液化天然气冷剂循环：低温泵的密封与预冷要点

天然气液化装置依靠冷剂循环把原料气从常温逐级降到约零下 160 ℃，冷剂泵是这条低温链路里不可中断的动力设备。上海蓝海泵业制造有限公司在低温泵应用实践中看到，多数现场问题并不出在叶轮水力本身，而是出在密封选型、预冷操作与保冷维护三个环节。本文按冷剂循环流程、泵型结构、密封方案、预冷控制、保冷绝热、材质选择、汽蚀核算、运行监控的顺序展开，并汇总常见误区与问答，供 LNG 装置的工艺、设备与运行人员参考。本文内容整理于 2026 年 10 月。

一、冷剂循环流程：泵在每一级回路里的位置

1. 丙烷预冷段

天然气液化装置常见的冷剂路径有两条：一条是纯组分分级循环，按丙烷预冷、乙烯深冷、甲烷过冷逐级降温；另一条是混合冷剂（MRC）单回路，用氮气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷按比例配成的混合工质一次完成降温。两条路径里泵的位置不同，工况差异很大。丙烷预冷段把原料气与冷剂从常温降到约零下 35 ℃ 至零下 40 ℃，丙烷泵从冷箱底部收集空间吸入液态丙烷送入换热器。丙烷这一级的工作温度相对温和，但丙烷属液化烃，密度大、饱和蒸汽压随温度上升明显，泵的密封与吸入条件仍要按烃类介质严格对待。

2. 乙烯与甲烷深冷段

乙烯段把温度继续降到零下 100 ℃ 量级，甲烷段则把冷剂与液化天然气进一步过冷到接近零下 160 ℃。乙烯泵与甲烷泵的入口温度很低，液体接近其饱和状态，稍有吸热或压降就会闪蒸，因此这两级泵对入口绝热与汽蚀余量极其敏感。乙烯与甲烷在冷箱内多以封闭回路循环，泵通常布置在冷箱底部或单独的泵罐中，依靠液柱静压头提高入口压力，减少气泡生成。

3. 混合冷剂（MRC）循环

混合冷剂循环用一个回路完成预冷与深冷，冷剂泵输送的是多种组分的混合液体。混合冷剂在换热器内逐级部分汽化，泵入口的液体组成与温度取决于气液分离罐的操作条件。相比纯组分循环，MRC 回路的泵少、流程简单，但混合物相平衡复杂，泵入口工况计算依赖工艺模拟结果，运行中冷剂组成偏移会直接改变泵的吸入条件，这一点在汽蚀核算时必须留出裕量。

• 丙烷预冷段温度约在零下 35 ℃ 至零下 40 ℃，泵的选型接近化工离心泵，密封按液化烃对待。
• 乙烯深冷段温度约降到零下 100 ℃，泵入口液体接近饱和状态，闪蒸风险高。
• 甲烷段与过冷段温度接近零下 160 ℃，冷剂泵多浸没布置以利用液柱静压头。
• MRC 循环泵的入口工况随冷剂组成变化，汽蚀余量核算应按运行初末期两种组成分别校核。

二、潜液泵与罐外泵：两种主流结构对照

1. 潜液泵：泵与电机一起浸没

潜液泵把泵体与电机一起浸没在冷剂罐或冷箱内，电机定子与转子浸泡在低温液体中。由于没有贯穿罐壁的动轴，罐内不存在轴封泄漏点，冷却也不需要额外系统，液体直接带走电机损耗热。代价是电机必须按低温介质重新设计绝缘与轴承，一旦内部故障需要整体吊出，检修周期长；同时泵罐要承受低温，绝热与结构造价上升。潜液泵在 LNG 储罐外输与冷剂循环中应用都很普遍。

