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世界最大的塑料衬里磁力泵技术

作者:泵友圈

胜劣汰:得益于设计上的改进和对个别材料性能的针对性优化,内衬塑料的磁力驱动泵俨然发展成为昂贵特殊材质泵的替代品,并正在征服新的应用场合的挑战。例如,本报告涉及世界上最大的塑料衬里的磁性驱动泵,它允许输送高度腐蚀的介质。

无密封磁力驱动泵: 是一种在衬里材料、性能和尺寸方面被限制的产品吗?-可以反复听到的是,泵行业是一个“成熟”的行业,这通常意味着不能再期待更大的飞跃发展。事实上,泵是工业历史上最古老的机器之一。其仍然会有进步和创新的空间, 它们主要是为了提高机器的可靠性和使用寿命。

首先在生产、材料、轴承系统的液压和设计细节以及旋转部件的导向和密封等方面进行了改进。一个主要的进步是引进无密封设计(磁力驱动和屏蔽泵)。

使用其他或改进的材料一次又一次地为经过时间考验的泵设计提供了新的应用可能性。以世界上最大的塑料衬里磁力泵MNK 200-150-315为例,下面介绍了多年来在材料和材料技术方面的创新如何有助于占领新市场。

无密封泵设计发展背后的主要动力是核电站的要求和越来越严格的环境规定(德国清洁空气法、美国清洁空气和清洁水法)。

而今,在化学工业的许多应用中,无泄漏泵是强制要求的。在这种情况下,操作者只能在复杂的机械密封系统、屏蔽泵和磁力驱动泵之间进行选择。一般的共识是,复杂的机械密封系统操作起来相当复杂,屏蔽泵是只有特殊和强制要求的情况下使用,而磁力驱动泵则涵盖最广泛的需求。

泵是工业历史上最古老的机器之一。其发展主要表现在可靠性和使用寿命方面的改进和创新。例如,在生产、材料、轴承系统的设计细节、旋转部件的导向和密封等方面。

对许多操作人员来说,从技术考虑和成本(使用寿命的总成本)的角度来看,磁力泵是更好的选择。不断提高的安全标准,降低维护成本的需要以及磁力泵的高可靠性,使其成为更好的选择。这特别适用于塑料衬里的磁力驱动离心泵。

其主要应用领域是输送腐蚀性化学品和其他关键介质的精细化工和制药工业。“最佳”材料之间的竞争在这里以一种非常实用的方式解决了:这样的泵提供了一种最佳材料的组合——塑料作为过流部分的衬里材料,金属作为支撑材料,陶瓷作为平面轴承材料等。

由于这种有利的材料组合性能并不能从任何单一的材料中获得,塑料衬里泵通常比“纯”塑料泵或“纯”金属泵便宜,尤其是当他们需要非常昂贵的特殊金属制成的,此外,要比“纯”塑料泵更可靠。

塑料衬里的磁力驱动离心泵是专门为输送强腐蚀性介质而设计的,具有实际的优点,如坚固性和可靠性。所有的过流部件要么是厚的全氟烷氧氟塑料外壳--是由固体聚四氟乙烯氟塑料制成,要么是由烧结碳化硅制成。

早在1983年第一款塑料衬里的磁力泵MCK系列诞生:它后来发展成专门输送高腐蚀性介质的MNK系列 (图1)。稳健性、可靠性和不同尺寸部件之间的高度可互换性是该系列的一些具体优点。所有的过流部件要么有一个厚的全氟烷氧基(PFA)氟塑料外壳(泵壳、平面轴承座、叶轮、轴和内磁缸),要么是由固体聚四氟乙烯(PTFE)氟塑料制成(内隔离罩)或烧结碳化硅(SSiC)(滑动轴承)制成。

图 1: 塑料衬里密封磁力驱动泵在泵市场上已经找到了一个稳固和被接受的位置。他们并不是全能的,普遍输送温度在210℃以下的高腐蚀性介质,他们是重要的问题解决者。

内外磁缸之间的双隔离罩系统保证了介质的无泄漏性,氟塑料内隔离罩耐腐蚀性强,碳纤维复合材料制成的外隔离罩则承受一定的压力载荷。这一原则有以下主要优点:

