对无密封离心泵的运行状态监测的方法介绍
李宇达
（中石化宁波工程有限公司,浙江省
宁波市 315103）
摘 要：工程中的无密封离心泵主要分为磁力泵和屏蔽泵.对其常见的监测主要有防止干运转的保护,泄露监测，温度监测，电机功率保护以及轴承监测等。本文通过对无密封离心泵的多种监测方法进行介绍，对实际应用中如何选用提出了合理的建议。
关键词：无密封离心泵；监测；泄露；屏蔽泵；磁力泵
前言
在化工装置中，输送有毒有害、易燃易爆或强腐蚀等介质时，为提高装置运行的安全可靠性，一般采用无密封离心泵来代替传统离心泵进行使用。无密封离心泵主要包括磁力泵和屏蔽泵，它们的轴封只有静密封而无动密封，因而可以在结构上实现绝对无泄漏，从而提高安全性及减少维护费用，并优化人员的工作环境。无密封离心泵的应用具有明显的优势，具体体现在如下方面：首先结构比较紧凑，占用空间少，安装和拆卸比较方便，对于底座的要求不高；其次是运行稳定性高，不会形成明显的噪声；第三是经济性较好，不需要使用润滑油，维保成本较小；第四是适用性较强，可以应用到高温、高压等极端环境条件下，并能保持稳定的运行状态。正是由于具有上述优势，无密封离心泵广泛应用到了不同的行业中。
尽管无密封离心泵拥有以上诸多优点，但在实际使用过程中也会出现一些故障，如滑动轴承干运转、电机温度超温、轴承磨损等，无密封离心泵主要应用到危险介质或者苛刻工况，如果发生泄露将会产生巨大的威胁，不仅会污染环境，而且影响到了人体的健康。所以，需要采取相关手段对以上风险进行监测。本文主要对无密封离心泵监测方法进行了研究，确保其处于稳定的运行状态。
1 防干运转监测方法
屏蔽泵或磁力泵在启动前必须进行灌泵以润滑轴承及平衡转子系统内的轴向力，否则将会在短时间内严重损坏滑动轴承。为防止出现干运转，通常采用以下三种方法：
（1）在泵的入口管线上安装液位开关（水位开关），并做逻辑联锁，即只有当泵内充满水且泵管路中液位达到一定的高度时方能启动或者运转泵。在采用此方法时需注意，在泵体与液位开关之间不能安装隔离阀等阀门（如图一所示）。
（2）在泵的出口管线上安装液位开关（水位开关），并做逻辑联锁，即只有泵内充满水且泵管路中液位达到一定高度时方能启动或者运转泵。在采用此方法时需注意，在泵体与液位开关之间不能安装隔离阀等阀门，出口单向阀须安装在液位开关后（如图一）。
（3）在泵入口管线的隔离阀上安装限位开关,并做逻辑联锁,即只有隔离阀全部打开方能启动或运转泵.在采用此方法时需同时达到如下条件:
1) 首先，保证只有一道切断阀处于上游介质容器和泵之间；
2) 其次，在启动泵之后确保上游介质容器的液位处于合适的高度。
无密封式离心泵主要选择方法一，其优势主要体现在如下方面：首先安装难度小，不需要较大的安装空间；其次吸入管线压力小，液位检测准确性高，便于观测。在这种方式中采用了音叉液位开关。
当有固体颗粒存在于泵送介质中时，可能堵塞无密封式离心泵的内循环通道，最终会导致其滑动轴承损坏。为应对这种情况，可采用带外冲洗方案的无密封离心泵，并配置相关监测仪表。
对于上述采用外冲洗方案的磁力泵，外部冲洗液承担了其滑动轴承的冷却和润滑功能。此外，应该将流量监测装置设置在外冲洗管线中，同时设置启动/停泵逻辑联锁，在达到外冲洗流量要求时开始运行磁力泵。具体即为图二中所示。
泥浆分离型屏蔽泵主要通过特定的冲洗液（白油等）来对滑动轴承进行处理，使其达到合适的温度和平滑度。同时配备一台冷却密封罐对冲洗液进行冷却。在启泵前为了保证外冲洗液完全充满电机腔，在循环冲洗液的高点应设置排气口并打开排气阀。在排气管路上安装液位开关并设逻辑联锁，只有当检测到液位时才能启泵。具体即为图三中所示。
2 温度检测
2.1 屏蔽泵
对屏蔽泵的温度监测一般设置在电机定子测温或循环液测温。
定子测温主要是在三相绕组中设置温度传感器，可以实时检测电机绕组的温度，如果温度高于正常范围则及时报警，防止温度过大产生不利的影响。此外，还能够对防爆性能的温度组别进行补充 [1]。电机定子测温元件可采用单支或双支热电阻（Pt100）、热敏开关或热敏电阻（PTC）等。
循环液测温则采用了不同的方式，主要是在后轴承盖位置设置温度传感器，由此可以对泵内循环液的温度进行准确地检测。在研究中发现，循环液温度升高与回路堵塞以及泵流量中断等因素有关，循环液温度的变化会对电机表面温度产生较大的影响。对于防爆型屏蔽泵而言，需要将循环液设置最高温度限制，以保证电机表面温度处于正常范围内。由此该冷却循环液测温应设置高温报警及停泵联锁。此冷却循环液的测温探头一般采用单支或双支热电阻（Pt100）。相比电机定子测温而言，采用冷却循环液的测温则更加合理。
2.2 磁力泵
对磁力泵的温度监测一般设置为采用热电阻（PT100）对泵的金属隔离套外表面测温。泵金属隔离套的温度与涡流损失[2]及内循环液的温度相关。如果一旦泵流量为零、冷却循环液断供或内、外磁缸互相分离时，则会短时间内显著增大隔离套温度。所以只需要对此温度进行检测即可对泵运行状态进行判断。研究发现，涡流损失的出现与隔离套材质有关，如果是非金属材质，则不存在涡流损失，故不再对此隔离套的表面温度进行监测。
