水環(huán)式真空泵在氧氣充瓶中應用實踐

周金城

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司 氣體銷售分公司，安徽 馬鞍山 湖南西路 8號 243011)

1 前 言

通過在氧氣充瓶系統(tǒng)中設(shè)置真空泵，對氧氣氣瓶進行抽真空處理，將氧氣氣瓶中混入的可燃性氣體、空氣及其它雜質(zhì)氣體抽出瓶體，保證氧氣充瓶時設(shè)備運行安全，提高氧氣瓶中氧氣純度。

馬鞍山鋼鐵股份有限公司(以下簡稱：馬鋼)氣體分公司在2015年對氧氣充瓶系統(tǒng)進行全面技術(shù)改造時，借鑒安徽省內(nèi)氧氣充裝企業(yè)使用真空泵經(jīng)驗，為氧氣充瓶系統(tǒng)配備1臺防爆型雙級旋片式真空泵，對氧氣氣瓶進行抽真空處理。

該臺雙級旋片式真空泵是以潤滑油作為工作液，在其運行進行抽真空作業(yè)時，真空泵工作腔中潤滑油蒸氣與抽出氧氣瓶的廢氣在氧氣充瓶作業(yè)區(qū)域排放，降低氧氣充瓶作業(yè)安全系數(shù)。同時，在2016年4月，因進行抽真空作業(yè)的氧氣瓶瓶閥接頭螺紋磨損，存在通大氣現(xiàn)象，造成旋片式真空泵工作腔中潤滑油進入氧氣充裝匯流排、連接軟管、充裝夾具與閥門中，嚴重威脅馬鋼氣體分公司氧氣充瓶系統(tǒng)安全運行。為此，氣體分公司將水環(huán)式真空泵應用在氧氣充瓶系統(tǒng)中，保證氧氣充瓶作業(yè)設(shè)備運行安全。

2 水環(huán)式真空泵分析

2.1 水環(huán)式真空泵工作機理及特點

水環(huán)式真空泵以水作為工作液。在啟動水環(huán)式真空泵時，向泵腔中注入一定高度的水作為工作液，工作輪旋轉(zhuǎn)，水因離心力作用在泵體內(nèi)壁形成一個旋轉(zhuǎn)的封閉水環(huán)，水環(huán)上部內(nèi)表面與輪轂相切，水環(huán)下部內(nèi)表面與葉片頂端接觸。在此狀態(tài)中，葉輪輪轂與水環(huán)之間形成一個月牙形空間，月牙形空間被葉輪分成與葉片數(shù)目相等的若干個小腔。以葉輪上部0°為起點，葉輪在旋轉(zhuǎn)前180°時小腔的容積由小變大，與端蓋中吸氣口相通，其空間內(nèi)氣體壓力降低，此時氣體吸入，在吸氣終點小腔與吸氣口隔絕。在葉輪從180°～360°旋轉(zhuǎn)過程中，水環(huán)內(nèi)表面逐步與輪轂接近，小腔容積由大變小，其空間內(nèi)氣體壓力升至大于排氣口壓力，在小腔與排氣口相通時，氣體被排出。葉輪每旋轉(zhuǎn)一周，葉片間的空間(小腔)吸排氣一次，若干小腔連續(xù)工作，重復進行，使泵體不間斷的抽吸、壓縮氣體，達到對氧氣瓶抽真空目的。

水環(huán)式真空泵對氧氣瓶進行抽真空作業(yè)時，氧氣瓶中殘存氣體與水接觸，泵腔內(nèi)無金屬摩擦面，無需對泵腔進行潤滑。水環(huán)式真空泵轉(zhuǎn)動件與固定件密封均由水封實現(xiàn)，泵腔內(nèi)無需使用潤滑油密封與潤滑，徹底避免氧氣與潤滑油接觸，同時不使?jié)櫥驼魵鈱Τ檎婵兆鳂I(yè)設(shè)備污染，從根本上杜絕氧氣瓶因可燃性氣體、潤滑油混入發(fā)生爆炸的可能性。