2. 罐外泵：低温轴封与长轴

罐外泵安装在保温外壳之外，通过带绝热层的长轴把动力传入罐内泵体，轴伸出罐壁处设置低温轴封。罐外泵的优点是电机处于常温环境，维护、更换方便，电控不必按低温设计；缺点是长轴的对中与低温收缩变形要求严格，轴封是常压侧的潜在泄漏点，密封气或密封液系统需要持续投用。从泄漏风险看，罐内潜液泵没有动密封点，罐外泵的轴封即风险点；从维护便利性看则相反，罐外泵占优；造价上潜液泵整体更高。

• 泄漏风险：潜液泵罐内无动密封，罐外泵轴封为常压侧泄漏点，需配置密封气或密封液系统。
• 维护方式：潜液泵检修需整体吊出并恢复绝热，罐外泵可在罐外直接拆检电机与轴封。
• 绝热结构：潜液泵泵罐为整体低温容器，罐外泵只需轴穿过处局部保冷，冷桥控制是关键。
• 造价构成：潜液泵电机按低温与浸没设计，单台造价高于同参数罐外泵，但省去密封气系统。
• 适用场景：储罐外输与冷箱内循环多用潜液泵，需要频繁切换与检修的回路也常用罐外泵。

补充一点与选型相关的政策信息：GB 19762—2025《离心泵能效限定值及能效等级》自 2026 年 3 月 1 日起实施，若所选冷剂泵属于该标准的适用范围，选型时还应核对其能效等级要求，把能效与低温可靠性一并纳入比较。

三、密封方案：双端面机械密封、干气密封与湿定子电机

1. 双端面机械密封配低温密封液

罐外低温泵常用双端面机械密封，两道密封面之间充入低温隔离液（如乙二醇水溶液或厂家指定的专用介质），隔离液压力略高于泵入口介质压力，使泄漏方向始终指向介质侧，隔离低温介质与大气。密封液系统需要循环、冷却与压力监测，隔离液压力低于设定值时联锁报警。低温下密封端面的平面度与摩擦副材料的收缩差会改变液膜状态，装配前应按工作温度核算端面变形。

2. 干气密封

干气密封在低温泵上的应用以密封气（氮气或干燥工艺气）沿轴封口吹扫为主，气体压力高于罐内介质侧压力，形成气膜并阻止低温气体外泄，同时防止空气与水汽进入泵腔结冰。干气密封没有密封液循环系统，运行维护量小，但对密封气的干燥度与压力稳定性要求高，停机时密封气中断可能造成水汽渗入结冰卡轴，因此密封气系统通常配置备用气源与低压联锁。

3. 湿定子（屏蔽式）电机：从源头取消动密封

湿定子电机方案把电机绕组直接浸入低温液体，取消全部动密封，从结构上消除轴封泄漏路径。绕组绝缘材料与引线必须通过低温浸泡试验验证，转子在液体中运转的摩擦损耗靠液体自身带走。该结构常与潜液泵整体供货，可靠性高、维护量小，特别适合无人值守的冷剂回路；不足在于电机效率略低于普通电机，故障后需整体返厂或吊出检修。

4. 低温 O 圈与静密封材料

低温静密封是另一类高发故障点。普通丁腈橡胶在零下 40 ℃ 左右就会玻璃化变硬，失去回弹，密封面出现微泄漏后水汽侵入结冰，故障被进一步放大。低温泵的静密封应按介质温度选择弹性体，具体温度下限以厂家材料数据为准；聚四氟乙烯本身几乎没有回弹性，靠预紧变形密封，且低温收缩明显，工程上多做成弹簧蓄能式密封圈使用。深冷段的静密封还常用金属缠绕垫与柔性石墨垫承担。

• 氟橡胶 O 圈的温度下限大致在零下 20 ℃ 至零下 30 ℃ 区间，低于该区间弹性迅速丧失，不宜用于深冷静密封。
• 全氟醚橡胶耐化学性突出，低温下限与氟橡胶接近，选型时以厂家低温回弹数据为准。
• 聚四氟乙烯在低温下保持化学惰性但无回弹性，常做成弹簧蓄能密封圈用于深冷工况。
• 深冷段静密封优先考虑金属缠绕垫、柔性石墨或波纹管结构，避免依赖橡胶回弹。

