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



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

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飙升，市场对液化天然气(LNG)的需求不断增加，如何泵送深冷流体，已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。

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3MPa、-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9% 镍钢、奥氏体不锈钢、铝合金、铜合金、镍合金等，见表1[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

密封对于防止工作流体从系统中泄漏是非常必要的，密封还能防止污染物、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止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[2]。

3　低温泵的应用

低温泵由于具有无污染、工作压强范围宽、极限真空度高、排气量大、使用方便等优点，因而在各种需要应用真空的领域有了愈来愈多的应用。包括半导体工业、低密度风洞试验、空气动力学分子束研究、等离子体物理、近空间环模设备、超高真空规校准装置、碰撞束物理实验、深空间研究、表面物理研究和火箭发动机高空点火模拟试验等[3]。

3.1LNG橇装汽车加气站用LNG低温泵

国内LNG汽车加气站的设备技术发展较晚，目前国内已建成的LNG汽车加气站，其投入使用的LNG低温泵均采用国外进口泵。LNG低温泵的流量根据汽车加气站的设计规模及加气机的流量选定，LNG低温泵的设计流量为0～320L/min。对LNG低温泵进行选型，主要参数见表3。

表3　LNG低温泵技术参数[4]

LNG低温泵一般采用潜液式低温泵。由于LNG的低温和易燃特性，不仅要求泵能承受低温，而且对泵的气密性和电气安全性能要求更高。

3.2低温泵在超导磁镜装置中的应用

稳态超导磁镜装置目前注入的是氢气，要求系统真空抽气机组对氢气应具有每秒几十万升的大抽速。由于注入的粒子能量高，对器壁产生热辐射，以及逃逸等离子体直接对器壁轰击，都会引起器壁的解吸、溅射，产生杂质，导致热等离子体的能量损失很大。同时等离子体与残余气体有较强的相互作用，直接影响热等离子体的累积，因此要求真空抽气机组应具有5×10-9Torr(1Torr≈133.3Pa)以上的极限真空和无污染。由于装置采用的是超导磁体，已具备了低温条件，所以选用低温泵作为主泵来满足以上要求[5]。

3.3美国最大的标准低温泵

欧瑞康莱宝真空公司的RPK 60000系列真空泵是美国生产的最大标准低温泵，它的安装法兰直径为48in(1in≈25.4mm)，特别适用于空间模拟、光学镀膜和金属喷涂。该泵对氮气的抽速为60000L/s，居各种标准低温泵之首。该泵有两个冷头，工作时由6个温度传感器来监督它的各个功能并控冷源。这种低温泵还具有一个气体清洗系统，整个泵使用208～480V、50Hz或60Hz电源。

3.4潜液式LNG泵

随着全球LNG工业的迅速发展，LNG接收终端及气化系统的需求量日益增加，安装在密封容器内的潜液式LNG泵得到越来越多的应用。

20世纪60年代，潜液式电动泵首次出现在LNG领域，从那时起，潜液式LNG泵便开始用于LNG工业中。随着材料科学、密封技术、控制和保护技术的发展，以及冷、热加工工艺水平的提高，潜液式LNG泵得到了越来越广泛的应用。目前，国外的很多企业和公司都致力于潜液式LNG泵的研发和制造，美国J.C.Carter公司、法国科莱斯达公司，日本的荏原、日机装、神钢等公司都相继推出自己的产品，使潜液式LNG泵的形式更加多样化，大大开拓了其应用领域。

正是由于有着诸多优点，潜液式LNG泵在LNG工业中得到了广泛应用。目前，在大型LNG船、汽车燃料加注站、LNG储罐中几乎均采用潜液式电动泵来输送液态天然气，主要有大型LNG储罐罐内泵、船用泵和汽车燃料加注泵等。

LNG潜液泵主要由3部分组成： 泵、泵夹套、电机。泵采用离心式结构，具有转速快、体积小、质量轻、结构简单及性能平稳等优点。泵夹套采用真空多层缠绕结构，绝热效果好，并设有进液口、出液口及进气口。电机采用经过低温处理的浸没式电机，浸没在低温介质里的零部件采用低温性能优良的不锈钢、铜、聚四氟乙烯等材料[6]。

3.5乙烯生产中低温泵的应用

乙烯生产中某些低温泵要输送的都是低温介质，且这些介质一般都是比较容易气化的，具有很低的温度，并且多是易爆易燃的，所以这些低温泵的应用就非常严格。对于乙烯设备来说，采用双层壳体的立式筒袋泵能够更好地满足低温环境的需要，并能够保障生产的稳定运行。

