一、前言

隨著國內(nèi)化工企業(yè)的迅猛發(fā)展，石油化工、化學(xué)工業(yè)、電站電廠、多晶硅、食品制藥、半導(dǎo)體、微電子以及水處理等諸多行業(yè)對(duì)泵設(shè)備的需求量不斷擴(kuò)大。由于不同化學(xué)介質(zhì)各自的復(fù)雜特性，在化工離心泵選型中必然與普通水泵有很大的不同，不僅要考慮需要多少流量和揚(yáng)程，更要對(duì)介質(zhì)做充分的了解，包括介質(zhì)的溫度、黏度、密度、濃度、pH值、腐蝕性、毒性以及是否含有固體顆粒等一系列問題都要考慮，從而選擇適用且經(jīng)濟(jì)的泵設(shè)備滿足實(shí)際工況要求。下面對(duì)臥式化工泵和旋渦泵在選型中的特點(diǎn)及應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)闡述。

二、化工泵選型要點(diǎn)

1.泵的標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)工程公司及設(shè)計(jì)院的規(guī)定，對(duì)化工泵的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)往往被指明，根據(jù)不同的需求，有不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的化工泵與其相對(duì)應(yīng)。其一為符合美國石油協(xié)會(huì)API610標(biāo)準(zhǔn)的石油化工流程泵，這種泵在設(shè)計(jì)上的使用壽命為20年，要求可以連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)至少3年，壓力等級(jí)為5.0MPa以上，法蘭連接等級(jí)至少為ANSI300磅[1]。一般在關(guān)鍵性設(shè)備或輸送危險(xiǎn)性介質(zhì)時(shí)使用API泵，或在重載荷工況范圍時(shí)或業(yè)主指明需要API標(biāo)準(zhǔn)的泵時(shí)才選用API泵。其二為符合ISO5199標(biāo)準(zhǔn)的化工離心泵，這種泵的壓力等級(jí)為2.5MPa以及1.6MPa，一般為中、輕型載荷用泵，當(dāng)介質(zhì)溫度低于260℃，額定揚(yáng)程低于120m，電動(dòng)機(jī)功率小于110kW·h[1]，選用ISO泵既可以滿足使用要求，也可以減少采購費(fèi)用。其余還有GB標(biāo)準(zhǔn)、ANSI標(biāo)準(zhǔn)的化工離心泵，這兩類泵與ISO泵標(biāo)準(zhǔn)的范圍與要求基本相同，選型中基本可以直接對(duì)應(yīng)，只是

在法蘭標(biāo)準(zhǔn)上要根據(jù)不同的要求對(duì)應(yīng)。

2.化工泵的形式根據(jù)泵使用場合、應(yīng)用范圍的不同，有不同形式的泵相對(duì)應(yīng)，API標(biāo)準(zhǔn)中就有近20種泵型。根據(jù)流量的大小，可以選擇單吸泵、雙吸泵，根據(jù)揚(yáng)程的高低，可以選擇單級(jí)泵、多級(jí)泵，根據(jù)裝置的布置、地形條件、水位條件和運(yùn)轉(zhuǎn)條件，可以選擇液下泵、潛水泵、臥式泵、立式泵、直聯(lián)型泵以及一體型泵，根據(jù)流量揚(yáng)程的綜合因素，可以選擇小流量高揚(yáng)程的旋渦泵、大流量低揚(yáng)程的軸流泵、大流量中揚(yáng)程的混流泵、中流量高揚(yáng)程的離心泵，根據(jù)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以選擇磁力泵、電動(dòng) 機(jī)直聯(lián)和屏蔽式。一般工程公司及設(shè)計(jì)院在前期設(shè)計(jì)時(shí)，多數(shù)已經(jīng)確定了泵的形式，不需要另外選擇和判斷，但在某些類似案例重復(fù)出現(xiàn)的時(shí)候，也可以對(duì)泵的形式提出另外的建議。某化工企業(yè)項(xiàng)目在輸送甲苯、乙苯、丙苯、苯乙烯、焦油、液化石油氣及烷類介質(zhì)的工位中要求使用無泄漏泵，客戶考慮采用化工離心泵串聯(lián)式干氣密封，出于泵長期使用的安全性、易操作維護(hù)、減少現(xiàn)場管路布置等的考慮，建議用戶選用磁力驅(qū)動(dòng)泵，采用磁力驅(qū)動(dòng)方式既可以達(dá)到介質(zhì)無泄漏，又可以減少設(shè)置PLAN沖洗方案時(shí)的復(fù)雜管路配置，如提供外部供給阻隔氣體用于干氣密封的PLAN74配置。最終方案被采納并順利投入生產(chǎn)。某企業(yè)需要泵輸送MTBE、異丁烯等介質(zhì)，流量在1～3m3/h之間，揚(yáng)程在70～150m，客戶考慮使用多級(jí)離心泵，根據(jù)旋渦泵的小流量高揚(yáng)程、具有定量性、可通過變頻調(diào)節(jié)流量的特點(diǎn)進(jìn)行了推薦，而且旋渦泵比多級(jí)離心泵占地體積小、結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)急停急起運(yùn)行，業(yè)主通過實(shí)際應(yīng)用也對(duì)旋渦泵在該工況下的穩(wěn)定性感到滿意。

