一、技術(shù)背景

        無密封離心泵以其本質(zhì)安全的特性被廣泛用于石油化工工藝流程對易燃易爆、有毒有害等危險化學(xué)液體的泵送。但當(dāng)前常規(guī)技術(shù)下，無密封泵普遍存在兩個技術(shù)瓶頸問題。一是渦流損耗問題，二是滑動軸承問題。

        無密封泵通常僅指“磁力驅(qū)動離心泵”（MDP）和“屏蔽電機離心泵”（CMP）。這兩種泵實現(xiàn)無密封的原理本質(zhì)上是一致的。因此都存在渦流損耗和軸承問題。當(dāng)小功率驅(qū)動時，上述問題不明顯。但大功率驅(qū)動時問題非常凸顯。這種現(xiàn)狀制約了大功率無密封泵的廣泛應(yīng)用。

        屏蔽電泵是一種技術(shù)成熟的產(chǎn)品，市場應(yīng)用的覆蓋面較大。磁力泵近年來的技術(shù)進步有取代前者的趨勢。一個重要的原因是，磁力泵相對屏蔽電泵具有現(xiàn)場維修的便利、快速和低成本的特點。

二、磁力泵的渦流損耗

2.1渦流損耗產(chǎn)生的原因

        磁力泵是用永磁耦合實現(xiàn)無接觸的動力扭矩傳送。這樣就可在磁場氣隙中安裝一個承壓殼體，將工作介質(zhì)與大氣隔離開，使通常的軸動密封變成靜密封。該承壓殼體俗稱“隔離套”，其安裝位置和工作條件決定了對材料的性能有特殊要求。如高機械強度、非鐵磁性、高電阻率、耐腐蝕等等。在常規(guī)材料中，沒有滿足全部條件的材料。無奈的情況下，只好采用非鐵磁性和電阻率相對較高的金屬材料。如奧氏體不銹鋼、哈氏合金、鈦合金等。

磁力泵工作時金屬隔離套處于交變磁場中，會感應(yīng)出渦電流，它是功率傳遞過程中的損耗，稱為“渦流損耗”。

 渦流損耗的經(jīng)驗計算公式：

PL=K×T×L×N2×Bg2×D3×M/R

式中：PL—渦流損失                K—常數(shù)            T—殼體壁厚      

L—磁化長度                  N—轉(zhuǎn)速            Bg—磁通量

D—隔離套平均直徑    M—磁體組數(shù)        R—電阻率

        磁力泵大功率驅(qū)動，正確的說法是大扭矩驅(qū)動——永磁體的體積也將增大，金屬隔離套的尺寸也相應(yīng)增大，渦流損耗將以金屬隔離套直徑的三次方增加。

表1 常用金屬材料的電阻率

2.2磁力泵渦流損耗的負面作用

        磁力泵的渦流損耗使機組效率降低。當(dāng)大功率驅(qū)動時，渦流損耗會呈幾何級數(shù)上升，效率將低到不可接收的程度。這是制約大功率磁力泵使用的主要技術(shù)瓶頸。

        “渦流損耗”以焦耳熱的形式耗散，金屬隔離套會持續(xù)溫升，因此，需要沖洗冷卻。通常的設(shè)計是建立一個內(nèi)沖洗回路。用工作液進行冷卻，這會帶來多重負面作用。

        例如：

        1）內(nèi)沖洗液換熱溫升通常回流至泵入口，會惡化泵的吸入條件。在有效汽蝕余量（NPSHa）較低以及小流量調(diào)節(jié)運行時，極易發(fā)生汽蝕。

        2)沖洗液的溫升對易汽化或易聚合等工作液體工況不適用。

        3)沖洗回路必需始終保持通暢。因此，工作液體含有可能產(chǎn)生管路堵塞雜質(zhì)的工況不適用。

        4)通常對于腐蝕性的液體，溫升會使腐蝕速率增加。

        5)沖洗回流產(chǎn)生額外的容積損失，這在渦流損耗較大的大功率驅(qū)動時尤為明顯。典型的工況如小流量、高揚程。

表2 不同組配軸承材料的PV值（摘自：Pump Handbook 《泵手冊》，中國石化出版社）

四、其它相關(guān)說明

4.1羅蘭磁力泵的效率比較

        羅蘭磁力泵在小功率范圍內(nèi)，與可比的普通磁力泵和屏蔽電泵相比，效率高8~12%左右；與機械密封泵相比效率低2%左右，在偏離BEP點一半時的效率會低6%左右。