  • 隔离罩系统不吸收任何额外的轴承力,它仅实现一个具有高度安全余量的压力容器的功能。

  • 隔离罩系统不脆弱,也不容易破裂 (堪比陶瓷设计)。

  • 隔离罩具有双重安全性,因为外层碳纤维隔离罩材料也非常耐腐蚀。

  • 通常金属隔离罩中存在的涡流会造成能量损失,但在这里不会存在; 而且也可以防止热量进入介质。

涡流问题通常是塑料泵使用的一个关键准则,因为涡流的功率消耗可能占金属磁力泵功率的十分之一以上。

与机械密封泵相比,MNK可靠性高、寿命周期成本低、维护费用低,因此很快被市场所接受。最初在加工化学工业(精细化学品),但后来也在制药和基础化学工业,FDA的应用,和超纯介质(半导体工业)。

图 2: MNK泵系列家族中的特殊成员

MNK最终发展成为高合金金属磁力驱动泵的替代品——尤其是它不会产生任何涡流损耗以及经济因素方面的考虑。而不同应用有时会导致产品的改进产生特殊设计系列(图2):

  • 旋涡泵MPB将较小的流量运输至较高的扬程。这些泵提供准确的叶轮/环通道间调整。

  • 涡流泵 MNK-X 具有扩充的泵腔和特殊的叶轮几何形状,当需要输送非常大颗粒或长纤维颗粒或颗粒含量高,或介质中气体含量高于 5% 体积分数时,该泵是最佳的选择。

  • 自吸泵 MNK-S 被证明在低水平位的化学容器 / 池的排放应用中是成功的,同时也适用于升高的背压。

多年来,泵的设计人员和操作人员在可用塑料方面获得了什么经验?(见图3,表1)

图 3: 磁力驱动泵的衬里材料

聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)可作为泵内衬材料,具有较低的热阻和耐化学性。聚乙烯的耐磨性比聚丙烯强得多,而聚偏氟乙烯(PVDF)的耐化学性相对较好。聚四氟乙烯(PTFE)和全氟烷氧基(PFA)具有普遍的耐化学性。这些材料也可以用添加剂制成导电材料,并且符合FDA标准。

表1: 塑料泵的材料

自1970年以来,氟塑料衬里一直被用作泵、阀门、控制阀、容器等设备中高合金金属的替代品。在相同的壁厚下,由于其微观结构,PFA通常表现出明显低于PTFE的渗透率(图4) 但它们具有相同的耐化学性和热阻。即使是纯PFA的良好阻隔作用,有时也不足以在氯或溴化合物等渗透性特别强的介质中达到满意的使用寿命。

图 4: 渗透性对比

对于化合物PFA-P(“P”代表“渗透”),一种通过热塑处理的PFA变体具有更高的渗透电阻,但具有相同的耐化学性和热阻。在实验室和现场进行的长期试验表明:在所有工作范围内,化合物PFA-P的渗透率至少降低了一半。

碳化硅(SiC)是一种被称为工程陶瓷的材料,因其硬度和耐温性而成为泵滑动轴承的重要材料。由碳化硅制成的轴套,顾名思义,用于保护旋转轴免受化学物质的侵蚀。烧结碳化硅(SSiC)具有极高的硬度和全面耐化学性。

在这里,这句话也适用:完美是优秀的敌人:对于带有传统无涂层的SSiC滑动轴承的磁力驱动泵而言,任何干运行都是不可以接受的。即使在没有介质的情况下检查转动方向,也可能导致轴承温度突然升高到几百摄氏度,并导致泵的损坏。

SAFEGLIDE®Plus轴承要稳定得多:它们额外拥有一层只有几微米厚的无定形碳层,呈现出钻石般的微观结构。涂层性能表现为:

  • 无定形,各向同性,良好的粘附性

  • 高硬度 (HV0.05 = 4000 至 6000)