3.流量和揚(yáng)程無論對(duì)于化工泵還是普通水泵，對(duì)流量和揚(yáng)程的選型基本原則都是相同的，即最大需要流量和最高需要揚(yáng)程點(diǎn)落在最高效率點(diǎn)的左側(cè)，一般在額定流量的30%～70%之間選型比較適合。在化工離心泵選型中，影響流量揚(yáng)程點(diǎn)的因素有很多，主要為以下幾種情況：

（1）輸送介質(zhì)中含有微量細(xì)微顆粒時(shí)（固體粒徑小于100μm） 普通化工離心泵的閉式葉輪結(jié)構(gòu)就無法應(yīng)對(duì)，一方面可以進(jìn)行性能修正，揚(yáng)程和效率比輸送清水時(shí)的值下降同一個(gè)比例。另一方面，根據(jù)顆粒含量的多少及顆粒大小考慮將閉式葉輪改為半開式葉輪或開式葉輪，而這種葉輪形式的改變也將會(huì)影響泵在性能上的降低，在沒有開式葉輪泵性能測(cè)試報(bào)告的時(shí)候，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值可以按照5%～10%的性能下降比例來進(jìn)行選型估算。

（2）介質(zhì)為放射性危險(xiǎn)液體、有毒有害液體或不允許泄漏物質(zhì)時(shí) 磁力驅(qū)動(dòng)離心泵起到了很好的密封作用，通過磁力驅(qū)動(dòng)的化工離心泵與電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的化工離心泵，由于磁驅(qū)的作用泵性能也有所下降，根據(jù)選型經(jīng)驗(yàn)一般按20%～25%考慮計(jì)算，泵選型配用的電動(dòng)機(jī)功率也需要相應(yīng)增加。

3）離心泵輸送介質(zhì)為清水時(shí) 沒有黏度因素影響泵的性能。但當(dāng)介質(zhì)黏度超過20cP（1cP=10－3Pa·s，下同）時(shí)，泵性能開始下降，例如泵輸送清水介質(zhì)時(shí)的性能為流量60m3/h，揚(yáng)程110m，當(dāng)輸送介質(zhì)黏度為30cP時(shí)，性能下降為流量55.6m3/h，揚(yáng)程108m，當(dāng)輸送黏度為200cP的介質(zhì)時(shí)，此泵的流量為40m3/h，揚(yáng)程為104m?；るx心泵選型建議輸送介質(zhì)的最大黏度范圍在300cP以下，可以查表或用“黏性液體性能修正程序”來計(jì)算性能下降值。

旋渦泵的選型，由于其是全開式起動(dòng)，靠出口閥門的調(diào)節(jié)控制吐出壓力，與離心泵閉式起動(dòng)，通過調(diào)節(jié)閥門控制流量的方法不同，所以在選型中，旋渦泵的主參考值是吐出壓力，通過先查到性能曲線對(duì)應(yīng)的壓力點(diǎn)再查對(duì)應(yīng)的流量點(diǎn)，與離心泵選型正好相反，兩者的選型步驟分別如圖1、圖2所示。

圖1 旋渦泵選型示意圖 

 圖2 離心泵選型示意圖

所以旋渦泵選型可以不用遵照選型點(diǎn)在性能曲線最高效率點(diǎn)左側(cè)這樣的規(guī)則，由于旋渦泵流量越大功率越低，流量越小功率越高，所以只要在選型時(shí)注意，不要靠壓力的過分增大來得到小流量即可，過高的壓力值會(huì)增大電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，接近關(guān)死點(diǎn)的流量會(huì)使液體在泵體流道內(nèi)形成自循環(huán)，從而使液體的溫度快速的升高加重泵自身的負(fù)擔(dān)。旋渦泵的部分結(jié)構(gòu)特點(diǎn)介于離心泵和容積泵之間，最高可以輸送黏度在300cP以下的介質(zhì)，但性能也會(huì)隨著黏度的

