用复合耐磨组件提升泵的性能

离心泵在旋转和固定部件之间会有多个接触点。大多数泵在设计时都会考虑在磨损环、级间环、节流衬套、中间衬套、立式泵轴承、喉部衬套等的接触部位采用可更换磨损组件。过去，旋转和固定部件一般都会采用金属。

 

尽可能降低泵被卡住的风险

 

金属旋转和固定部件存在磨损或泵被卡住的风险。磨损会导致泵在车间装配、对准或泵在现场缓慢转动时发生粘滞，需要将泵送回车间进行拆卸、清理、重新组装，并返回现场，从而造成昂贵的延误。如果泵在全速运行期间因干燥运行、流量低、阀门故障、轴承故障、轴断裂或其它非计划故障而卡住，焊接在一起的金属部件通常会致使泵突然停止，以致产生严重损坏，并带来安全和环保隐患。

 

消除泵的金属—金属接触部件

 

从最基本的范畴来看，用复合材料替代泵组件是因为复合材料与金属材料成分完全不同，金属-复合材料接触不会产生金属-金属接触带来的卡顿。

 

所以，用复合材料升级泵的第一个目标是消除泵的金属-金属接触点。在采用Vespel®CR-6100时，旋转部件一般依然采用金属件，固定件采用Vespel®CR-6100。通过这种简单的改变，泵的接触点就变为金属与复合材料的接触，卡顿的风险得到了尽可能的降低。

 

减少间隙——洛马金效应

 

尽可能减少泵内卡住的风险，为减少泵内磨损部件的间隙做好准备。由于一种被称为“洛马金效应”的现象的存在，减小间隙可以显著提高泵的可靠性。

 

磨损环充当轴承

 

在泵运行期间，因泵中磨损部件（磨损环、节流衬套）存在压差而使流体通过所产生的一种作用力被称为“洛马金效应”。这种力是由于转子偏心转动期间，因组件周围的压力分布不均而产生。此力抵消了泵的轴偏转。

 

下图显示了轴偏转产生这种作用力的机理。当进入转子和磨损部件之间的间隙时，流体从高压端进入低压端时加速。由于转子偏心，磨损部件一侧的间隙大于另一侧。在间隙较大的磨损环一侧流过的流量较多、局部速度较高；在间隙较小的磨损环一侧则流速较低。较高的速度产生较低的压力，较低的速度会导致压力较大，从而产生一个作用于轴偏转相反方向的净校正力。

 

图1：洛马金效应

 

换言之，当泵发生轴偏转时，会产生一个液压“刚度”（洛马金刚度），以抵消轴的偏转。

 

与API推荐的金属磨损件最小间隙相比，使用Vespel®CR-6100时，通常可以将泵磨损环处的间隙减少50%。洛马金刚度与间隙成反比。因此，间隙减少50%，该作用力就加倍。

 

给泵带来的潜在优势包括：

 

•降低轴的偏转

 

•减少振动水平

 

•减少机械密封泄漏

 

•延长轴承寿命

 

哪种泵受益？

 

洛马金效应通常有利于所有离心泵，但某些类型的泵在间隙减小时，通常会表现出显著的减振、可靠性改进：

 

•多级卧式泵

 

•具有细长轴的老式悬臂泵（大长径比）

 

•悬臂式两级泵

 

结论

 

减少磨损部件处的间隙可能大幅提升泵的可靠性。间隙减小增加了洛马克效应，进而改善了泵转子的稳定性。最终，降低了泵的振动、减少了密封泄漏、延长了轴承的寿命。

 

减少间隙，提高泵的效率

 

据一家大型离心泵OEM介绍，能耗占离心泵全寿命周期成本的44%。通过将磨损部件升级为复合材料（如Vespel®CR-6100）和减少泵内间隙，有望降低这一成本。

 

需要减小间隙的特定组件是泵的耐磨环、级间环、中央级衬套和节流衬套。这些部件构成泵内高压和低压区域间的屏障，它们之间的压差导致流体在泵内再循环，造成泵效率损失。

 

通过磨损环的渗漏（QL）导致效率损失

 

当将这些组件升级到Vespel®CR-6100时，间隙通常可以比API推荐的金属零件最小间隙低50%。如果将间隙缩小50%，则内部再循环也将下降约50%，从而显著改善效率。

 

哪种泵收益最大？

 

