磁力泵在苯酚丙酮装置中的应用
陈昌
（上海寰球工程有限公司 上海 210000）
摘要：苯酚丙酮装置存在的危险介质有苯酚、苯及浓硫酸等，输送这些介质，选择磁力泵的方案会更优于离心泵。本文针对苯酚、苯及浓硫酸的介质特性，从磁力泵的二次保护选择、最小流量保护选择、运转保护、温度监测、材质选择、应用建议等方面介绍了磁力泵苯酚丙酮装置中选型方面的关键点以及注意事项。
关键词：苯 苯酚 磁力泵 二次保护 隔离套
Application of Magnetic Pump in Phenol&Acetone Plant
Abstract: For pumping phenol, benzene and concentrated sulfuric acid in phenol&acetone plant, the choice of magnetic pump may be better than centrifugal pump. This paper introduce the key points and considerations of magnetic pump selection from secondary protection, MCSF protection, running protection, temperature monitoring, material selection, applicaiton suggestions and other aspects.
Key words: benzene, phenol, magnetic pump, secondary protection, containment
1. 引言
随着国内电子通讯工业、汽车工业以及建筑业的高速发展，双酚A和酚醛树脂等产品的需求量也迅速增加，导致其上游产品苯酚的市场供应量也愈发紧张，需求量直线上升。目前，国内多个炼化企业大都已经上马苯酚丙酮装置，或者将该装置的建设提到规划之中。
目前国内多套苯酚丙酮装置均已到达相当大的规模，工艺包日渐成熟，工艺流程中机泵设备的选用也日渐规范化。
石油化工项目中，要求输送介质的流程泵具有更高的可靠性、安全性和经济性，也经常要求介质不得外泄，以避免对环境和人体带来损伤。在这种背景下，无泄漏泵，包括屏蔽泵和磁力泵的发展都更为成熟，应用也越来越广泛。对于苯酚丙酮装置中的典型输送苯酚、苯和浓硫酸的泵，由于介质的特殊性，多家主流专利商均要求优先选用无泄漏泵，也同时具备相当成熟的应用业绩。而通过对无泄漏泵型中磁力泵和屏蔽泵的结构对比，以及在相似工况中的应用情况分析，越来越多的用户和工程公司最终倾向于选择磁力泵。
2. 泵送介质介绍
目前，主流工艺包商UOP和KBR的工艺路线均是采用异丙苯法制备苯酚和丙酮，其优点是将较为廉价的原料苯和丙烯转化为更有价值的苯酚和丙酮，应用也最为广泛。在不同的工艺流程中，苯酚、苯和浓硫酸均是非常值得关注的介质。
苯(Benzene，C6H6)是化工用最基本的原料，极度危害、易燃易爆，且会对人体的血液系统、呼吸系统造成巨大的损害。
苯酚(Phenol，C6H5OH)是苯酚丙酮装置的最主要产品，高度危害、易燃易爆，且有强腐蚀性，可以腐蚀任何与它接触的活体组织，对人体皮肤会造成极大的灼伤。
98%浓硫酸（H2SO4）是一种具有高腐蚀性的强矿物酸，极度危害，同时具有脱水性、强氧化性，对人体皮肤有相当大的伤害。
3. 磁力泵工作原理
