磁力驱动离心泵隔离套的设计y

收稿日期: 2005- 02- 01基金项目: 发展计划委员会高技术产业化推进项目( [ 2002- 2265] )磁力驱动离心泵隔离套的设计刘芳 , 任振林(甘肃省科学院 磁性器件研究所, 甘肃 兰州730000)摘要: 介绍了在不同的运行工况下磁力驱动离心泵隔离套的结构设计、材料选择, 并给出了隔离套的设计计算公式及加工工艺。关键词: 磁力驱动离心泵; 隔离套; 结构设计中图分类号: TH311 文献标识码: A 文章编号: 1004-0366( 2005) 02-0114-03TheDesignof theContainmentShell of MagneticDrivePumpLIU Fang, REN Zhen-lin(Institute of MagneticAppliances , GansuAcademyof Sciences , Lanzhou730000, China)Abstract : T he coustruction of the containment shell of the magnetic drive pump and its wall thickness weredesigned and materials selected。

The difficult problems met in the process of design were solved。 Now thedesign is more optimized; the allowable transshape and the wall thickness of the shell have been ascertained bytests。Keywords: magnetic drive pump; containment shell; construction design随着磁力驱动离心泵在石油化工、军工、医药等领域的广泛使用, 它的效率和安全可靠性越来越受到关注, 而隔离套的结构和材质是影响效率和安全可靠性的重要因素之一, 因此设计出一个结构合理,选材准确的隔离套是磁力驱动离心泵设计的关键技术问题。 由于金属隔离套应用较广泛, 所以下面主要以金属隔离套为主论述它的设计过程。1隔离套的结构设计及选材1。 1隔离套的结构设计磁力驱动离心泵的结构见文献[ 1], 隔离套位于内、外磁转子之间, 当内、外磁转子相对于隔离套转动时,隔离套就处于近乎正弦变化的交变磁场中取名, 产生磁涡流热, 同时密封输送介质具有压力, 因此隔离套在结构上应满足既要有足够的强度又要减薄壁厚以降低涡流热, 图 1 所示为隔离套的 3 种形式, 图中( a) 为平底式隔离套, 用在压力较低的泵中; ( b) 为轴承座式隔离套, 其中分为内凸和外凸两种结构, 主要用在低压小功率的泵中; ( c) 为底部呈蘑菇状的隔离套, 用在高压磁力驱动离心泵中。

隔离套在结构设计上应注意以下 3 点, 首先是法兰与筒壁、底部与筒壁由厚向薄的过渡, 为了避免在此处形成应力集中, 在设计隔离套时此处以圆弧过渡, 并调节相关尺寸, 尽可能加大圆弧以增加结构强度; 其次是金属隔离套在交变磁场中工作, 隔离套壁厚中所产生磁涡流热使套壁的温度急剧上升, 严重时热量会导致磁转子退磁使泵不能正常运行, 因此在设计隔离套结构时一方面尽可能减薄壁厚借以减少磁涡流热的产生,另一方面隔离套要有足够的壁厚抗压, 且内表面介质流动通畅, 将产生的热量由流动的介质带走。 所以隔离套内表面要求光洁度很高, 各弯道处圆滑过渡,形成理想的流线型结构; 第 3 是为了冷却隔离套, 一般在泵的高压区引介质到隔离套内, 带走隔离套上产生的磁涡流热和摩擦及碰撞产生的发热; 若散热不及时温度升高, 加速了隔离套内介质的汽化, 使内磁转子与隔离套的间隙及隔离套底部易形成汽液混合物, 由于隔离套内表面处压力高, 轴线中心处压力低, 汽液混合物形成了压力梯度, 所以会产生汽蚀现第 17 卷第 2 期2005 年 6 月甘肃 科学 学 报Journal of Gansu Sciences Vol。