增大急劇下降。圖3、圖4中的虛線線條分別示意了旋渦泵和離心泵在輸送黏性介質(zhì)時(shí)的性能遞減率，以介質(zhì)黏度為30cP為例，對(duì)各性能值進(jìn)行比較。

 圖3 旋渦泵黏度換算后性能曲線

 圖4 離心泵黏度換算后性能曲線 

 由圖中可以看出，旋渦泵受黏度變化的影響比離心泵大。

4.化工泵材質(zhì)選擇

泵輸送介質(zhì)的腐蝕性各不相同，普通清水離心泵在材質(zhì)選擇上沒有特別的要求，一般情況下選用鑄鐵材質(zhì)就可以滿足要求。化工離心泵對(duì)于材質(zhì)的選擇就復(fù)雜得多，介質(zhì)的物理屬性、化學(xué)特性、濃度和溫度都是考慮的因素。材質(zhì)的選擇包括過流部件所有材質(zhì)的選擇，泵體、葉輪、軸套、主軸和密封件

代表了過流部件的主要部分，而歸結(jié)起來就是金屬材料的選擇和非金屬材料的選擇。以醋酸為例，濃度為50%以下的常溫醋酸可選擇過流部件的材質(zhì)最低要求為不銹鋼304，當(dāng)濃度為80%時(shí)，過流部件材質(zhì)最低要求為不銹鋼316，而80%濃度的醋酸當(dāng)運(yùn)行溫度達(dá)到80℃以上時(shí)，可選擇的過流部件材質(zhì)為20號(hào)合金。但當(dāng)輸送介質(zhì)為鹽酸時(shí)，即使?jié)舛鹊陀?/span>10%，金屬材料則不如塑料材質(zhì)那么適用了，需要考慮選擇橡膠內(nèi)襯容積式泵或磁力驅(qū)動(dòng)式離心泵。非金屬材料中的橡膠類一般在泵的機(jī)械密封輔助環(huán)、密封墊及O形環(huán)中使用，對(duì)于常溫油類介質(zhì)多數(shù)選用丁腈橡膠，高溫情況下選用氟橡膠，對(duì)于腐蝕性強(qiáng)介質(zhì)聚四氟乙烯的對(duì)應(yīng)范圍是相對(duì)最廣的。碳化硅、石墨和碳化鎢是機(jī)械密封動(dòng)環(huán)、靜環(huán)的主要選用材料，其選擇主要與介質(zhì)里是否含有顆粒，是否聚合或結(jié)晶及其硬度、腐蝕性有關(guān)系[2]。

5.化工泵密封形式

化工離心泵中運(yùn)用最多的就是機(jī)械密封，普通清水泵則可以選擇填料密封或單端面機(jī)械密封。在化工離心泵中，根據(jù)介質(zhì)在溫度、顆粒度上的不同情況，可以選擇不同的機(jī)械密封形式，API標(biāo)準(zhǔn)用泵要求選用集裝式平衡型機(jī)械密封，高溫介質(zhì)或含微細(xì)顆粒介質(zhì)選用金屬波紋管機(jī)械密封，易揮發(fā)介質(zhì)或有毒有害介質(zhì)選用雙端面機(jī)械密封。機(jī)械密封輔助沖洗裝置的選擇在化工離心泵選型中也是非常重要的部分。表1列出了化工離心泵選型中最典型也最常用的PLAN沖洗方案的應(yīng)用特點(diǎn)。表1 密封管路系統(tǒng)的選擇API 方案選擇及應(yīng)用PLAN 01、PLAN 11