磁力泵的水力模型源自离心泵，相比离心泵，其无需设置轴封。如下图所示，磁力泵的电机通过联轴器与外磁缸连接在一起，叶轮和内磁缸连接在一起，通过隔离套将内磁缸和外磁缸隔开。其工作原理是外磁缸通过磁场作用与内磁缸连接，磁场能穿透空气间隙和非磁性物质隔离套，内外磁极推拉合力直接带动内磁缸与轴同步旋转，并带动泵的叶轮转动，通过叶轮转动产生的离心力达到输送液体并给液体增压的目的。泵轴、内磁缸被泵体、隔离套完全封闭，动力的无接触同步传递可以将容易泄漏的动密封结构转化为零泄漏的静密封结构。
1. 泵体 2. 泵盖 3. 轴套 4. 滑动轴承 5. 外磁缸 6. 泵外轴 7. 外端盖 8. 内磁缸9. 衬套
10. 泵内轴 11. 隔离套 12. 叶轮
4. 选型思路
同离心泵相比，磁力泵的隔离套将介质包围在泵体内部，磁力泵泵轴由动密封改为了静密封，省略了复杂的机械密封系统及其配管，适用于输送不允许泄漏的介质，且无需冷却水，降低了能耗。而且磁力泵传递比较平稳，驱动方面运动的突变不会直接传递到从动部分；安全离合，可以限制负荷的超载，当负载超过规定力矩时，磁力组件会自动滑轨。
而相比于屏蔽泵，除了效率较高、制造要求相对较低外，维护检修工作也相对容易，所有备件均可以在现场更换，不用返厂维修，而屏蔽泵如果出现屏蔽套破损，则现场无法解决，必须返厂，会严重影响现场的生产情况，有可能造成较大的经济损失。
而且，对于苯酚丙酮装置中泵送介质温度较高的工况，如选用屏蔽泵，厂家基本上都会考虑采用高温型，泵运行时需设置冷却水管线和换热器对电机腔进行冷却，以确保滑动轴承的充分润滑和电机不会超温，但是停泵时又要设置保温，以避免残留在电机腔里的苯酚结晶。现场的管路切换对于现场工人的操作要求比较高，用户也担心存在误操作带来的安全隐患。而如果采用高绝缘线圈的屏蔽泵，虽然可以避免冷却管路和保温管路的切换，但是电机的防爆等级往往又无法完全满足项目的要求，同时经济上也不是十分理想，所以大部分的苯酚丙酮用户倾向于选择磁力泵。
5. 二次保护的选择及泄漏监测
隔离套是磁力泵的关键部件，当磁力泵的隔离套破裂之后，介质就会向轴承箱侧泄漏，从而污染环境，并有可能对人员造成伤害。现在的工程项目越来越倾向于磁力泵采用二次保护，即要求磁力泵能在短时间内或者永久防止介质泄漏。
结合API 685及SH/T 3148标准要求，磁力泵二次保护有两种实现的方式，一种是双层隔离套的形式，另一种是承压密闭耦合箱体+节流衬套+干运转机械密封的形式。这两种方式均必须满足API685标准要求的在隔离套破裂之后，可以保证24小时介质不外泄，但从整体的安全性来说，双隔离套的形式更胜一筹。
双隔离套的磁力泵在第一层隔离套破裂时，第二层隔离套作为二次保护，要求做到零泄漏，通常配置隔离套破裂监测的压力变送器，通过读取两层隔离套之间压力的方式来实现对隔离套状态的监测。固然双隔离套存在效率较单隔离套效率较低、投资以及维护成本较高的缺点，但是对于一旦泄漏会马上污染环境，并对人体造成巨大伤害的介质，二次保护采用双层隔离套是最佳选择。对于苯酚丙酮装置中苯和浓硫酸的输送，考虑双层隔离套形式的磁力泵。
承压密闭耦合箱体+节流衬套+干运转机械密封的形式，俗称二次密封，耦合箱体按承压密闭容器设计，其设计压力均必须与泵壳一致。该方式的泄漏监测一般有两种形式，当介质泄漏后容易汽化，一般采用监测压力，即采用压力变送器传送压力信号的方式；而对于泄漏后不会发生状态变化的介质，则常采用音叉式液位开关来监测隔离套的泄漏，音叉式液位开关由晶体激励产生振动，当音叉被液体浸没时振动频率发生变化，这个频率变化由电子线路监测出来并输出一个开关量。音叉式液位开关无活动部件，因此无需维护和调整，可以有效提高其稳定性和使用寿命。
除了这两种典型形式，国内一些厂家还会采用节流衬套+迷宫密封的形式作为第二层保护，但是迷宫密封因为其结构上的原因，泄漏量较大，同时现场经验也表明了，这种配置的磁力泵有时候会发生轴承箱的润滑油通过迷宫密封泄漏到间隔腔内，从而引起液位开关误报警的情况。而且隔离套和轴承箱体之间结构紧凑，空间小，不利于散热，容易导致迷宫密封的失效[1]。虽然相关厂家也在积极从结构或者材质方面改进迷宫密封的设计，但是很难从根本上解决这些问题。
