脫硫塔塔底循環(huán)泵葉輪失效原因分析

方德全，呼立紅，王新凱

（1.中國(guó)石油撫順石化公司，遼寧 撫順 113008；

2.沈陽(yáng)中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110180）

脫硫塔塔底循環(huán)泵葉輪失效原因分析

方德全1，呼立紅2，王新凱2

（1.中國(guó)石油撫順石化公司，遼寧 撫順 113008；

2.沈陽(yáng)中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110180）

某石化公司重油催化裝置煙氣脫硫單元的脫硫塔塔底循環(huán)泵，其葉輪出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象，通過(guò)宏觀觀察、材質(zhì)分析、金相檢驗(yàn)、電鏡觀察及能譜分析等檢測(cè)手段，發(fā)現(xiàn)葉輪的失效形貌主要為魚(yú)鱗狀或者海綿狀的形貌，葉輪口環(huán)的失效原因主要為汽蝕，加之催化漿液中的催化劑顆粒導(dǎo)致的沖蝕，整體為三相流的磨損過(guò)程。

脫硫塔；循環(huán)泵；葉輪；空蝕

某石化公司重油催化裝置煙氣脫硫單元的脫硫塔塔底循環(huán)泵，其葉輪出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象，為了分析失效原因，特進(jìn)行了檢測(cè)分析。該機(jī)泵為六流道雙吸泵，葉輪口環(huán)的設(shè)計(jì)材質(zhì)為Cr30A，設(shè)計(jì)溫度為120℃，設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa。實(shí)際進(jìn)口壓力0.15MPa，出口壓力為1.2MPa，實(shí)際運(yùn)行流量為2300m3/h，服役時(shí)間為2014年10月至2016年6月大修。

1 檢測(cè)分析

（1）宏觀觀察從失效葉輪的宏觀和低倍形貌可以看出，葉輪邊緣與葉片損毀嚴(yán)重，葉片磨損成刀刃狀。葉片的壓力面和吸力面均可見(jiàn)大量的蝕坑。蝕坑整體呈現(xiàn)出魚(yú)鱗狀形貌，并可見(jiàn)具有明顯方向性的溝槽，與流體的走向相關(guān)。葉輪失效部位的低倍形貌可見(jiàn)，蝕坑內(nèi)局部有少量腐蝕產(chǎn)物堆積，大多數(shù)蝕坑內(nèi)呈現(xiàn)光亮的金屬光澤，如圖1所示。

（2）材質(zhì)分析。利用直讀光譜儀，對(duì)葉輪材質(zhì)進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果如表1所示，葉輪設(shè)計(jì)材質(zhì)為Cr30A，檢測(cè)含量與Cr30A的標(biāo)準(zhǔn)含量對(duì)比，可見(jiàn)葉輪含碳量不足，鉻含量偏低，鎳和銅含量偏高，說(shuō)明葉輪的材質(zhì)并不是Cr30A，而更接近于CD4MCuN的成分，但鉻高于標(biāo)準(zhǔn)含量，鎳低于標(biāo)準(zhǔn)含量，銅含量也低于標(biāo)準(zhǔn)含量。

圖1 失效葉輪宏觀形貌

（3）金相檢驗(yàn)。從圖2所示的金相組織結(jié)果可見(jiàn)，可見(jiàn)葉輪為鑄態(tài)結(jié)構(gòu)，組織主要為奧氏體基體中分布著條狀或者塊狀的碳化物。

（4）電鏡及能譜分析。從葉輪凹坑內(nèi)的成分分析可見(jiàn)，凹坑內(nèi)除了金屬本體金屬外，主要還含有O、Al、Si和S元素，主要來(lái)源為接觸介質(zhì)。其中O和S為腐蝕性元素，而Al和Si則應(yīng)來(lái)源于催化劑中的固體粒子Al2O3和SiO2（圖3）。

2 分析與討論

通過(guò)宏觀和微觀觀察可見(jiàn)，葉輪主要呈現(xiàn)魚(yú)鱗狀或者海綿狀的形貌，能譜檢測(cè)到腐蝕坑底部有大量O元素，并有腐蝕現(xiàn)象，以上均是汽蝕的典型特征，因此初步判斷失效機(jī)制之一為汽蝕；其次，宏觀上觀察，葉輪的失效形貌上均帶有與運(yùn)動(dòng)方向相關(guān)的溝槽，因此判斷失效機(jī)制之二可能有沖蝕磨損，即葉輪和口環(huán)的失效整體上是三相流的綜合磨損過(guò)程。離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，液體在葉輪中流動(dòng)，由于葉片形狀和液流在其中突然改變方向等流動(dòng)特點(diǎn)，決定了液流在葉道中分布是不均勻的。液體的壓力隨著從泵入口到葉輪入口而下降。在葉片附近的非工作面上存在著某些局部低壓區(qū)。蝕坑底部能譜分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 材質(zhì)分析結(jié)果

表2 蝕坑底部能譜分析結(jié)果

圖2 金相組織檢驗(yàn)