        羅蘭大功率磁力泵整機效率與可比的機械密封泵效率基本一致。

        （解釋）：磁力泵內(nèi)滑動軸承及內(nèi)磁半聯(lián)產(chǎn)生摩擦損耗，但該損耗值是相對恒定的量。當(dāng)偏離BEP點小流量運行時，軸功率下降，摩擦損耗與軸功率的比值較BEP點增大。當(dāng)大功率驅(qū)動時，該比值很小，可忽略不計。

4.2屏蔽泵的主要優(yōu)缺點比較

        受各種因素的影響，用戶在面對磁力泵和屏蔽泵的選型時可能產(chǎn)生困擾。在這種情況下，選型失敗的案例很多，其造成的損失往往遠超泵的采購成本。因此，選型把關(guān)的基礎(chǔ)還應(yīng)是對設(shè)備原理性的深刻理解和對一些使用特性的充分認知。這時，信息的充分交換尤其重要。

        相比普通的磁力泵，屏蔽泵最大的優(yōu)點是設(shè)計許用工作溫度和許用泵入口壓力更高。屏蔽泵的缺點是存在更大的發(fā)熱問題。原因是不僅金屬屏蔽套會產(chǎn)生渦流損耗，而且存在電機本身的銅損（繞組電阻）和鐵損（轉(zhuǎn)子的交變勵磁產(chǎn)生渦流損耗和磁滯損耗）。此外，相同轉(zhuǎn)矩時電機轉(zhuǎn)子的外形尺寸也較稀土永磁轉(zhuǎn)子大許多，產(chǎn)生的摩擦損失也較大。這種情況下，對于低有效汽蝕余量（NPSHa），易汽化，易聚合及小流量運行等工作條件時，選用屏蔽泵應(yīng)特別慎重。屏蔽泵的另一個缺點是需要專業(yè)維修（屏蔽套、轉(zhuǎn)子包封及共軸的更換）。在維修便利性、時間及成本上都不如磁力泵。

4.3羅蘭磁力泵與機械密封泵的比較優(yōu)勢

        1、羅蘭磁力泵安全等級高、安全冗余度大。

        2、羅蘭磁力泵的整機效率與機械密封泵基本一致。

        3、羅蘭磁力泵無動密封及輔助系統(tǒng)，故障節(jié)點少，可靠性高，無維護保養(yǎng)責(zé)任。

        4、羅蘭磁力泵的內(nèi)轉(zhuǎn)子允許軸向自由竄動。因此，特別適合安裝平衡盤。可實現(xiàn)軸向力的動態(tài)全平衡。這一優(yōu)勢在多級導(dǎo)葉泵上表現(xiàn)明顯。

        5、磁力泵的轉(zhuǎn)子支承軸承跨距比機械密封泵的支承軸承跨距短許多。因此，軸的剛度更強，臨界轉(zhuǎn)速大。

        6、磁力泵的葉輪轉(zhuǎn)子與驅(qū)動轉(zhuǎn)子無接觸耦合。因此，彼此的振動不疊加，總體振動值更小。

        7、磁力泵的外軸承箱處于二次密封腔內(nèi)的氮氣保護。因此，潤滑油不存在氧化及吸潮變性的問題。

4.4關(guān)于永磁材料的退磁問題

        現(xiàn)代永磁材料以其各項磁性能都非常優(yōu)異的特點，使大功率永磁傳動成為可能。稀土永磁材料常用釤鈷2:17和釹鐵硼兩大類，牌號不同性能有所差異。作為磁力泵的永磁傳動使用，材料的選擇應(yīng)本著適用和經(jīng)濟的原則。所以，對材料的區(qū)別應(yīng)有所認識。

        比較而言，釤鈷永磁材料（Sm2Co17）居里溫度高，矯頑力大，不易退磁，耐腐蝕性較好，不同牌號最高使用溫度可達250~350℃，但價格較高，材料脆性非常大。釹鐵硼的特點是磁能積高，磁場強度大，大約是釤鈷的1.5倍左右，價格比釤鈷低，不同牌號最高使用溫度從80~200℃，耐氧化和耐腐蝕性差，材料表面需要鍍層處理。