3 泄露监测
3.1 屏蔽泵
根据屏蔽泵应用的不同工况，应该合理设置泄露监测，以保证其运行的安全性与稳定性。对于易燃易爆等存在危险性的工况，则应该设置完善的泄露监测，通常选择的监测装置是液位仪表等，一旦监测到屏蔽套出现泄露，则可以及时报警，并采取有效的措施进行处理，避免造成更严重的后果。如果将屏蔽泵的定子壳体设置为承压结构，同时经过了水压试验的检验，而屏蔽泵电缆同样具有良好的密封性，则即便泵送介质自屏蔽套内向外泄出，也能保证不至泄露到外部使用环境中去。
3.2 磁力泵
对于有毒有害等危险的工况，需要为磁力泵设置泄露监测。具体可采用下述两个方案：
（1）首先，选择图四中的单隔离套结构，该结构还需要配置磁力联轴器壳体，并在其内部设置流量计等监测装置。一旦隔离套中有介质泄露，则监测装置会自动检测和报警。此外，为了降低介质的泄露，可以将机械密封设置在驱动轴与磁力联轴器箱体之间，其中磁力联轴器箱体需要达到一定的要求，在设计压力上需要保持与泵壳体的一致性，结构上以承压结构为主，并且要求进行水压试验进行检验。
（2）其次，选择图五中的双层隔离套，并配置压力仪表进行监测，这种结构的密闭性较强，但是当前仅有只有少数泵厂家有此泵型。一旦内层隔离套出现泄露，则可以通过监测装置进行报警。
4 泵轴承磨损监测
4.1 屏蔽泵
现阶段对屏蔽泵的轴承磨损监测技术已比较成熟，方法也比较多。如果屏蔽泵配置了石墨轴承，则应根据实际情况对径向轴承的磨损进行监测。如果泵的使用场合比较关键且驱动电机功率较大，应与用户沟通及厂家技术交流，以确定是否对轴承的径向以及轴向磨损进行监测，如果确定要对此进行配置，应采用可远传的变送器监测仪表。需要注意的是，如果屏蔽泵采用变频电机进行驱动，搭配使用的变频器会对轴承磨损监测仪表产生干扰，这种情况在实际应用中通过与厂家和用户进行沟通，一般采用下述4种方法解决：
1） 变频器基于单点接地，一般要求线的长度较短，直径较大。
2） 采取一定的隔离措施，将电源滤波器等装置设置在传感器电源中。
3） 选择双脚屏蔽线作为信号线，屏蔽层的接地需要通过电缆夹实现。
4） 采用滤波装置或者电抗器等消除变频器形成的谐波，常用的方法是将电抗器连接到输入电路中。
4.2 磁力泵
尽管对于磁力泵的研究较多，并出现了多种类型的产品，但是在轴承监测上的研究仍然不够成熟，截止本文发表时还处于探索阶段，缺乏统一的方法来监测轴承磨损，并提高轴承的质量。目前在石化行业还没有实际的应用业绩，故只能采取提高轴承材质的途径来减少磨损，延长使用寿命，如采用碳化硅材质的轴承。
碳化硅材质的滑动轴承，其强度、刚度及稳定性均较高，且具有极强的耐小粒子冲击性能，耐酸碱腐蚀性能，耐磨损性能以及优良的耐热性能，其最高使用温度可达500℃以上。碳化硅滑动轴承的机械使用寿命一般可达25000小时以上。在采用碳化硅轴承时应注意，为了防止游离态的硅离子（Si4-）进入介质，在化工领域一般要求采用无压烧结的碳化硅。
5 泵功率保护
对泵的功率监测主要是出于保护电机的目的，对电机进行欠载保护和过载保护。每种型号的离心泵在出厂时都有一个性能曲线，性能曲线上各有一个最小流量点和最大流量点，这两点之间即为泵的允许工作范围（如图六）。电机所消耗的功率与泵在这一时刻的流量成正比，当泵超出允许工作范围，即泵运行时的流量过大或过小时，电机也会出现过载或欠载，从而对电机造成损坏。在选型时，如果若向厂家提供的扬程比实际使用时的扬程大，使扬程富余太多，使得泵的工况点右移，运行流量增大，超过运行工作范围，使得电机的负荷过大，造成电机运行时的电流过大，电机容易过载而发热，严重时可烧毁电机。反之亦然。
功率监测可以针对上述情况进行报警或者联锁停机。
6 结束语
6.1 无密封离心泵需要配置防干运转的监测，同时监测装置需要设置在合适的位置。
6.2 考虑到安全防爆的要求，定子测温等需要应用到防爆型屏蔽泵中。不同类型的磁力泵应该选择不同的温度监测方式，对于金属磁力泵，采用隔离套表面温度监测方式具有一定的优势，有助于监控泵的运行状况。
6.3 在有毒有害或易燃易爆介质工况下使用时，无密封离心泵应配备泄露监测。针对屏蔽泵的工况，应将定子腔设计为耐压结构，并应保证其密封性；对于磁力泵，应优先选择采用双隔离套结构。若泵型选择为单隔离套型式，应将磁力联轴器腔体设计为耐压结构，并确保其密封性能满足要求。
6.4 为了对工频电机进行保护，应配置功率保护，以避免电机欠载或过载。
参考文献
[1]程国权，卢冰。屏蔽泵监控技术的发展及应用[J].化工设备与管道，2009:46-48
[2]李云鹤.石化用屏蔽泵使用探讨[J].中国设备工程，2010:55-58
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