苯酚丙酮装置的磁力泵应用于异丙苯装置输送介质苯和浓硫酸，以及用于精馏单元用于输送苯酚，泵数量较多。如全部采用双隔离套磁力泵，除了一次性投资较单隔离套磁力泵更高之外，同时因为双隔离套磁力泵磁损较单隔离套泵来得大，运行成本会高不少。从介质特性和经济角度考虑，对于高度危害的介质，用户更倾向于选择二次密封的形式。音叉式液位开关安装于磁力泵下部，信号传送至DCS，当隔离套破裂或由于其他原因有液体进入磁耦合箱体时，液位开关就会报警。
6. 最小流量保护和运转保护
磁力泵的滑动轴承是通过泵送介质来润滑的，如磁力泵在小于泵的最小流量工况下运行，滑动轴承无法进行很好的润滑和冷却，同时内磁缸、隔离套都会产生热量，会引起泵体温度迅速升高，有可能使介质汽化，导致轴承处于干磨状态，轴承损坏，严重影响泵的正常运行。
屏蔽泵最小流量保护方式与离心泵相似，常规有出口孔板回流、出口调节回流、出口机械自动回流几种方式。出口孔板回流可靠、简单易行，但运行不经济；出口调节回流可靠、简单易行，但是局部扬程消耗在阀门上，运行相对不经济，容易造成液体的过热或汽化；出口机械自动回流无上述缺点，但是一次性投资相对较高，更多应用于投资额度较大，且注重节能的项目中。
苯酚丙酮装置的磁力泵采用了出口增加孔板回流这一最小流量保护方式，始终有一股流量从泵的出口回到泵的入口，即使在出口阀关闭的情况下，也可以保证滑动轴承得到足够的冷却和润滑，泵也能正常运转不致损坏，确保泵在安全区域内运行。
无泄漏泵，包括磁力泵和屏蔽泵，在运行过程中通常会因为出现过载、欠载、干运转等故障。这些故障直接影响泵和电机的正常运行，大大缩短其使用寿命。苯酚丙酮装置要求磁力泵厂家在泵进行运转试验之后，提供相对准确的保护电流值，设计方可以对比厂家提供的电流保护范围，对磁力泵电机保护值进项校正，并通过在用户的马达保护器上调整，实现磁力泵的运转保护。这里需要注意的是，如果用户的马达保护器采用的是热电阻式的，则磁力泵需要配置额外的功率保护器，因为热电阻式功率监控从发生故障到温度达到警戒温度需要的时间较长，而磁力组件损坏可能只需要几分钟。[2]
7. 介质保温及温度监测
苯酚丙酮装置精馏单元部分泵送介质的温度都在120℃以上，苯酚介质由于其特殊性，在40℃以下容易结晶，所以装置内涉及到苯酚介质的设备和管道均需做好保温工作。对于磁力泵来说，工艺要求实现泵体设置保温夹套，使用蒸汽进行保温。为避免苯酚颗粒对滑动轴承造成损伤，泵体、连接架处均设有夹套，使用蒸汽进行保温，这里需要注意全夹套泵进出口法兰的螺栓长度需由泵厂来确定。
而对于有些厂家的磁力泵，其介质润滑管线是由泵出口引到滑动轴承腔，考虑到苯酚介质易结晶的特性，这根外露的管线在设计的时候也要考虑保温措施。
磁力泵本身输送的介质可以作为循环冷却液带走隔离套、前后推力盘和滑动轴承等部件的热量，也对前后推力盘和滑动轴承起润滑作用。对于磁力泵，泵腔内的介质温升如过大，会严重影响磁性材料的性能和寿命，同时也会影响滑到轴承的润滑和冷却。如由于管道中介质流量过低或者流速过慢导致不足以带走热量时，会影响磁力传动的性能，甚至导致退磁现象。同时，磁力泵的隔离套位于磁 力偶合器内、外磁钢的气隙之间，是一个薄壳结构的不转动的密封罩。在磁力泵工作时，隔离套处在一个交变的磁场中，会感应出涡流。这种涡流，一方面造成 相当大的能量损失，使泵效率大幅度下降；另一方面又转变为热量，传递给介质 并提高循环介质的温度，甚至可能造成隔离套过热，磁钢退磁或其他故障。[3]
