Density skid系统磁力泵的应用

       本文介绍了成品油管道输送过程中，Density skid中取样泵的结构特点及工作特性。根据现场长期使用经验，取样泵大多都是磁力耦合泵，因为它成功解决了泵轴封泄漏的问题,但是因成品油管道内油泥、锈渣等杂质较多,在使用磁力耦合齿轮泵时，出现了许多问题，所以在Density skid中，密度计取样泵已经由磁力耦合齿轮泵过渡到带有内循环自冷却回路磁力耦合离心泵。根据管道运行几年来积累的经验,结合实际工作案例,分析了故障发生的原因及危害,并就加强运行管理与维护提出了一些措施,比如过滤器的差压值、流量计的显示值等都可以间接判断取样泵是否正常运行，重点是加强对磁力驱动器运行温度的监控,根据监测情况,做好磁力密度计泵事前的清污维护工作,防止故障的发生,保证设备正常运行。
       中国石油兰郑长管线(兰州-郑州-长沙)和延炼西安成品油管线(延炼-临潼)输油站成品油密度检测系统,通过在线对成品油密度的测量实现了对混油界面的跟踪。密度检测系统主要由密度计和一台小功率磁力驱动离心泵(取样泵)组成,该泵选用英国HMD公司生产的小功率磁力离心泵,电机功率为1.5kW,磁力驱动器工作温度不允许超过40℃。如果密度计泵出现故障,密度计检测的油品密度将滞后,从而影响混油监测。
 
1        磁力耦合泵的结构特点
        磁力驱动是以磁力来实现力或转矩无接触传递的一种新技术。实现这一技术的装置称为磁力耦合驱动器。Density skid中取样泵磁力泵由泵、磁力传动器、电动机三部分组成。关键部件磁力传动器由外磁转子、内磁转子及不导磁的隔离套组成。当电动机带动外磁转子旋转时，磁场能穿透空气隙和非磁性物质，带动与叶轮相连的内磁转子作同步旋转，实现动力的无接触传递，将动密封转化为静密封。磁力离心泵正常工作时,由于金属隔离套处于正弦交变磁场中,该磁场不但大小变化而且方向也发生变化,因此由于这种变化可导致金属隔离套在垂直于磁力线方向的截面上感应出涡流电流。为了避免涡流热使永磁体产生退磁现象,磁力泵设计有内循环自冷却回路,泵内液体从泵的高压区经隔离套法兰盘上的导流槽进入隔离套内,经过内磁转子与隔离套之间的间隙带走热量,然后由轴的中心孔返回叶轮入口。冷却液还有一个重要的作用是对安装在磁力驱动器内的内支撑滑动轴承进行润滑和冷却,使滑动轴承在一个良好的环境下工作。冷却液流量太大,对泵效率有影响;冷却液流量太小,对磁力驱动器降温冷却不利。磁力离心泵可实现机械运行中的过载保护,当从动件负载过大或卡住时,则磁力驱动器的内外磁转子会滑脱,结束转矩的传递所发生的相对运动,从而避免了从动件在不能进行正常工作时易被损坏的危险,同时也对电机起到了保护作用。
 
2        隔离套堵塞的危害及原因分析
        由于磁力泵使用上的“一些局限性”,输油站小功率磁力密度计泵的故障主要是杂质对泵的影响,拆泵检修时发现一个共同的现象是隔离套与内磁转子之间的通道都被杂质堵塞,由于磁力密度计泵隔离套堵塞而造成的故障有:
(1)自冷却回路中断,涡流热和摩擦热积聚使磁力驱动器温度升高,超过永磁体规定的最高允许工作温度40℃,使永磁体产生退磁现象,降低磁力驱动器的传动效率,缩短磁力泵使用寿命。同时杂质也容易进入到滑动轴瓦的润滑导流槽里以及滑动轴瓦与滑动轴套的间隙内,加剧滑动轴套与滑动轴瓦之间的摩擦,从而使滑动轴承磨损加剧,甚至开裂。
(2)内磁转子旋转阻力加大,内外磁转子产生滑脱现象,从而使泵轴振动,并产生噪音;堵塞严重时,内磁转子卡死,电机空转。
(3)内磁转子圆筒外杂质层随内磁转子转动的过程中与隔离套发生剧烈的摩擦,隔离套被磨损,时间一长,甚至被磨穿。磁力驱动器转动过程中金属隔离套中产生的涡流损失Pj的计算公式为[1]:
式中　L———磁化长度,m;　
r———隔离套半径,m;　
t———隔离套壁厚,m;　
n———电机转速,r/min;　
B0———磁感应强度,T;　
γ———电导率,s/m。
       由上面公式可知,磁涡流损失的大小与隔离套的壁厚成正比,在满足隔离套强度的条件下,隔离套的壁厚越小越好。磁涡流损失与磁场旋转半径r的三次方成正比,所以结构设计时尽量减少r值。正因为这样,磁力离心泵隔离套套壁一般设计较薄,工作气隙尽量窄,再加上为了减少能量损耗,自冷却回路流量在满足冷却要求的前提下尽量减少冷却液流量,这样隔离套与内磁转子之间的单边间隙就很小,从而容易堵塞和造成内磁转子与隔离套产生摩擦。经过对输油站磁力密度计泵的测量,得知内磁转子与隔离套之间的单边间隙不足1mm,隔离套壁厚也只有2mm左右。虽然磁力密度计泵入口前装有40目滤网的过滤器,但还是有部分细小杂质经过磁力密度计泵泵腔进入到磁力驱动器内,油品中的杂质是顺着磁力密度计泵内循环冷却流道随油品流经内磁转子与隔离套之间的间隙通道的,由于这些杂质中含有铁锈粉末,在磁力作用下被吸附、黏着在内磁转子表面，由于越积越多,最终堵塞内磁转子与隔离套之间的间隙,致使内磁转子与隔离套卡住不能正常运转,或虽能运转但摩擦产生大量热量,加之内循环冷却系统流道被堵塞,热量无法被油品带走,磁力驱动器温度急剧上升,甚至超过泵磁性材料的允许工作温度。由此引发上面所列说的一些故障,使磁力密度计泵不能正常运转。但是随着Density skid的不断应用，针对现场的特点，也采取了必要的应对措施。为了保证密度计取样泵的使用寿命，经过长期的现场实践经验，我们采用篮式过滤网，网目由原来的40目增加到80目，并且过滤网内增加条形磁铁，用来除去管道中的铁屑等杂质。