適用于清潔液體或非高溫液體，對(duì)泵進(jìn)行自沖洗PLAN 21、PLAN 23針對(duì)介質(zhì)高溫的情況，介質(zhì)通過冷卻器后降溫，再對(duì)機(jī)械密封進(jìn)行冷卻PLAN 32外部注入沖洗液，對(duì)帶微量顆粒介質(zhì)在機(jī)械密封腔的沉積進(jìn)行沖洗PLAN 53為雙端面機(jī)械密封配套的輔助裝置，起到的效果是加壓冷卻，利用儲(chǔ)液罐中的液體或氣體對(duì)介質(zhì)向大氣側(cè)的泄漏作有效阻隔PLAN 54為雙端面機(jī)械密封配套的輔助裝置，通過緩沖液與密封腔內(nèi)介質(zhì)相溶，通過外部循環(huán)來對(duì)機(jī)封進(jìn)行冷卻對(duì)介質(zhì)進(jìn)行隔離PLAN 62針對(duì)介質(zhì)結(jié)晶現(xiàn)象進(jìn)行的急冷處理選擇恰當(dāng)?shù)臋C(jī)械密封形式和輔助沖洗方案對(duì)化工離心泵的可靠運(yùn)行起著決定性作用。6.電動(dòng)機(jī)選型化工離心泵配用電動(dòng)機(jī)的形式多為防爆電動(dòng)機(jī)，也有考慮用增安電動(dòng)機(jī)、高效電動(dòng)機(jī)或變頻電動(dòng)機(jī)的?？梢愿鶕?jù)泵運(yùn)行點(diǎn)軸功率的大小，乘上不同的功率余量系數(shù)得到需要的電動(dòng)機(jī)配套功率，一般按照表2中的劃分來計(jì)算。也可以按照泵在最大流量點(diǎn)的軸功率來計(jì)算配套電動(dòng)機(jī)功率。介質(zhì)密度大于1×103kg/m3時(shí)，需要在軸功率上乘以密度系數(shù)來選配電動(dòng)機(jī)，介質(zhì)密度小于1×103kg/m3時(shí)，系數(shù)按照1來考慮。表2 離心泵功率余量系數(shù)泵的軸功率P軸/kW≤1515＜P軸≤55＞55電動(dòng)機(jī)功率余量系數(shù)1.251.151.1根據(jù)設(shè)計(jì)院的要求電動(dòng)機(jī)的防爆等級(jí)、防護(hù)等級(jí)、絕緣等級(jí)基本已經(jīng)選定，但其提出的往往只是最低要求，這時(shí)就需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)廠家的實(shí)際產(chǎn)品來進(jìn)行選擇。如設(shè)計(jì)院指定用防爆等級(jí)為DIIAT3的電動(dòng)機(jī)，一般國內(nèi)電動(dòng)機(jī)廠家防爆電動(dòng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置防爆等級(jí)為DIIBT4，降低防爆等級(jí)在價(jià)格上和供貨周期上并沒有任何優(yōu)勢(shì)，這時(shí)參照電動(dòng)機(jī)廠家的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行選擇即可。在選型中，防爆等級(jí)DIIBT4可以滿足大多數(shù)介質(zhì)對(duì)防爆電氣設(shè)備的要求，但輸送二硫化碳介質(zhì)時(shí)，根據(jù)其爆炸特性，需要選取防爆等級(jí)為DIICT5的電動(dòng)機(jī)以適應(yīng)介質(zhì)對(duì)電氣元件升溫區(qū)域的要求。根據(jù)不同運(yùn)行工況點(diǎn)配泵的大小，設(shè)計(jì)院一般要求配用電動(dòng)機(jī)功率在220kW上時(shí)電動(dòng)機(jī)選用高壓電動(dòng)機(jī)，所以如果選擇的泵的效率值較高的話，電動(dòng)機(jī)功率在同等情況下不超過該值時(shí)，將在整體價(jià)格和電能節(jié)約上體現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。

7.其他注意項(xiàng)

汽蝕余量的計(jì)算基于管路損失、介質(zhì)飽和蒸汽壓和抽吸方式的綜合計(jì)算。一般NPSHa要至少比NPSHr高0.6m或其比值為1.2～1.3左右。為滿足汽蝕余量的要求，需要在流量揚(yáng)程選型階段同時(shí)注意NPSHr的性能值，如果2極電動(dòng)機(jī)配泵無法滿足要求時(shí)，可以考慮用4極電動(dòng)機(jī)降低轉(zhuǎn)速從而降低NPSHr值，當(dāng)然這樣會(huì)使泵的型號(hào)增大一到兩擋，這時(shí)就需要和使用方溝通取舍。但是為達(dá)到降低泵的必需汽蝕余量值，并不能盲目地在泵進(jìn)口安裝誘導(dǎo)輪，泵的設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)要與誘導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)相匹配，否則將適得其反。選型中使用方需求的工況點(diǎn)往往不可能正好落在額定葉輪的曲線上，這樣對(duì)葉輪的切割后性能計(jì)算及切割范圍也是選型中要注意的。葉輪的切割量根據(jù)葉輪直徑的大小不同取9%～15%的范圍，根據(jù)相似理論的換算，切割后電動(dòng)機(jī)功率相應(yīng)按比例減小，汽蝕余量值隨著泵流量的增大而增大，且變化率逐步擴(kuò)大。

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電源為380V50Hz，但在選型工作中，也會(huì)遇到化工離心泵需要在異電壓、異頻率下使用的情況，由于頻率的不同改變了原有電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，選型中同樣要注意由此帶來的泵性能上的變化。