同時，因水環(huán)式真空泵對抽吸氣體進行壓縮方式是等溫壓縮，水環(huán)式真空泵可以抽除氧氣瓶中混入的固體塵埃氣體、可凝性氣體與氣水混合物，水環(huán)式真空泵對氧氣氣瓶抽真空綜合作業(yè)效率高。

2.2 影響水環(huán)式真空泵安全運行主要因素

因水環(huán)式真空泵工作機理與設(shè)備結(jié)構(gòu)特點，影響水環(huán)式真空泵安全運行主要因素是工作液(水)溫度、液位、清潔度。

2.2.1溫度影響

高溫影響：水環(huán)式真空泵是以水作為工作液，工作液(水)溫度高，水環(huán)式真空泵吸入?yún)^(qū)域工作液(水)飽和蒸氣壓高，接近沸騰狀態(tài)，吸入?yún)^(qū)域的工作液表面產(chǎn)生氣泡，使工作液(水)在泵腔內(nèi)產(chǎn)生的水蒸氣占據(jù)較小部分工作腔空間，真空泵對外抽氣性能降低。在吸入?yún)^(qū)域工作液(水)壓力達到其飽和蒸氣壓時，泵腔中為氣液混合狀態(tài)，水環(huán)式真空泵產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，使水環(huán)式真空泵抽氣流量減至0 m3/min，泵體損壞。

低溫影響：在冬季低溫環(huán)境，工作液(水)溫度不大于0℃時，水環(huán)式真空泵吸入?yún)^(qū)域工作液(水)發(fā)生凍結(jié)現(xiàn)象，固體冰塊或冰粒瓶撞擊高速旋轉(zhuǎn)工作輪葉片，造成水環(huán)式真空泵工作輪損壞。

2.2.2液位影響

低液位影響：水環(huán)式真空泵工作液(水)液位低，使葉輪轉(zhuǎn)動形成的水環(huán)效果不佳，未能形成完全密封，吸氣效率降低，氣瓶真空度低。同時，水環(huán)式真空泵工作液(水)液位低，水環(huán)式真空泵密封水流量低，泵體機械密封冷卻、潤滑效果低，使泵體機械密封磨損。

高液位影響：水環(huán)式真空泵工作液(水)液位高，真空泵泵腔中水環(huán)厚度增加，真空泵葉輪葉片浸入水環(huán)長度增加，導致葉輪轉(zhuǎn)動阻力增大，真空泵效率下降，拖動電機電流升高，使電機過流真空泵跳機。同時，水環(huán)式真空泵工作液(水)液位高，泵腔中進水流量高，泵體機械密封因水流沖擊力大，泵體機械密封處密封水產(chǎn)生泄漏，真空泵密封效果降低。

2.2.3清潔度影響

水環(huán)式真空泵工作液(水)清潔度降低，泵腔入水管道堵塞、工作輪葉片結(jié)垢，使水環(huán)式真空泵性能曲線偏移，抽氣流量降低，電機電流升高，設(shè)備運行能耗增大、使用周期縮短。同時，密封水清潔度低，泵體機械密封銹蝕，真空泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)卡阻，使水環(huán)式真空泵啟動失敗、設(shè)備損壞。

3 水環(huán)式真空泵應用

3.1 水環(huán)式真空泵選型

根據(jù)水環(huán)式真空泵設(shè)備技術(shù)特點與馬鋼氣體分公司氧氣充瓶系統(tǒng)實際狀況，分階段對水環(huán)式真空泵應用在氧氣充瓶系統(tǒng)中進行技術(shù)攻關(guān)。