3        案例分析
下面具体对两个案例进行分析。
案例一:
       例行巡检中发现取样泵前流量计过低密度计泵发出异常的噪声。维修人员对泵进行检查发现磁力驱动器表面已发烫,拆泵检查发现泵隔离套间隙内已被杂质堵塞,内磁转子无法从隔离套内拉出来解体。发现内磁转子内、外圆柱表面上吸附了大量的油泥(内含铁锈粉末),外圆柱表面上的油泥层成疏松与结实条形分隔布置,这是因为内磁转子磁路设计为间隙分散式,有磁极分布的部位容易积聚油泥并在内磁转子与隔离套的转动摩擦过程中被挤压而变得很紧密,没有磁极分布的部位油泥较疏松;内磁转子圆环内侧油泥更多且比较稀松,像“稀泥”一样,容易被甩动,这样会造成内磁转子转动不平衡。内磁转子在这种状况下转动,隔离套与杂质层会产生剧烈的摩擦与碰撞,且难以保证内磁转子动平衡,从而引发振动,并发出噪音。检修中发现碳化硅滑动轴承有细裂纹。杂质清理干净后将泵的各零部件回装,泵运行良好:振动和噪音消失,磁力驱动器的温度也回到正常值。隔离套一旦堵塞,如果堵塞物中夹杂有坚硬颗粒物,或者内磁转子与隔离套同轴度差值较大,内磁转子与隔离套之间的间隙不均匀,那么在旋转摩擦过程中还会把隔离套薄壁磨穿,引起油品泄漏,泄漏的油品会渗透到电机内,从而发生表面上看是电机漏油的“怪现象”。
案例二:
       在巡检中发现磁力驱动器温度异常,再检查泵的进出口压力和泵的三相电流值也发现情况异常,于是停泵检查。拆泵检修时发现内磁转子卡死在隔离套内,比上例中的还要紧,用热油对隔离套进行加热后才将内磁转子拉出来。拉出后同样发现内磁转子外圆筒侧上结了一层厚厚的油泥,油泥层也同样成疏松与结实条形分隔布置,发生故障时隔离套外表温度偏高,电机电流偏低,泵进出口压力与进站压力基本持平,具体数据见表1。表2为清洗完杂质后重新启动磁力密度计泵的运行参数。
       对表1和表2中的数据对比可以看出,发生故障时磁力密度计泵的三相电流值已明显下降,与泵抽空时的电流值很相近;泵的进出口压力与进站压力很接近,泵正常运转时泵的进口压力比进站压力要低0.1MPa左右(油品经过80目滤网产生压降),泵出口压力比进站压力要高0.1MPa左右。这些都说明磁力密度计泵内磁转子已被杂质卡住,内外磁转子已滑脱,叶轮已停止旋转。从站控室SCADA控制系统调出此时间段内油品密度的历史曲线,可以观察到曲线已几乎成为直线。
      当内外磁转子发生滑脱时会产生相对运动。处在交变磁场的作用下,磁力驱动器将产生涡流损耗、磁滞损耗和剩余损耗,这些损耗的大部分会转变为热能引起磁体温度急剧上升。而此时内循环冷却回路已失去作用,产生的热量无法被带走。快速升温会使内外磁转子产生退磁现象。
      由此可知,隔离套一旦发生堵塞,其危害是严重的,轻者造成永磁体工作温度升高,磁性逐渐消退,泵传动转矩减小,传动效率降低;甚至内外磁转子滑脱,泵停止工作;更严重时滑动轴承损坏,隔离套磨穿,永磁体完全失去磁性。

4        管理与维护措施
加强磁力密度计泵运行中的管理与维护,可以避免故障的发生,延长设备的使用寿命。
4.1　减少磁力密度计泵的运行时间，Density检测系统主要是用来监测混油头经过站场的具体时间,所以密度计泵只需在混油头快到站时才开启（根据计算的时间，建议在油头到达之前1-2个小时启动密度检测系统。）混油头过站<