17 No。 2Jun。 2005图 1 隔离套结构形式象, 汽蚀严重时隔离套底部中心或底部边缘处易被穿孔。 为了防止隔离套内产生汽蚀, 设计必要的导流槽, 使隔离套内特别在底部具有一定的压力; 内磁转子与隔离套之间工作间隙的大小要合适, 除一些特殊情况外, 其工作间隙的截面积应是导流孔截面积的 7 倍以上。1。 2隔离套的选材通常情况下, 对隔离套的材质提出以下要求:( 1) 非导磁性, 高阻值材料[ 2]。 因为不导磁才能传动转矩, 高阻值则磁涡流损失小, 效率高。( 2) 足够的强度和韧性, 为保证磁场间隙, 隔离套壁厚要求以薄为好, 但同时要承受压力, 所以隔离套材质要有足够的强度和韧性。( 3) 耐冲刷、耐腐蚀, 由于受隔离套内的内磁转子旋转的作用, 输送介质具有一定的线速度, 从而产生圆周力和切线力, 对隔离套内表面进行冲刷和冲击, 加速材料的摩擦、磨损和性能衰减。 同时, 在介质运动的过程中, 还会出现其他一些如电化学腐蚀、晶间腐蚀、氧化腐蚀等腐蚀问题。 所以在材料选择中应注意材料的耐冲刷和腐蚀问题。为了满足以上要求, 隔离套的材质可选为金属材 料 和 非 金 属 材 料: 常 用 的 金 属 材 料 有1Cr18Ni9Ti、哈氏合金、316 不锈钢、钛合金等。

金属材料工艺性能好、强度高、壁厚薄, 但不能适用于强腐蚀性介质, 工作时存在涡流损失等问题。 非金属材料有陶瓷、碳素纤维、工程塑料( 聚丙烯, 聚四氟乙烯, 聚偏二氟乙烯) ,陶瓷材料完全消除涡流损失磁力驱动离心泵 英文名, 几乎适用于所有的腐蚀性介质和高温与耐磨场合, 但其工艺性能较差, 由于受强度限制壁厚较大。 塑料类价格低廉, 工艺性能好, 无涡流损失, 但耐温性能差,对输送的介质有选择性, 强度低, 壁厚厚。2隔离套的设计计算及加工工艺2。 1隔离套设计计算( 1) 壁厚的设计计算[ 3] 隔离套是内压薄壁容器, 壁厚  t 计算公式为: t =PD n2[  b ] - P+ C,式中: P 设计压力( MPa); D n 隔离套内径( mm) ; [  b ]许用应力( MPa) ; 焊接系数, 根据受压部分的焊缝位置和无损探伤检验的要求选取, 双面焊或相当于双面焊的全焊透对接焊缝: 100%无损探伤 = 1。 00局部无损探伤 = 0。 85; 单面焊的对接焊缝, 沿焊缝根部全长具有紧贴基本金属垫板: 100%无损探伤 = 0。 9 局部无损探伤 = 0。 8; C 厚度附加量, 根据材料的厚度偏差和腐蚀裕量选取。

( 2) 法兰壁厚  F 计算[ 4] F = D FK?P[  b ]?!( mm) ,式中: D F 法兰内径( mm) ; K 平板系数, 一般选 0。 3;P 轴向 载荷( MPa) ; !焊接系数; [  b ] 许用应 力( MPa);[ b] = b/ ns ,其中:  b 强度极限( MPa); n s 安全系数 。( 3) 底厚设计计算[ 5] 隔离套底厚  的计算为:= 0。 5D( P/ [  b ] )1/ 2 ,式中: P 设计压力 ( MPa) ; D 隔离套内径( mm) ; [  b ]许用应力( MPa)。( 4) 螺栓强度计算[ 6]  螺栓轴向受力计算 。螺栓受力与轴线平行, 由于螺栓均布各螺栓受力均相等。115第 17 卷刘芳等: 磁力驱动离心泵隔离套的设计F=PZ( MPa) ,式中: P 轴向总载荷( MPa); Z 螺杆数量; 单个螺杆受力( MPa)。 螺栓最小直径 d 1d 1 ≥4×1。 3Q P∀[ ]( mm) ,式中: Q P 预紧力( MPa); [ ] 螺栓材料的许用应力( MPa) ; [ ] = Sn s , s 材料的屈服极限( MPa); n s 安全系数。