首先，制定氧氣充瓶系統(tǒng)應用水環(huán)式真空泵的設(shè)備選型技術(shù)方案。根據(jù)氣體分公司氧氣充瓶系統(tǒng)設(shè)備安全運行具體要求、國內(nèi)氣體充裝行業(yè)水環(huán)式真空泵使用情況調(diào)研、水環(huán)式真空泵設(shè)計制造廠狀況了解，確定為氣體分公司氧氣充瓶系統(tǒng)配備的水環(huán)式真空泵型號為SK-1型，該型水環(huán)式真空泵采用單級吸氣工作方式。

根據(jù)安徽省安全監(jiān)督部門對氧氣氣瓶充裝設(shè)備現(xiàn)場設(shè)置具體安全要求，將水環(huán)式真空泵設(shè)計為一體式，即水環(huán)式真空泵泵體、工作液水箱、拖動電機、相關(guān)管道均設(shè)置在一臺碳鋼材料制造的工作箱內(nèi)，使水環(huán)式真空泵與氧氣充瓶系統(tǒng)設(shè)備隔離，在水環(huán)式真空泵運行時，保證氧氣充瓶系統(tǒng)設(shè)備運行安全。通過水環(huán)式真空泵泵體出口排放的水蒸氣冷卻作用，降低水環(huán)式真空泵拖動電機運行溫度。同時，將水環(huán)式真空泵拖動電機及其它全部電氣設(shè)備均設(shè)計為防爆型。

根據(jù)制定的水環(huán)式真空泵選型技術(shù)方案，馬鋼委托相關(guān)制造廠定制1臺抽氣速率1 m3/min、極限真空-0.093 MPa、轉(zhuǎn)速2800 r/min、功率3 kW的水環(huán)式真空泵。

根據(jù)氣體分公司氧氣充瓶系統(tǒng)安全運行要求，為氧氣瓶抽真空作業(yè)單設(shè)1組抽真空匯流排。

3.2 水環(huán)式真空泵安裝調(diào)試

根據(jù)氧氣氣瓶充裝國家安全規(guī)范要求，將水環(huán)式真空泵安裝在氧氣充裝匯流排防爆墻外面。同時，根據(jù)SK-1型水環(huán)式真空泵設(shè)備結(jié)構(gòu)特點，水環(huán)式真空泵不再配備外置型式的循環(huán)水水箱，使用水環(huán)式真空泵工作箱中配備的內(nèi)置型式水箱，內(nèi)置水箱選用氣體分公司生產(chǎn)的蒸餾水為工作液(水)。

水環(huán)式真空泵設(shè)備安裝時，首先使用丙酮清洗工作液水箱、管道、閥門與抽真空匯流排，而后使用蒸餾水沖洗工作液水箱、水管，消除設(shè)備制造可能殘留的油脂、固體雜質(zhì)。

水環(huán)式真空泵調(diào)試時，同時對1組抽真空匯流排中6只氧氣瓶進行抽真空作業(yè)，6只氧氣瓶真空度全部同步降至-0.1 MPa時間不大于6 min。1組氧氣充裝匯流排中30只氧氣瓶完成抽真空作業(yè)時間不大于27 min，水環(huán)式真空泵作業(yè)效率高。

在水環(huán)式真空泵調(diào)試期間，為氣體分公司食品添加劑(氮氣)項目外審瓶裝氮氣的氮氣瓶進行抽真空作業(yè)，在氮氣充瓶作業(yè)完成后，經(jīng)化驗員對其露點進行化驗分析，瓶裝氮氣露點均不大于-64.2℃。水環(huán)式真空泵抽真空時氣瓶露點效果較好，較大幅度縮短氣瓶干燥裝置作業(yè)時間。

在2017年1月29日，水環(huán)式真空泵調(diào)試結(jié)束，投入生產(chǎn)至今，設(shè)備運行穩(wěn)定，僅需定期補充蒸餾水。

3.3 水環(huán)式真空泵操作維護注意事項

3.3.1啟動前檢查

微開水環(huán)式真空泵液位閥，確認液位閥有少量水排出，水環(huán)式真空泵內(nèi)置水箱工作液(水)位達到正常生產(chǎn)要求。微開水環(huán)式真空泵排污閥，確認排污閥排出工作液(水)潔凈、無色、無固體顆粒物。