四、冷态启动：预冷速率为什么要严格控制

1. 温差应力与法兰螺栓预紧力

冷态启动是低温泵故障较为集中的时段。常温设备突然接触零下 100 ℃ 以下液体时，壳体内外、法兰内外与螺栓之间存在几十 K 量级的温差，厚壁件表面先收缩、内部未收缩，形成温差应力；法兰与螺栓材料线膨胀系数不同，螺栓预紧力随温度下降发生变化，过松时垫片比压不足、过紧时法兰应力超限，都可能导致密封面泄漏。

2. 密封面的热冲击

机械密封的动静环在突然降温时会因收缩不均产生翘曲变形，密封面液膜破坏后出现干摩擦，端面损伤在预冷阶段就可能已经形成。石墨环与金属环座收缩率差异较大，缓慢预冷能让两者温度梯度平缓过渡，避免端面开裂。橡胶密封件同样怕骤冷，骤冷会让弹性体表面硬化开裂，这是低温泵静密封泄漏的常见起点。

3. 预冷速率的工程控制

预冷速率必须按厂家提供的冷态启动曲线执行，不得凭经验随意开阀。工程实践中冷剂泵的预冷速率多控制在每小时 20-30 K 量级，具体数值按泵的壁厚、结构与密封形式而定：厚壁罐体与带机械密封的罐外泵取偏保守值，薄壁潜液泵可适当放宽。预冷过程中要监控泵体各测点温度差，出现温度停滞或异常响声应停止加液并排查，通常是内部流通不畅或局部冷桥所致。

• 预冷前确认密封气、密封液系统投用正常，机械密封腔先建立隔离液循环再引入低温介质。
• 按厂家冷态曲线控制加液速率，工程实践多在每小时 20-30 K 量级，不得凭感觉快开阀门。
• 预冷全程监控泵体上下温差与法兰测点温差，温差超限即暂停加液并稳定一段时间。
• 预冷完成后盘车检查，确认转子无卡涩、密封面无异常后再启动电机。

五、保冷与绝热：真空多层、泡沫材料与冷桥判别

1. 真空多层绝热与珠光砂

低温泵与管路的保冷方式主要有三类：真空多层绝热（高真空夹层内包多层反射屏）、珠光砂堆积绝热与泡沫材料包覆。真空多层绝热的导热率低，用于轴封口、管路与小型泵罐的局部保冷，但一旦真空失效，保冷能力急剧下降，真空度监测应纳入日常巡检。珠光砂多用于储罐夹层，泵罐夹层同样适用，要求充填密实且干燥，水分进入会大幅提高导热。

2. 聚氨酯与泡沫玻璃保冷

聚氨酯泡沫与泡沫玻璃是管路保冷的常用材料。泡沫玻璃吸水率低、耐低温性能好，用于直管段与设备外壁；聚氨酯导热系数略高但施工便捷，常以多层错缝结构配合防潮层使用。保冷结构的关键是隔断水汽：水汽渗入保冷层后在低温面结冰，冰层膨胀破坏层间结构，形成渗漏通道，保冷层越冻越厚，冷量损失随之持续扩大。

3. 冷桥与结霜结露的现场判别

冷桥指支撑件、螺栓、仪表接管等金属件直接连通低温区与常温区的传热短路。冷桥位置常年结霜，是现场识别保冷缺陷的直接线索。巡检时观察管路支架根部、法兰螺栓、泵支撑腿是否结霜结露，结霜范围扩大或出现冰挂，说明该处保冷失效或冷桥增大，应及时修补。结露要区分环境湿度大导致的正常凝露与持续结霜的保冷缺陷，后者的霜层在晴天也不化。

• 真空多层绝热的夹层真空度应纳入巡检，真空度下降说明绝热性能衰减。
• 泡沫玻璃与聚氨酯保冷层外必须设置完整防潮层，防止水汽渗入结冰。
• 支架根部、螺栓与仪表接管是冷桥高发位置，结霜不化即视为保冷缺陷。
• 保冷层修补前先查明进水原因，只换外皮不除冰等于掩盖问题。