预紧力 Q PQ P = Q′P +C LC L + C F F( MPa) ,式中: F 螺栓轴向受力( MPa) ; C F 联接件刚度; C L 螺栓刚度;C LC L + C F相对刚度, 取值与螺栓和被联接件的结构尺寸、材料以及垫片、工作载荷的作用位置等因素有关, 其值在 0～1 之间变动。 Q′ P 剩余预紧力( MPa) , 分 3 种状态分析计算: 首先是紧密性联接如汽缸、压力容器等: Q′ p = ( 1。 5～1。 8) F; 其次是工作载荷有变化的联接: Q′p = ( 0。 6～1) F; 最后是载荷无变化的一般性联接: Q′ p = ( 0。 2～0。 6) F。!螺栓的其他强度条件: 剪切强度条件#=F S∀4d21≤[ #] ( MPa)螺栓与孔壁的挤压强度条件=F Sd 1 L min≤[ p ] ( MPa)式中: F S 剪切力( MPa) ; d 1螺栓直径( mm) ; L min 螺栓被挤压面的最小长度, 一般选 L min ≥1。 5d 1 ; [ #] 材料的许用剪应力( MPa) ; [  p ] 材料的许用挤压应力( MPa) 。

( 5) 隔离套变形设计计算[ 7] 隔离套受压变形过大时, 会影响隔离套的正常工作。 因此对变形有必要进行计算。 一般在设计中轴向尺寸留有较大空间,因此轴向变形量不计算, 只计算径向变形量。∃S=PR21ES( 1-%2)式中: 隔离套的径向位移 ∃Smm; 设计压力 P/ MPa;隔离套的内径 R 1 mm; 弹性模量 E/ MPa; 隔离套的壁厚 S/ mm; 泊松比 %。2。 2加工工艺设计隔离套是薄壁型压力容器, 加工时有一定难度,一般在压力低, 介质腐蚀性弱的工况下隔离套的加工工艺为: 组焊结构, 筒体、底部、法兰焊接在一起,然后整体精加工, 这种结构工艺简单、成本低, 但在运行过程中焊缝直接暴露在介质中, 由于焊接组织的多孔性和表面粗糙度, 使腐蚀加剧, 从而降低了隔离套的可靠性; 在成批生产中隔离套采用深冲成型工艺, 这种加工工艺要设计拉伸模具, 所以成本高,但由于隔离套整体冲压成型,避免类似于上述的腐蚀加剧的问题; 在高压、腐蚀性强的工况条件下磁力驱动离心泵 英文名, 多采用棒料直接加工筒体, 法兰为活套形式, 这就大大提高了隔离套的强度和抗腐蚀性, 但这种工艺较浪费原材料, 加工周期长, 成本高, 只适合于单件生产。

3结语随着石化工业的快速发展, 磁力驱动离心泵的需求越来越迫切。 由于磁力驱动离心泵效率低严重制约它的应用。 我们给出了磁力驱动离心泵隔离套的设计计算, 并进行了试验验证, 可供设计磁力驱动离心泵时参考。参考文献:[1] 赵克中。 磁力驱动技术与设备[ M ] 。 北京: 化学工业出版社,2004。[ 2] 施卫东。 磁力驱动泵的功率损失分析[ J ] 。 水泵技术, 1999, 126( 2) : 10-13。[3] 关醒凡。 现代泵技术手册[ M] 。 北京: 宇航出版社, 1998。[4] 李健。 化工设备[ M] 。 北京: 化工出版社1995。[5] 成大先。 机械设计手册[ M] 。 北京: 化学工业出版社, 2002。[6] 濮良贵。 机械设计[ M ] 。 北京: 高等教育出版社, 2000。[7] 林治平。 金属塑性变形[ M ] 。 北京: 冶金工业出版社, 2002。作者简介:刘芳, ( 1963-)女, 甘肃省兰州市人, 1987 年毕业于甘肃广播电视大学机械工程专业, 现任甘肃省科学院磁性器件研究所工程师, 主要从事磁力机械的设计。116甘 肃 科 学 学 报2005 年第 2期