圖3 葉輪蝕坑底部微觀形貌

當(dāng)液體的壓力降低到對(duì)應(yīng)液體的飽和蒸汽壓力時(shí)，液體便開(kāi)始汽化而形成氣泡，這些氣泡在低壓區(qū)中增長(zhǎng)并形成空腔，當(dāng)氣泡被液流帶到高壓區(qū)時(shí)，又瞬時(shí)潰滅。在氣泡潰滅的瞬間，氣泡周?chē)囊后w迅速?zèng)_入氣泡潰滅形成的空穴，并伴有局部的高溫、高壓水擊現(xiàn)象，從而在葉輪的表面造成侵蝕。氣泡的形成、增長(zhǎng)和潰滅以及造成侵蝕的過(guò)程稱為汽蝕。可見(jiàn)泵發(fā)生汽蝕是由于入口附近某些低壓區(qū)處的壓力降低到液體飽和蒸汽壓力，導(dǎo)致部分液體汽化所致。所以，凡能使局部壓力降到液體汽化壓力的因素都可能誘發(fā)汽蝕。

設(shè)計(jì)的葉輪材質(zhì)為Cr30A，而實(shí)際應(yīng)用的葉輪口環(huán)材質(zhì)為CD4MCuN，兩種材料的硬度值相比，Cr30A要求的硬度HRC≥34，明顯高于CD4MCuNHRC≥26，因此從硬度角度的選材上，Cr30A的抗沖蝕性能會(huì)更好。從環(huán)境角度講，漿液中含有固相顆粒同時(shí)存在沖刷作用，會(huì)促進(jìn)氣蝕的發(fā)生和發(fā)展。

離心泵的汽蝕一般有三種情況：葉型汽蝕、間隙汽蝕和漩渦汽蝕。從葉輪和口環(huán)的失效情況來(lái)看，葉輪外緣和口環(huán)間隙處均由大量蝕坑，說(shuō)明存在間隙汽蝕。葉片正面和背面也存在大面積蝕坑，說(shuō)明葉面氣蝕也是存在的。發(fā)生葉面汽蝕主要是因?yàn)樗冒惭b過(guò)高或倒灌高度不夠，或流量偏離設(shè)計(jì)流量過(guò)大時(shí)產(chǎn)生的汽蝕現(xiàn)象，而間隙腐蝕一般發(fā)生在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)。因此若想削弱汽蝕現(xiàn)象，還需要從優(yōu)化設(shè)計(jì)和選材上考慮。

泵汽蝕發(fā)生的條件是泵本身的汽蝕性能和吸人裝置條件兩方面決定的。欲不使泵汽蝕，必須增大裝置汽蝕余量NPSHa，減小泵汽蝕余量NPSHr。影響泵汽蝕余量的主要因素是泵葉輪進(jìn)口的幾何形狀，如葉輪進(jìn)口直徑，葉片進(jìn)口安放角，葉片進(jìn)口邊的形狀、葉片數(shù)、葉輪進(jìn)口流道形狀等，因此提高泵的抗汽蝕性能必須從改進(jìn)泵入口的結(jié)構(gòu)參數(shù)人手。

3 結(jié)論及建議

（1）通過(guò)以上檢測(cè)分析，得出如下結(jié)論：

葉輪口環(huán)的設(shè)計(jì)材質(zhì)為Cr30A，實(shí)測(cè)材質(zhì)及硬度結(jié)果表明其材質(zhì)接近CD4MCuN，但鉻含量偏高，鎳和銅含量偏低，并不符合CD4MCuN的標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)規(guī)定；

葉輪口環(huán)的失效原因主要為汽蝕，加之催化漿液中的催化劑顆粒導(dǎo)致的沖蝕，整體為三相流的磨損過(guò)程；

金屬抗沖蝕的性能，與材料的硬度有較大關(guān)系，Cr30A的硬度較CD4MCuN的硬度高，因此將設(shè)計(jì)材質(zhì)Cr30A更換成“CD4MCuN”，本身就是降低了葉輪的耐汽蝕性能；

從汽蝕的類型上分析，葉輪和口環(huán)主要發(fā)生的是葉面型和間隙汽蝕，說(shuō)明循環(huán)泵存在安裝過(guò)高或倒灌高度不夠，或流量偏離設(shè)計(jì)流量過(guò)大，或存在低負(fù)荷運(yùn)行等情況。

（2）針對(duì)以上失效現(xiàn)象，葉輪口環(huán)主要發(fā)生提出改進(jìn)建議如下：

尊重設(shè)計(jì)選材，葉輪材質(zhì)應(yīng)更換為Cr30A。

離心泵的汽蝕是一項(xiàng)技術(shù)難題，要想降低汽蝕磨損，需要重新評(píng)估離心泵的設(shè)計(jì)參數(shù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，以便達(dá)到減小泵汽蝕余量的目的。在設(shè)計(jì)泵站時(shí)，要使裝置汽蝕余量NPSHa大于泵的允許汽蝕余量NPSHr，并且要留有余量。減小泵的幾何吸上高度或增加幾何倒灌高度同時(shí)，應(yīng)充分考慮進(jìn)水裝置可能遇到的各種工作情況，以便正確地確定安裝高程。

可以向汽蝕區(qū)注入空氣，減緩汽蝕。

條件允許的情況下，可以加裝誘導(dǎo)輪和增加前置泵等。

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TG174.4

A

1671-0711（2016）11（上）-0099-02