        影響永磁材料退磁的因素很多，包括：溫度、幾何形狀、機械振動和沖擊、射線、腐蝕、外磁干擾等。在稀土永磁材料出現(xiàn)以前，這些因素都很容易造成永磁材料的退磁。但現(xiàn)代稀土永磁材料各項磁性能，尤其是矯頑力很高，制備技術(shù)也日臻完善，除了溫度因素外，其它因素對稀土永磁材料的退磁影響很小，甚至沒有影響。

        高溫使永磁材料內(nèi)部分子熱運動的能量密度增加，驅(qū)使磁矩?zé)o序排列，磁矩部分或全部抵消，鐵磁轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾?，宏觀整體呈現(xiàn)部分或全部退磁。產(chǎn)生全部和不可逆退磁的臨界溫度稱為“居里溫度”，它是衡量永磁材料高溫穩(wěn)定性的重要參數(shù)。

        稀土永磁材料實際允許最高工作溫度要遠小于居里溫度。這是因為隨著溫度的升高，永磁材料的磁感強度會有所降低，但在一定的溫度下，降低的程度有限，并且是線性可逆的，因此是磁穩(wěn)定的，反復(fù)超過這一溫度，將產(chǎn)生部分不可逆退磁，這一溫度稱為膝點或稱拐點，也就是永磁材料的允許工作溫度。實踐也證明，使用稀土永磁材料的磁力泵在膝點溫度以下運行不會發(fā)生退磁現(xiàn)象。

4.5磁力泵的啟動問題

        磁力泵的永磁聯(lián)軸器一般為同步式的，不存在滑差。其最大轉(zhuǎn)矩即是解耦轉(zhuǎn)矩。一旦超過最大轉(zhuǎn)矩，聯(lián)軸器就會滑脫，而且受慣性力作用，不能過程中自動重新耦合。大功率磁力泵的轉(zhuǎn)子慣量也較大，瞬間的啟動轉(zhuǎn)矩往往是額定轉(zhuǎn)矩的數(shù)倍以上。而永磁聯(lián)軸器受成本及其它因素的考慮，一般設(shè)計最大轉(zhuǎn)矩僅為額定轉(zhuǎn)矩的1.2~1.5倍，低于電機的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。此時直接工頻啟動，會發(fā)生永磁聯(lián)軸器解耦，使啟動失效。所以，大功率磁力泵必需降速延時軟啟動。

        永磁聯(lián)軸器滑脫時，會產(chǎn)生強烈的振動，驅(qū)動功率會降低一半左右，并在幾秒至幾十秒內(nèi)急劇升溫至最高許用溫度。解耦的另一個原因是“抱軸”問題，例如雜質(zhì)結(jié)晶以及聚合等原因。如果可能出現(xiàn)這種情況，監(jiān)測和連鎖的手段就是必需的。

4.6關(guān)于磁力泵的標準

        磁力泵和屏蔽電泵統(tǒng)稱為無密封泵。相關(guān)標準有API685《石油、重化工及天然氣工業(yè)無密封泵》標準。最新版本為第二版（2011版）。該標準細節(jié)上主要針對技術(shù)相對成熟的中小功率無密封泵。大功率磁力泵還處于技術(shù)成長期，其特有的技術(shù)問題及解決方案還未取得共識。因此，該標準對大功率磁力泵的涉及不多。

        羅蘭磁力泵執(zhí)行API685-2011標準。但需要說明的是，嚴格執(zhí)行標準會顯著增加成本。標準中一些非必需的條款應(yīng)慎重提出要求。慎重的基礎(chǔ)是對使用工況和對設(shè)備的充分了解。因此，事前與制造廠的技術(shù)交流和方案協(xié)調(diào)就顯得十分必要。

4.7羅蘭磁力泵的型式

        離心泵的型式多樣，大多可設(shè)計為磁力泵（軸向剖分泵除外）。羅蘭磁力泵除了典型的標準型式（API610），還可根據(jù)需要進行多種變型設(shè)計。嚴格的說，羅蘭磁力泵是定制化的產(chǎn)品。目的不僅為滿足特定的需求，還要兼顧可靠性、維修便利性和降低成本。

        羅蘭磁力泵的變型設(shè)計，一般不涉及改變已有的水力模型，并且多年積累下的針對各種問題的有效解決方案，產(chǎn)品的性能將保持一貫性。

        羅蘭磁力泵的成功選型有賴于對運行條件的充分了解。因此，用戶應(yīng)提供詳盡和準確的數(shù)據(jù)單。