汽提塔釜液泵振動的原因分析及解決辦法

張海波 雷 剛

(1.中國石油蘭州石化公司石油化工廠；2.渤海裝備蘭州石油化工機械廠)

蘭州石化公司石油化工廠年產24萬t的乙烯裝置初分餾單元主要任務是冷卻裂解爐裂解出來的產物，使氣液兩相產品分離，同時回收裂解產物的熱量，用于預熱原料，工藝冷凝液發生稀釋蒸汽供裂解爐使用。

1 初分餾單元流程

初分餾單元主要由氣油分離系統、急冷水系統、工藝水汽提和稀釋蒸汽發生系統組成(圖1)。在急冷水系統中來自急冷塔107-E塔釜含油較多的工藝水，由泵104-J/JA、102-L/LA通過工藝冷凝預熱器112-C與工藝冷凝液塔102-E塔頂氣體換熱后，送往工藝冷凝塔塔頂，用該塔再沸器產生的蒸汽汽提，以脫除工藝冷凝液中所含的酸性氣體和易揮發的輕烴類組分。塔頂汽提出的氣相產物與工藝冷凝進料換熱后返回急冷塔。經汽提的工藝水，經過泵108-J/JA，通過工藝冷凝液預熱器107-C、143-C、145-C與中壓蒸汽凝液換熱后進入103-F中，最終產生稀釋蒸汽送往爐區。

圖1 初分餾單元流程示意圖

2 設備現狀

2009～2011年汽提塔釜液泵108-J/JA多次發生軸背帽脫落或軸斷裂現象。在最初幾次軸斷裂后加大了背帽尺寸，但運行一段時間后背帽仍然脫落，偶爾軸也會發生斷裂。再次將背帽尺寸加大，并且在背帽上增加了防脫螺栓，泵在運行較長時間后仍然發生背帽脫落和軸斷裂現象。這種改變背帽尺寸和加防脫螺栓的方法并沒有徹底改變泵的不良運行狀態，嚴重影響了裝置的長周期生產，給企業造成了巨大的經濟損失。

為了解決汽提塔釜液泵長期處于振動狀態的問題，通過對汽提塔的工況、泵軸的理論強度計算、汽蝕余量計算及泵運行工況等多方面進行分析，給出了汽提塔工藝指標和操作方法的具體要求，并提出了合理的改造建議。

3 原因分析

3.1 機泵的理論計算及分析

汽提塔釜液泵108-J/JA的型號為BHP80-1000III，其設計參數、實際參數值如下：

介質 工藝冷凝液

介質密度 958kg/m3

介質粘度 720.8μPa·s

操作溫度(設計) 110～125℃

操作溫度(最高) 132℃

操作壓力 1.3MPa

設計流量 50m3/h

實際流量 25m3/h

泵的入口直徑 150mm

泵的出口直徑 80mm

揚程 110m

軸功率 59kW

轉速 2 950r/min

允許汽蝕余量 3m

軸材料 2Cr13

許用應力 635MPa

軸背帽端尺寸 20mm

3.1.1泵軸的強度計算

根據科學理論可知轉矩計算式為[1]：

(1)

式中M——作用在軸上的轉矩，N·m；

NK——軸傳遞的功率，kW；

n——軸的轉速，r/s。

經計算M=191N·m。

剪應力計算式為[2]：

(2)

式中Wn——抗扭截面模量，mm3；

τp——實際剪切應力，MPa。

經計算τp=121.66MPa。

材料許用最大剪切應力τs與拉伸屈服極限σs之間的關系為[2]：

τs=(0.55～0.60)σs

(3)

τs=350MPa，τp<τs,所以，軸的背帽端尺寸和材料滿足泵的正常運行要求，說明這不是泵背帽端軸發生斷裂的原因。

3.1.2實際工況和理論工況的差異對機泵汽蝕余量的影響

泵的理論工況下額定流量是50m3/h，而實際流量只有25m3/h，這必然會導致介質流速的變化。根據穩定流體的連續方程可知：泵的入口流體流量Q1等于泵出口流體流量Q2，即入口流速u1和出口流速u2分別為0.39、1.38m/s。而根據額定流量Q=50m3/h，計算得到額定流速為u=0.785m/s。

離心泵的臨界汽蝕余量(NPSH)c和允許汽蝕余量(NPSH)r計算式分別為[3]：

(4)

(NPSH)r=(NPSH)c+0.5

(5)

式中hf1,1-k——泵入口到葉輪入口壓頭損失，m。

可以計算出泵入口到葉輪入口壓頭損失hf1,1-k=2.469m，(NPSH)r=2.9768m，由此可知，流量變化對汽蝕余量的影響不大。

3.1.3阻力降對機泵汽蝕余量的影響

范寧公式的表達式為[4]：

(6)