  • 良好的弹性

  • 高耐磨性

  • 最佳表面质量

  • 导热性好

  • 热阻高达 300°C

  • 通用耐化学属性,不被化学物质腐蚀

SAFEGLIDE®Plus降低了滑动轴承的摩擦系数,从而使滑动轴承的摩擦和温升降至最低。由于这种效果,由于短暂干运行而导致的泵损坏可以避免。

Richter的磁力泵采用了一种无金属的双隔离罩系统(内隔离罩由耐腐蚀的塑料,外隔离罩由碳纤维增强塑料制成,可吸收压力)。碳纤维增强塑料(CFRP)是指将碳纤维嵌入塑料人造树脂基体中进行增强的纤维塑料复合材料。这些泵中使用的CFRP隔离罩(图5)的特点是,旋转磁铁不会在无金属隔离罩中产生任何涡流,因此不会产生任何热量。

图 5: CFRP制成的外隔离罩

所以,没有驱动能量会被将热量引入介质而浪费。驱动功率比金属隔离罩高15 - 20%。举例来说,在三班倒作业中使用50-32-160尺寸,每年可以节省1000多欧元的能源成本。而另一个优点则是,即使温度接近气化点的介质也可以安全地输送。

图 6:永磁体的能量密度

外磁缸在双隔离罩外面运转,该隔离罩代表介质与周围区域之间的屏障,内磁缸在双隔离罩内部旋转。具有最大能量密度的永磁体作为材料(图6、图7),如钕钴磁体(NdFeB)和钐钴磁体(SmCo)。SmCo磁铁属于稀土类。他们提供了一个高的能量密度,同时,一个非常高的强制性场强Hc。

图 7: 永磁体的居里温度(工作温度极限)

Hc是一种测量磁铁保持磁性的指标。这使得磁铁系统的设计可以小型化,并可在高达+300°C的高温和强大的反向磁场中使用。钕铁硼由于稀土元素钕与铁的结合而具有优异的性能。目前,钕铁硼磁体广泛应用于需要强磁场且体积小的场合。

MNK泵的多年经验和专业知识使其发展为世界上最大的塑料衬里磁力驱动离心泵:MNK 200-150-315(图9和图10)。它是一个符合EN 22858 / ISO 2858 / ISO 5199(图8) 设计的卧式、单级、无密封、重载型化工离心泵。

图9: MNK 200-150-315性能曲线

图 10: The MNK 200-150-315与 MNK 25-25-125.的尺寸对比

图8:MNK200-150-315剖视图

因此,泵适合使用在许多应用中,例如电解氯(阳极液和阴极电解液、沉淀和清洗盐水,漂白溶液),生产及处理硫酸,同样适合世界级规模的工厂和大型多用途设备。根据获得的经验,对泵的设计进行了优化,以适应这种泵尺寸的特殊需要。

MNK 200-150-315可用于流量最大至Q 600 m³/ h, 扬程最高至h 60 m LC,额定操作压力至PN 25。根据需要的流量,它可以在750到2000 rpm之间运行。工作温度在-60到+150°C之间。

采用流量优化的闭式PFA叶轮,效率高,汽蚀余量低。聚四氟乙烯外壳衬里(可选:PE-UHMW)的壁厚d在12至20毫米之间。球墨铸铁EN-JS 1049壳体承受系统压力。泵壳排水孔是标准配置,保温夹套是可选的。

“SAFEGLIDE®Plus”防止在短暂的干运转情况下的损坏。高性能永磁体的额定扭矩至800Nm,在1450转/分和2000转/分时的功率分别为120kw和165kw。具体这等性能的MNK 200-150-315,是基础化工行业用户的一种选择,可以替代目前主要使用的机械密封泵或特殊金属制成的金属磁力驱动泵。

对用户而言有趣的是,当遇到一个高度腐蚀性的介质,曾经只有由哈氏合金,钛,钽,镍,Alloy20或陶瓷材料制成的泵被考虑使用,但是这些特殊合金材料泵的成本都非常高。

塑料衬里的磁力驱动离心泵是基础化工行业用户替代机械密封或特殊金属制成的金属磁力驱动泵的一种选择。在这种情况下,考虑到高度腐蚀的介质,以前只考虑由哈氏合金、钛、钽、镍、Alloy20或陶瓷材料制成的泵。


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