综上所述，磁力泵应配置必要的温度监测。磁力泵测温有两种方式，一种是直接测介质的温度，但是实现起来较为困难，目前主流厂家都缺少应用的业绩。另一种是测隔离套的温度，通过测温探头配合温度变送器的形式，输出温度信号，以反映泵在操作状态中温度的变化，这一种方式在苯酚丙酮装置中得到了较为广泛的应用。
8. 材质考虑
苯酚丙酮装置部分磁力泵泵送介质的温度较高，基于温度原因，磁性材料应避免选用汝铁硼，汝铁硼的使用温度仅为120℃，虽然具备较高的磁能积，但磁稳定性较差，且容易高温失效。而钐钴的磁传动效率和磁能积高，并具有极强的抗退磁能力，其中Sm2CO17，其使用温度可达350℃，居里温度可达750℃。[4]
滑动轴承是磁力泵的关键部件，直接影响到磁力泵轴系运转的稳定性。目前应用得比较广泛的材料有浸渍石墨、填充聚四氟乙烯和碳化硅等。碳化硅又分为反应烧结碳化硅、无压烧结碳化硅、热压碳化硅等。无压烧结碳化硅在强度、弹性模量、硬度等方面均超过了反应烧结碳化硅，同时比热压碳化硅更适合于量产，非常适用于用作屏蔽泵、磁力泵的轴承、轴和轴套、推力板等一系列耐磨、耐蚀结构件。[5]磁力泵采用无压烧结碳化硅材质，承载能力高，具有极强的耐冲蚀、耐化学腐蚀、耐磨蚀性能和良好的导热性，使用温度可达500℃以上，适用于苯酚丙酮磁力泵的工况。且其使用寿命可达3年以上，远胜于石墨等材质，可以满足API685的要求。
隔离套材质的选择也相当关键，目前隔离套材质有金属和非金属之分，非金属隔离套因为强度和耐温的原因，不在设计考虑之列。而对于高电阻率的材料，SS316材质涡流损失是哈氏合金的近两倍，从运行经济性考虑，苯酚丙酮磁力泵隔离套材质选择的是哈氏合金。
9. 应用建议
(1) 考虑到磁力泵的特殊性，不允许有固体颗粒特别是铁磁杂质进入磁力泵腔体。若输送介质含有此类杂质，很容易造成滑动轴承表面损伤，影响轴承寿命。通常对于固体颗粒介质，泵入口需带过滤网或者过滤器，如介质内含有铁磁颗粒，在泵的入口需设置磁性过滤器或添加吸附棒，吸附带有铁磁性的杂质，并定期清理。同时对于容易结晶沉淀的介质，应在停机后即使对泵进行清洗，避免泵腔内积液。
(2) 需避免工况的大幅度波动，否则会造成泵轴的轴向窜动加大，不但容易造成推力盘和滑动轴承的损坏，而且会引起隔离套和磁缸间隙的变化，影响泵的稳定运行。
(3) 磁力泵尽量避免选择非自排气结构。磁力泵在每次启动时均要进行排气操作，如果未排气或者排气不充分，容易导致碳化硅轴承干磨直至损坏。当输送易汽化介质时，更是要反复几次排气，直至泵中充满介质。
(4) 加强对前端容器液位控制，如前端容器液位与磁力泵入口中心线高度差变小，容易造成泵入口压力降低，导致有效汽蚀余量降低，容易造成泵的汽蚀。当前端容器液位下降到一定高度时，应联锁停泵。
(5) 如介质较脏，可以采用纯净、与介质相容的冲洗液来润滑轴承，以减少隔离套密闭腔体内固体颗粒的含量。
10. 小结
本文从磁力泵的二次保护方式选择、最小流量保护方式选择、运转保护、温度监测、材质选择、应用建议等角度，阐述了该泵型在苯酚丙酮装置中的设计选型思路，为类似装置磁力泵的应用提供借鉴。
参考文献
[1] 孟晖 刘学刚．高温磁力泵迷宫密封改造[J]．通用机械，2019，9：39-40.
[2] 马威．磁力泵在热油系统中的应用[J]．流体机械，2008，6：39-40.
[3] 操松林 马小波 李双宁 姚黎明 董文平．醋酸深加工装置釜液磁力泵的设计[J]．流体机械，2011，6：43-47.
[4] 全国化工设备设计技术中心站机泵技术委员会．工业泵选用手册(2版)[M]．北京：化学工业出版社，2010：148-149.
[5] 俞立．屏蔽泵用成套碳化硅轴承的设计及应用[J]．流体机械，2005，11：54-56.