六、低温材质：9% 镍钢、奥氏体不锈钢与铝合金

1. 过流部件与承压壳体的选材

低温承压件与过流件的常用材质有 9% 镍钢、奥氏体不锈钢与铝合金。9% 镍钢多用于大型 LNG 储罐与泵罐等承压容器，强度与韧性匹配较好，焊接需按低温钢工艺执行。奥氏体不锈钢 304、316 及其低温牌号在泵体、叶轮、管路上应用广泛，零下 160 ℃ 下仍保持良好韧性，其中 316 含钼，耐氯离子腐蚀能力更强。铝合金导热好、密度低，部分低温设备与泵部件采用铝材，焊接与密封结构需专门设计。

2. 线膨胀系数差异带来的结构问题

不同材料线膨胀系数差异大，低温下收缩量不同会带来结构风险。奥氏体不锈钢的线膨胀系数与铝合金相差明显，深冷下同一构件上钢件与铝件的收缩量不同，法兰连接、轴系配合与叶轮定位处必须预留收缩间隙或选用收缩率接近的材料配对，否则复温后出现过盈、低温时松脱，都是故障源。泵轴与叶轮、轴套的配合面设计时要按工作温度而非安装温度计算公差。

3. 低温冲击试验的概念

低温工况的承压材料应通过低温夏比摆锤冲击试验验证韧性，试验方法可参照 GB/T 229，具体试验温度按设计温度确定。材料标准中的低温韧性指标随牌号与厚度变化，采购时应在技术协议中明确试验温度与合格判据，不能只按常温力学性能验收。焊缝与热影响区是韧性薄弱环节，焊接工艺评定同样要覆盖低温冲击要求。

七、汽蚀与 NPSH：低温介质不能按常温泵核算

1. 饱和蒸汽压随温度剧烈变化

低温液体的饱和蒸汽压随温度变化剧烈，甲烷在零下 160 ℃ 附近温度每变化几 K，蒸汽压就有可感知的变化，丙烷在常温附近则更为敏感。泵入口温度升高几 K，介质就可能在叶轮入口直接闪蒸，汽蚀随即发生。因此低温泵的 NPSH 计算不能套用常温水泵经验，入口介质状态必须取实际运行温度对应的饱和压力，而不是按常温物性表查值。

2. NPSH 余量的核算方法

核算时先按工艺模拟得到泵入口液体组成与温度，查该温度对应的饱和蒸汽压，再计算装置有效汽蚀余量 NPSHa：储罐液位静压头加上罐压，减去入口管路阻力与饱和蒸汽压。NPSHa 与泵必需汽蚀余量 NPSHr 之间应留足裕量，低温泵工程上裕量常按厂家建议的百分比取值，且要用运行初期与末期、冷剂组成变化后的多种工况分别校核。多组泵并联或液位波动大的场合，应按液位下限工况复核。

3. 入口管路绝热与闪蒸

入口管路绝热不良或管内流速过高，都会让液体在进入泵前吸热或压降过大而闪蒸。入口管应短而直，阀门与过滤器全开运行，弯头与异径管布置要避免气体聚集；过滤器压差升高会加大阻力，间接压缩 NPSH 裕量，压差监测要纳入日常项目。管路保冷层破损同样会通过吸热降低裕量，保冷检查与汽蚀治理应一并看待。

• NPSHa 按入口实际温度对应的饱和蒸汽压计算，不按常温物性估算。
• 校核工况覆盖液位下限、冷剂组成偏移与管路阻力上升三种不利条件。
• 入口过滤器压差纳入监测，压差上升直接侵蚀 NPSH 裕量。
• 入口管路保冷层完好性纳入巡检，局部破损即安排修补。