冬季低溫環(huán)境，水環(huán)式真空泵啟動前，必須開大水環(huán)式真空泵排污閥，有連續(xù)、較大流量工作液(水)排出時，方可以啟動水環(huán)式真空泵。

開啟抽真空氣瓶瓶閥，檢查氣瓶壓力，確認抽真空氣瓶無高壓氣體存在，方能啟動水環(huán)式真空泵。如抽真空氣瓶壓力高，必須將氣瓶內(nèi)氣體排放，在壓力降至小于0.1 MPa時，氣瓶方能進行抽真空作業(yè)。

3.3.2啟動運行操作

水環(huán)式真空泵啟動時：嚴禁抽真空匯流排中各組抽真空軟管、截止閥及氣瓶瓶閥有連通大氣現(xiàn)象。同時，檢查水環(huán)式真空泵設(shè)備本體變化，如水環(huán)式真空泵有空氣倒吸、工作液(水)外漏、異常聲音時，停運真空泵檢查分析原因。

冬季低溫環(huán)境，工作液(水)溫度低于0℃時，嚴禁啟動水環(huán)式真空泵。

水環(huán)式真空泵運行時嚴禁對抽真空作業(yè)氣瓶進行切換、倒瓶操作。嚴禁對水環(huán)式真空泵水箱補充工作液(水)，避免水環(huán)式真空泵電機電流高。嚴禁開啟水環(huán)式真空泵排污閥、液位閥，避免水環(huán)式真空泵泵體振動大。同時，觀察抽真空匯流排真空壓力表數(shù)值變化，如真空壓力表數(shù)值長時間未有明顯變化時，停運真空泵檢查分析原因。

夏季高溫環(huán)境，大氣溫度高于35℃時，嚴禁水環(huán)式真空泵連續(xù)運行時間高于5 h，必須間斷停運20 min，降低工作液(水)溫度，避免水環(huán)式真空泵工作液(水)溫度高。

3.3.3停機后操作維護

水環(huán)式真空泵停機后，開啟水環(huán)式真空泵排污閥，再次檢查排污閥排放工作液(水)清潔度。同時，開啟水環(huán)式真空泵液位閥，檢查水環(huán)式真空泵工作液(水)位降幅。

水環(huán)式真空泵處于停機狀態(tài)時，對內(nèi)置水箱中工作液(水)定期進行補充、置換。水環(huán)式真空泵正常運行至1個月時，開啟水環(huán)式真空泵排污閥、進水閥，對水環(huán)式真空泵工作液(水)進行排放、置換、補充1/3蒸餾水。水環(huán)式真空泵正常運行至半年時，對水環(huán)式真空泵工作液(水)排放、置換、補充1/2蒸餾水。水環(huán)式真空泵正常運行至1 a時，將水環(huán)式真空泵內(nèi)置水箱中全部工作液(水)排放、置換蒸餾水。

冬季低溫環(huán)境水環(huán)式真空泵長期停機必須開啟真空泵排污閥，將水環(huán)式真空泵內(nèi)置水箱中工作液(水)排凈，避免泵體、內(nèi)置水箱、管道、閥門凍裂。

4 結(jié)束語

目前，國家氧氣安全生產(chǎn)標準中對氧氣充瓶生產(chǎn)使用的真空泵未有明確的規(guī)范，氧氣氣瓶進行抽真空作業(yè)無專用型號的真空泵，其種類、規(guī)格不一。馬鋼氣體分公司根據(jù)氧氣充瓶設(shè)備實際狀況，在氧氣充瓶系統(tǒng)中應用水環(huán)式真空泵，從根本上消除氧氣充瓶系統(tǒng)安全運行隱患，同時為國內(nèi)氧氣充裝企業(yè)安全生產(chǎn)提供一種借鑒方法。