如果只考虑效率改善，卧式多级泵因升级采用Vespel®CR-6100而致间隙减小，所带来的投资回报率最高。这些泵在耐磨环、级间环、中心衬套和节流衬套之间有多条泄漏路径。因为有许多级，这些泵通常能耗较大。以下案例中，流程工厂降低了多级卧式泵的运行成本：

 

•一个电站为一台3MW锅炉给水泵进行升级，配备了Vespel®CR-6100和Boulden PERFSeal™设计，并减少了间隙。与新改造的间隙不变的泵相比，效率提高了7%。

 

•一家炼油厂使用Vespel®CR-6100和Boulden PERFSeal™设计对加氢裂化器进料泵进行了升级，并减少了间隙，加氢裂化器的产量因此增加了4%，效益非常明显。

 

•一家石油开采及管道运输公司使用Vespel®CR-6100对其液化石油气运输泵进行了升级，并减少了隙，效率提高了4%。

 

另一个需要考虑的领域是工艺泵，其尺寸稍小，需要并联泵运行以达到100%的目标工艺速率。有时，一个简单的修整，如减少磨损环间隙，就可以回到只需一只泵，以及另一只完全处于备用状态的泵的运行状态。

 

PERF-Seal™

 

为了进一步增强因间隙减小而带来的优势，可以使用Boulden PERFSeal™设计对组件进行修正。内部测试表明，除了因间隙减小带来的收益外，PERFSeal™进一步降低了节流衬套、中央级衬套和耐磨环之间的流量。

 

结论

 

去除泵中金属与金属接触的表面并使用Vespel^®CR-6100作为固定磨损部件，可以减小间隙，进而提高泵的效率，降低泵的运行成本。许多领域的实例显示，经过这一简单的升级，客户即可节省数万美元/年的泵运行成本。

 

什么是Vespel^®CR-6100?

 

DuPont™Vespel^®CR-6100是一种由Teflon®PFA和碳纤维制成的复合材料。由于DuPont™Vespel^®CR-6100具有优异的尺寸稳定性、耐化学腐蚀性、工作温度范围宽，可替代金属、碳、青铜和其它复合材料，用于泵的耐磨环、立式泵轴承、喉部衬套、节流衬套和离心泵用的类似磨损部件。

 

Vespel^®CR-6100是旋转设备磨损部件的理想选择，以下列出了其部分特性：

 

•工作温度范围介于低温至500F°（260℃）之间；

 

•（x-y轴平面内）的热膨胀系数低于碳钢；

 

•几乎耐受所有化学品；

 

•容易机加工及安装；

 

•有现货可供。

 

使用Dupont™Vespel^®CR-6100的优势

 

使用Vespel^®CR-6100制成的耐磨部件可以减少间隙，使得泵的运行更容易、可靠、高效。

 

•维修成本降低——避免泵卡住

 

•操作简单——避免干燥状态下工作

 

•振动降低——增加了泵的洛马金效应

 

•运行成本降低——泵效率上升

 

•可靠性提高——密封和轴承寿命延长

 

Dupont™Vespel®CR-6100的特性

 

Vespel^®CR-6100可作为泵耐磨组件理想材料的关键特征

 

耐化学品范围广碳氢化合物、芳烃、酸、胺、锅炉给水和许多其它化学品

 

工作温度范围广低温（-300F°/-200℃）～500F°/260℃

 

热膨胀系数低3.1X10-6(in/in•F)5.6X10-6(m/m•℃)

 

吸湿性低重量的0.01%

 

什么类型的部件可采用Vespel^®CR-6100?

 

Vespel^®CR-6100可以用于各种旋转设备的耐磨部件，并且很容易加工成几乎所有形状，且公差紧。如：节流衬套、立式泵轴承、喉部衬套、搅拌器轴承、API分离器轴承、齿轮泵轴承、离心压缩机迷宫式密封、PERF-Seal™组件、往复式压缩机阀板、耐磨环。

 

Vespel^®CR-6100部件可以解决什么问题？

 

Vespel^®CR-6100部件可以帮助解决许多问题。现场研究表明，用Vespel^®CR-6100替换金属磨损部件并减小间隙后，可以使“表现不好”的泵的寿命延长一倍。Vespel^®CR-6100部件有助于解决的一些问题包括：

 

•泵被卡住

 

•泵低效

 

•泵发生气蚀

 

•泵振动

 

•干燥运行