三、化工泵選型實(shí)例

某多晶硅裝置用泵，位號(hào)P0402ab，輸送介質(zhì)為15%堿液，固體含量≤2%，粒度≤6mm，運(yùn)行溫度32℃，正常溫度下的密度1 287kg/m3，黏度3.2cP，流量60～72m3/h，進(jìn)口壓力0.069～0.088MPa，出口壓力0.419MPa，正常溫度下的汽化壓力0.007 8MPa，額定揚(yáng)程28m，自吸高度4m，有效汽蝕余量3.9m。根據(jù)業(yè)主指定的泵標(biāo)準(zhǔn)為GB5656，泵的形式選型為臥式單級(jí)自吸式化工離心泵，按照運(yùn)行工況點(diǎn)來查看性能曲線，通過NPSHa與NPSHr的比較，選取4P電動(dòng)機(jī)降低轉(zhuǎn)速來滿足要求，由于堿性介質(zhì)中含有少量固體顆粒，將葉輪選取為半開式結(jié)構(gòu)，由于運(yùn)行工況溫度和壓力等級(jí)要求都不是很苛刻，所以選用底腳支承懸臂式安裝結(jié)構(gòu)，選定化工離心泵的型號(hào)為1080CTZK—2SOSC—4P—T。根據(jù)介質(zhì)的腐蝕性和含固量，需要既耐腐蝕又耐磨的材質(zhì)來對(duì)應(yīng)，選擇過流部件材質(zhì)為雙相鋼UNS31803，機(jī)械密封選用單端面內(nèi)裝非平衡型機(jī)械密封，輔助PLAN32沖洗。選型中要注意介質(zhì)的密度大于1×103kg/m3，所以在計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率的時(shí)候要用泵的軸功率乘上該值，計(jì)算后得到配用電動(dòng)機(jī)功率為30kW，4極1 450r/min，防爆等級(jí)DIICT4，防護(hù)等級(jí)IP55，絕緣等級(jí)F。至此，該位號(hào)化工離心泵的基本選型完成。

某丙烯酸項(xiàng)目，位號(hào)P5621AB，輸送介質(zhì)為AA、ACA水溶液，相對(duì)密度1.02，操作溫度61～85℃，汽化壓力22.3kPa，泵送溫度下的黏度0.4cP，正常流量2.5m3/h，排放壓力846kPa，壓差851kPa，揚(yáng)程85m，N

PSHa為7.0m。選型時(shí)先比較此工況下離心泵和旋渦泵各自的性能范圍，由于此工況流量小，揚(yáng)程高，如果選擇單級(jí)離心泵將導(dǎo)致泵機(jī)偏大，電動(dòng)機(jī)功率較高，如果選擇多級(jí)離心泵則運(yùn)行慣性大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，所以對(duì)此工況最適合的產(chǎn)品類型就是旋渦泵。根據(jù)由出口壓力值對(duì)應(yīng)性能曲線上的點(diǎn)再對(duì)應(yīng)得到流量的方法，選出的型號(hào)為50SP1—SC，根據(jù)介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，選擇接液材質(zhì)為不銹鋼304材質(zhì)，密封為單端面機(jī)械密封加PLAN 32沖洗方案。NPSHr為

2.8m，配用電動(dòng)機(jī)7.5kW，4極電動(dòng)機(jī)，DIIBT4防爆等級(jí)，防護(hù)等級(jí)IP55。

以上兩個(gè)例子的選型應(yīng)該算是比較簡單的，在很多項(xiàng)目中遇到的選型要求更苛刻更復(fù)雜，所以要對(duì)各類泵產(chǎn)品的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍充分了解和掌握，第一時(shí)間判斷需求產(chǎn)品的類型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，做到準(zhǔn)確選型快速對(duì)應(yīng)。

四、結(jié)語化工離心泵的合理選型是一件十分重要的工作。如果選擇不當(dāng)，泵工作中揚(yáng)程偏高或偏低，流量偏大或偏小，或材質(zhì)不耐腐蝕，泵結(jié)構(gòu)不適于該液體的物性等等，不僅滿足不了生產(chǎn)要求，并且效率低，壽命短，造成極大的能源浪費(fèi)和設(shè)備損失。所以化工離心泵的選型要求更高，需要考慮的因素更多，在掌握常用普通離心泵的構(gòu)造特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，把化工離心泵及其他特殊泵的工作機(jī)理、輸送性能等貫穿起來，加以全面考慮、分析比較諸多影響因素，從中找出關(guān)鍵問題，并根據(jù)主觀、客觀條件和節(jié)約原則，盡可能做到選型相對(duì)合理[3]。 

參考文獻(xiàn)

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