4　低温泵的市场

低温泵工作压力范围宽、抽速快、清洁无油、无运动部件，并能抽除有毒有害气体，特别对于水蒸气有很高的抽气能力，对于制备高质量薄膜非常有利。在国外的半导体、液晶显示及光学薄膜等领域，大多采用低温泵作为主泵。在美国电子真空行业，78%都使用低温泵，而其中的大规模集成电路生产几乎都采用低温泵。国外生产低温泵的厂家很多，并已经形成完整系列。

美国ACD是世界著名的低温泵和透平膨胀机系统制造厂家。为了迎接中国天然气时代的到来，发展中国LNG和氧氮氩工业气体事业是非常必要的。

4.1产品分类

(1) LNG低温泵主要有TC-34浸润泵、P2K充装泵、AC-32装载泵、SGV高压低温泵等系列。

(2) 氧氮氩工业气体泵主要有WDPD充瓶泵、RPSA40充瓶泵、P1100充瓶泵、NDPD充瓶泵、AC/TC-30卸载泵、AC/TC-21输送泵、AC-14输送泵、AC-48高压输送泵等系列。

4.2产品用途

为发展天然气事业，ACD低温泵可用于LNG汽车加气站、LNG气化站和L-CNG加气站建设等。

4.3低温泵的生产厂家

(1) 四川众信燃气设备有限公司，公司自主研发的BY20/1.2型LNG泵液装置将LNG泵、管路、阀门等全部橇装在一个橇上。

(2) 深圳亚威华实业有限公司，经营法国PD3000 LNG低温泵，该设备技术先进、性能优越、安全可靠，广泛用于液化天然气、工业气体的钢瓶与缓冲灌充装。可输送介质为液氧、液氮、液氩、液体二氧化碳、液体氧化氮、液化天然气、液氢等，泵驱动类型为润滑脂曲轴驱动。

(3) 杭州台连气体设备有限公司，生产LNG大流量低温液体泵。国内唯一生产制造LNG泵厂家，填补国内LNG泵的空白。质量设计遵守IGC 11/82标准。

为满足广大客户建设LNG、L-CNG加气站的需要，促进中国天然气事业的发展，公司积极开发BPLNG-1000/25、BPLNG-1800/25、BPLNG-6000/10、BPLNG-90000/10低温泵。

(4) 科莱斯达低温设备(杭州)有限公司，科莱斯达低温设备(杭州)有限公司是法国科莱斯达在中国设立的唯一子公司，它是一个国际性的专注于生产工业气体、LNG、碳氢化合物和清洁能源设备的集团公司，一直走在低温技术的前端，其90%以上的产品和服务出口到世界各地。

5　结论

20世纪60年代，美国、日本等国就有低温潜液泵产品问世，其研发技术成熟，制造工艺先进，相关产品性能优越，可靠稳定，目前正朝着大型、高效、节能的方向发展。国内相应的研究却很少，潜液式LNG泵研制技术尚属空白。但是，国内目前具有常温流体潜液泵研制的成功经验可供借鉴，一些单位已开展了低温电缆和低温电绝缘材料、液体的闪蒸和汽蚀现象，以及低温液体物性的研究工作，这些都为该技术国产化提供了有力的技术支持。深圳、福建、上海、青岛等地LNG接收站的相继建成，为该技术的国产化提供了广阔的市场空间。随着LNG在我国能源结构中所占比例的逐步上升，我国应该尽早开展潜液式LNG泵的研究和试制工作，生产产品，满足市场需求，并且产生良好的经济效益和社会效益。

[1] 胜田政吾.液化天然气用低温泵[J].梁贤光，译.化工与通用机械，1973(4)： 32-40.

[2] 陈峰，张炜，王循明.超大流量LNG泵密封的设计与应用[J].机械设计与制造，2011(5)： 74-76.

[3] 姜万顺.低温泵的应用[J].真空与低温，1983(1)： 26-29.

[4] 马胜利.LNG橇装汽车加气站工艺流程与设备选型[J].煤气与热力，2010，30(8)： 3-6.

[5] 王寿设.低温泵在超导磁镜装置中的应用[J].核聚变与等离子体物理，1984，4(2)： 114-119.

[6] 梁骞，厉彦忠，谭宏博，等.潜液式LNG泵的结构特点及其应用优势[J].天然气工业，2008，28(2)： 123-126.

In company with the progress of mankind, the natural gas from the depths of the earth will become an important trend of green energy. In recent years, as increasing market demand of liquefied natural gas(LNG) is driven by soared international oil prices, how pumping cryogen has become an important topic for research in the field of cryogenics at home & abroad. A summary was given on the overview of cryogenic pumps, current research of cryogenic pumps, applications of cryogenic pumps and market of cryogenic pumps.

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2015年11月

张文毓(1968—)，女，本科，高级工程师，主要从事情报研究工作，

E-mail: ZWY68218@163.com

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1674-540X(2016)01-026-04