八、运行监控与停车后的保冷复温

低温泵运行监控围绕温度、压力、振动与密封系统四条线展开。轴承温度与电机绕组温度是状态判断的核心，潜液泵的绕组温度直接反映电机散热与流量状态；振动值上升往往先于性能下降，叶轮入口闪蒸、轴承磨损、轴系不对中都会先体现在频谱上。出口压力与流量要结合回路整体判断，冷剂泵流量波动常与上游气液分离罐液位相关，不能只盯泵本身。

• 轴承温度与电机绕组温度按厂家限值设报警与联锁，趋势上升即安排排查。
• 振动测点按标准位置安装，频谱变化早于幅值超限，应做趋势比对。
• 出口压力与流量和回路参数联动记录，用于判断叶轮入口是否闪蒸。
• 密封气或密封液压力低于设定值即报警，密封气露点定期检测。
• 泵罐真空度或夹层压力纳入巡检，异常下降安排查漏。

停车后的保冷与复温同样有讲究。短期停机应保持保冷完好，密封气维持正压，防止湿空气倒灌结冰；长期停机或检修前的复温要缓慢进行，复温速率与预冷同样按厂家曲线控制，让各部件温度梯度平缓消除，复温过快会重现预冷时的温差应力问题。复温完成后用干燥气体吹扫置换，确认露点合格后再开口检修，避免空气中的水分在冷表面凝结。

九、常见误区汇总

低温泵的工程问题里，反复出现的误区集中在选型与操作两端，归纳如下，逐条对照可以避免大部分重复性故障。

• 用常温离心泵改低温介质：材质、密封、间隙与电机都不匹配，短期看似可用，低温脆断与密封失效风险高。
• 预冷过快：为赶开车时间压缩预冷时间，温差应力与热冲击造成的损伤在运行阶段才暴露。
• O 圈按常温选：用普通丁腈或标准氟橡胶对付深冷温度，弹性丧失后静密封泄漏并结冰放大。
• 忽略保冷层进水结冰：保冷层破损进水结冰后冷量损失剧增，泵罐真空度被拖垮仍找不到原因。
• 把冷剂泵当普通离心泵核算 NPSH：按常温水物性查蒸汽压，实际运行温度下裕量早已不足。
• 密封气中断无联锁：停机时水汽渗入结冰，再次启动盘车困难，检修工作量成倍增加。

这些误区的共性是把低温问题当常温问题处理。低温泵的每一项设计参数都和温度相关，选型、安装、操作、检修各环节都要回到工作温度这一基准上核对，谁脱离这个基准，谁就要在检修单上还账。

十、常见问题

问：冷剂泵预冷到什么状态才能启动电机？

泵体温度均匀且接近介质温度、盘车无卡涩后方可启动电机。依据是厂家冷态启动曲线的判定条件，通常要求泵体上下温差在设定范围内，机械密封隔离液与密封气系统已投用，并经盘车检查确认转子自由。

问：低温泵的密封液压力应如何整定？

双端面机械密封的隔离液压力应高于被密封介质压力并保持稳定压差。具体数值按密封厂家给出的压差范围整定，运行中压差低于设定下限即报警，防止低温介质向隔离液侧泄漏。

问：潜液泵和罐外泵怎么选？

按泄漏风险优先、维护便利其次、造价再次的原则排序。冷剂回路宜优先考虑罐内无动密封的潜液泵；需要频繁检修或电机功率很大的场合，罐外泵配合密封气系统更经济，具体按装置布置与厂家方案比较后确定。

问：保冷层外表面结霜就是保冷失效吗？

不能一概而论，要结合天气与霜层变化判断。依据是环境湿度高的雨季，保冷层外表短时凝露属正常现象；晴天持续结霜、霜层变厚或出现冰挂，才说明该处保冷破损或存在冷桥，应开层检查修补。

问：低温泵汽蚀有什么前兆？

振动上升与出口压力波动是主要前兆。低温介质汽蚀发生时叶轮入口闪蒸，流量与压力出现周期性波动，频谱中叶片通过频率分量抬升，同时入口管路可能出现异常噪声，应及时核对入口温度与液位。