式中d——管道的直徑；

l——管道的長度；

Δpf——流體在管道內的阻力降，Pa；

u——介質的流速，m/s；

λ——無量綱的系數；

ρ——介質的密度。

根據雷諾數來判斷流動流體的狀態，Re=duρ/μ=77751>4000，故入口管線流型為湍流。根據柏拉修斯公式λ=0.3164/(Re0.25)(5×103

3.1.4介質通過管線溫度變化對泵的影響

塔釜出料口至泵入口總長20m，并且全部由熱保溫材料包裹，多次實際測量溫差變化很小，可以忽略不計。

3.2 系統輔助設備長期運行和工藝操作造成工藝波動對轉動設備的影響

在整個工藝冷凝液塔的操作中，塔釜液面50%和塔釜溫度110～125℃是兩個關鍵操作指標。在過去的幾年當中，輔助設備長時間使用和多次檢修查漏之后導致工藝冷凝液塔塔釜加熱器無法滿足工藝冷凝液塔的汽提需要，工藝人員只有通過打開工藝冷凝液塔事故線(0.3MPa的低壓蒸汽直接通入到最底層塔盤和塔釜液面之間的位置)來滿足汽提需求(正常工藝流程是要求事故線處于完全關閉狀態)，而打開事故線直接導致塔釜溫度上升，使得操作溫度一度超過了130℃。

急冷塔由于工藝波動時常造成塔乳化，使工藝冷凝液含烴組分增多，在事故線全開的情況下也無法將烴組分全部汽提出來。當大量帶有烴組分的工藝水進入工藝冷凝塔時，操作人員只有通過打開事故線來逐步緩解乳化現象，但無法在短時間內改變乳化現象。這樣的處理過程必然會導致工藝冷凝塔塔釜長時間將帶有大量烴組分的高溫工藝水通過汽提塔釜液泵送出。

通過計算工藝冷凝塔塔釜容量，每12min塔釜工藝水就會置換一次，加熱器也失去了加熱、汽提能力，大量帶有烴組分的高溫工藝水流入泵口。由于泵入口到葉輪入口的壓頭損失為2.469m，會使烴組分和水達到飽和蒸汽壓后瞬間汽化，導致泵體內產生大量氣泡，這些氣泡在水泵排出口之前被高壓擠碎，由于氣泡的占有空間突然“消失”，引起水質點的強烈沖擊，造成對泵葉輪的汽蝕破壞[5]。這是泵發生振動和導致軸斷裂的主要原因。

108-J/JA和104-J/JA是同樣型號的泵，流過104-J/JA泵的介質含油量大于108-J/JA介質的含油量，但是104-J/JA從未發生過背帽脫落和軸斷裂現象，這是由于泵所輸送的介質溫度變化不同。104-J/JA輸送介質溫度為83℃，而108-J/JA 輸送介質的溫度為120～125℃，在事故狀態下還會升到更高的溫度，含烴組分的工藝水在溫度不斷提升的狀況下導致泵發生汽蝕現象。

4 解決辦法

現階段工藝冷凝液塔102-E事故線仍然是開啟狀態，開度只有10%～20%，但目前108-J/JA發生背帽脫落和軸斷裂事故的次數明顯減少。這主要有以下幾點原因：

a. 2011年7月，大檢修期間142-C換熱器整臺更換，提高了102-E的加熱能力，減少了事故線蒸汽注入量。

b. 107-E運行良好，大檢修后未發生乳化現象，工藝冷凝液含烴組分較少，通過事故線加入的低壓蒸汽將部分烴組分氣體帶走，極少量的通過塔釜換熱器142-C汽提后帶走。

c. 由于事故線低壓蒸汽的注入量很少，不能在最底層塔盤下形成自上往下壓力逐漸降低的壓力層，塔釜汽提出來的烴組分可從塔頂送走。

在工藝操作方面提出的要求和解決辦法有：加大102-E塔釜換熱器142-C的加熱能量，停止事故線的使用；合理控制事故線低壓蒸汽的注入量；控制塔釜溫度，嚴禁超過塔釜操作溫度指標的操作；嚴格控制崗位人員的操作，防止107-E發生乳化現象。

在機械改造方面提出的要求和解決辦法有：改變軸的結構，嘗試增加導葉輪；增加防脫機構；緊固葉輪鍵銷(葉輪鍵銷松動，也會加速葉輪振動和脫落)；定期對軸、葉輪和背帽做動平衡實驗。

5 結束語

通過對機泵軸進行更換軸背帽尺寸、增加防脫落螺栓試驗、強度校核、流量變化和工藝波動及工藝流程變更等對泵汽蝕余量的影響進行分析，了解到介質工藝指標的波動和操作人員的操作手法會導致107-E的塔釜乳化。工藝冷凝塔塔釜泵108-J/JA是將乳化后的高溫工藝水送出的唯一手段，長時間的工藝介質帶油和事故線的開啟造成介質溫度升高，導致工藝冷凝塔塔釜泵108-J/JA發生汽蝕現象。這是泵發生振動、軸背帽脫落和軸斷裂的根本原因。

[1] 李家民.煉化設備手冊[M].蘭州:蘭州大學出版社,2008.

[2] 蘇翼林，王燕群，趙志崗，等.材料力學[M].天津：天津大學出版社，2001.

[3] 諸林，劉瑾，王兵，等.化工原理[M].北京：石油工業出版社，2007.

[4] 尹先清.化工設計[M].北京：石油工業出版社，2006.

[5] 姜培正.過程流體機械[M].北京：化學工業出版社，2001.