低温泵的研究与应用

张文毓

中国船舶重工集团公司第七二五研究所河南洛阳 471023

摘要:随着人类的进步，来自地球深处的天然气将成为环保能源重要发展方向。近年来，随着国际油价的一路飘升，市场对液化天然气(LNG)的需求不断增加，如何泵送深冷流体，己成为国内外低温学领域研究的重要课题。从低温泵的概述、国内外低温泵的研究现状、低温泵的应用和低温泵的市场等方面对低温泵进行了综述。

关键词:低温泵;液化天然气;应用;市场

1 低温泵的概述

1.1 低温泵的定义

低温泵是利用低温表面冷凝气体的真空泵，又称冷凝泵，它已是获得清洁真空的极限压力最低、抽气速率最大的真空泵，广泛应用于半导体和集成电路的研究及生产，以及分子束研究、真空镀膜设备、真空表面分析仪器、离子注入机和空间模拟装置等方面。

按照工作原理的不同，低温泵主要分为往复式和离心式两类。典型的低温泵包括液氮冷凝泵、小型制冷机低温泵、低温分子筛吸附泵。

1.2 低温泵的特点

(1) 泵入口压力高。液化气体通常在常温、常压下为气体，只有在一定压力和低温条件下才能变成液体，如乙烯装置中，甲烷的液化条件为3 MPa-100℃;乙烯的液化条件为2MPa、-30 ℃。

(2) 汽化压力随温度剧变。低温泵输送的液化气体通常都处于饱和状态，有时有微量过冷度，这种液体的汽化压力随温度变化非常显著。

(3) 对轴封要求严格。绝大多数液化气体都具有腐蚀性和危险性，因此不允许泄漏到外界。一旦泄漏，由于液化气体的汽化吸热易造成密封部位结冰，因此输送液化气体的低温泵对轴封的要求很严格。

2 国内外低温泵的研究现状

2.1 低温泵的材料

选择能够适应低温生产条件下的材料，是保证低温泵正常运行的有力保障，可以选择奥氏体不锈钢作为与介质接触的金属材料。低温泵中的轴封处主要采用非金属材料，通常使用的是玻璃纤维、石墨和增强聚四氟乙烯。
    （1) 金属材料。用来在-162℃下处理液化天然气的材料有900镍钢、奥氏体不锈钢、铝合金、铜合金、镍合金等，见表1。

表1 泵的主要零件所采用的材料

当离心泵的操作温度低于-20℃时，称为低温离心泵。由于金属在低温时虽然强度和硬度有所提高，但塑性和韧性都会下降，而且温度更低时还要出现冲击韧性突变，这时对泵中承载零件要慎重考虑。一般在低温时都不用铸铁，当温度低于-50℃时，应选用硅、锰或铝脱氧镇静钢;温度低于-85℃时，用3.5%镍钢;温度低于-100℃时，用9%镍钢;温度低至-250℃时，要选用奥氏体不锈钢或优质铝合金、优质铜合金，这是因为这些钢在低温时不会出现冲击韧性突然下降的问题。

(2)非金属材料。低温泵用非金属材料有四氟、石墨。因为四氟容易出现所谓冷变形，所以采用加玻璃纤维、金属粉末等增强材料的四氟。用于垫圈、填料、V形环、轴衬时，必须注意由于其膨胀系数比金属材料大一个数量级，所以填料的表面压 力要减小，并要注意轴衬处间隙及配合出现的变化。浸在液体中的轴承采用石墨，滑动性和耐磨性都非常好。o形环虽然没有能在这样低的温度下使用的适当材料，但如果是在耐压下使用，可以采用氟化硅。另外，如果垫圈填料是在低压部分，通常 的石棉密封垫也可使用。

在低温时，非金属的选用也要遵循有关规定，见表2。

表2 橡胶和塑料的使用温度及性能

2.2 大流量LNG泵的密封

密封对于防比工作流体从系统中泄漏是非常必要的，密封还能防比污染物、大气、水、油等进入系统，对于保持系统的洁净也很有帮助。内部密封同样可以防比高压流体沿着非指定的小阻力流道进入低压区，所以，为了提高和保持低温制冷机的性能，低温密封至关重要。密封技术虽然不是领先技术，但往往是决定性技术。流体密封包括动密封和静密封，是机器设备的主要组成部分，是流体动力机械中不可缺少的零部件，它往往能决定机器设备的安全性、可靠性和耐久性。

常用密封方式的类型有端面开深槽流体静压型机械密封、端面开深槽热流体动力楔机械密封和干气密封等。

根据LNG泵的实际工况和输送介质的特殊性，可选用干气密封结合机械密封的组合式密封。

内侧与介质接触的密封采用普通弹簧式机械密封，并由泵的出口引用自身介质进行自冲洗，外侧机械密封采用氮气(干气)循环保护。