻管路中較窄的部分，所以專利商最初對于磁力泵的潤滑冷卻間隙要求為：整個潤滑冷卻的間隙均需大于8 mm。經(jīng)過多方調研考察，8 mm的潤滑冷卻間隙對于磁力泵來說是不可能的。

首先，如此大的間隙會使得磁力泵內部潤滑冷卻的介質量較大，同時，如此大的間隙會導致磁力泵的內外磁缸之間的磁密度降低，減小磁傳動的效率，從而造成能量的浪費，且磁力泵廠商沒有間隙如此大的產品。

當前成熟的磁力泵產品的潤滑冷卻間隙最大可以做到1 mm。考慮到泵送介質體中可能存在的顆粒（SAN）大小無法確定，廠商建議可以在保證潤滑冷卻間隙不小于1 mm的情況下，同時增加隔離套的溫度監(jiān)測設施，通過監(jiān)測隔離套溫度的變化，來判斷該泵的冷卻潤滑冷卻間隙是否發(fā)生了堵塞情況。

最后經(jīng)過多方討論，綜合考慮了可能產生的SAN顆粒的大小及概率，最終確認可以使用上述設施來取代8 mm的潤滑冷卻間隙要求。

2.2 干運轉的要求

聚醚類裝置中的罐排凈泵，泵送流量12 m3/h，揚程為84 m左右，裝置汽蝕余量約為8 m，泵送介質中含有苯乙烯、丙烯腈、異丙醇及其他有機物等介質，泵送介質的溫度為常溫，粘度約10 mPa·s。由于考慮到泵送介質的危害性及設備成本原因，專利商要求采用磁力泵。

當該泵用于將罐內的介質輸送排凈時，即使在泵入口處設置了液位檢測裝置用于停泵，泵也會有一段很短時間的干運轉（小于2 min）。干運轉對于磁力泵的主要影響是滑動軸承處缺少潤滑冷卻，會引起隔離套溫度升高，同時破壞內磁缸的磁性等。通過調研，對于有短時間干運轉要求的磁力泵，不同廠商的解決方法不同，大致分為2種。

（1）采用石墨軸承作為磁力泵的滑動軸承，同時隔離套材質采用哈氏合金。由于石墨具有一定的自潤滑作用，可滿足短時間干運轉，不會破壞泵的滑動軸承，同時由于干運轉時間較短，不會使得哈氏合金的隔離套溫度升高很多，可以滿足要求；

（2）采用碳化硅軸承作為磁力泵滑動軸承，同時隔離套材質采用以ZrO2為主的陶瓷材質。此種設計是考慮陶瓷隔離套不會產生磁渦流，使得潤滑冷卻間隙內的介質溫度不會升高，同時此種磁力泵可以設計使得潤滑冷卻間隙內的介質流速緩慢，在短時間干運轉時，其潤滑冷卻間隙保存有足夠量的殘余介質用于軸承潤滑。

2.3 磁力泵的安全保護及監(jiān)控

由于該裝置內磁力泵輸送的介質大都含有苯乙烯、丙烯腈或異丙醇等具有危害性質的物質，所以對于裝置內的磁力泵需增加一定的安全保護及監(jiān)控措施，以防磁力泵泄露引起重大事故。

（1）采用雙隔離套+壓力表或開關。

采用2層隔離套，每層隔離套都是按照相同的壓力等級設計的，且2層隔離套之間保持真空狀態(tài)，同時配置壓力表或者壓力開關，實時監(jiān)測2層隔離套之間的壓力變化情況：當壓力表或者開關顯示的壓力值與泵內介質的壓力值相當時，說明磁力泵內部隔離套發(fā)生泄漏；當其壓力值與大氣壓相當時，說明磁力泵外部隔離套發(fā)生泄漏；當其壓力值為真空時，說明2層隔離套均完好無損。

無論內隔離套還是外隔離套發(fā)生了泄漏狀況，都說明磁力泵發(fā)生了故障，需要停泵更換隔離套，見圖3。

圖3 雙隔離套+壓力監(jiān)測

（2）單隔離殼+干式密封+液位監(jiān)測（或者壓力監(jiān)測）裝置。

采用單隔離套與干式密封組合的方式進行監(jiān)測。當磁力泵的隔離套發(fā)生泄漏時，磁力泵外軸軸承處的干式密封會保證泄漏的液體短期不會泄漏到泵外，同時磁力泵隔離套外部的液位監(jiān)測（用于不易汽化的液體）或者壓力監(jiān)測（用于易汽化的液體）將會發(fā)生報警停泵，見圖4。

圖4 單隔離套+干式密封

除了上述2種安全防護之外，該裝置內的所有磁力泵還配置了電機電流保護，對磁力泵的運行實施實時監(jiān)測，保證其安全運行。

3 結束語

相比于傳統(tǒng)工業(yè)泵，磁力泵以其優(yōu)異的密封性能廣泛應用于石油化工領域。磁力泵通過隔離套將泵送介質與外部環(huán)境完美的隔離開，常規(guī)的磁力泵配置為碳化硅滑動軸承，單層隔離套，內外磁缸，軸承溫度監(jiān)控等。

一般磁力泵潤滑冷卻間隙均是由廠商確定，不做強制要求。但由于聚醚類裝置中物質的特殊性及相關特殊工況要求，要求該類裝置的磁力泵需采用石墨滑動軸承以實現(xiàn)干運轉要求；采用雙隔離套（或單隔離套+2次密封）和泄露檢測來實時檢測磁力泵隔離套的運行情況，防止介質泄露到環(huán)境，影響操作人員身體健康；通過要求潤滑冷卻間隙大小來保證輸送丙烯腈和苯乙烯介質的磁力泵長時間穩(wěn)定運行。