DS 系列溶液循環泵振動超高原因探討

林萬洲，李 進，趙 云

（1.中國石油西南油氣田川東北作業分公司，四川達州 635000；2.中國石油西南油氣田天然氣凈化總廠，重慶 400021）

0 引言

某處理量200×104m3/d 高含硫、高含碳天然氣凈化廠，脫硫單元溶液循環泵采用DS 系列臥式多級離心泵。溶液循環泵作為生產關鍵設備，其任務是將MDEA（甲基二乙醇胺）溶液分別送入MDEA 吸收塔和MDEA 閃蒸塔，完成整個脫硫單元MDEA 溶液的循環。該泵自投用以來運行較為平穩，但當連續運行時間超過6 個月時，就逐漸表現出軸承振動值異常超高現象，且振動值呈增大趨勢，嚴重影響裝置的平穩運行。對泵實施解體大修，從軸承、密封環、軸、平衡鼓（套）、軸承座調心定位等多方面影響因素進行分析和排查，但啟運后不久又會再次出現軸承振動增大和超標的問題。經過對工藝狀況、設備本體等多方面的綜合分析和排查，在排除造成軸承振動超高的泵內部因素后，采取提高泵日常運行流量、降低MDEA 溶液中的固體顆粒雜質含量等一系列措施，最終解決了這一難題。

1 基本情況

該溶液循環泵為臥式多級離心泵，型號為DS100-260/10A，由國內某泵業公司生產。該泵由電機、泵體、密封系統、冷卻系統等部件組成，用于輸送介質為40 ℃的MDEA 貧液，其他性能特征見表1。

表1 溶液循環泵性能特征

工藝流程中，溶液循環泵用于完成天然氣凈化裝置中脫硫單元的MDEA 貧液的循環，泵的流量大小由貧液流量調節閥FV-1201（位于貧液入吸收塔前管線）控制，MDEA 貧液中的固體顆粒雜質由貧富液換熱器E-1201AB 貧液入口和溶液循環泵P-1201AB 入口的T 形過濾器進行過濾。

2 低流量工況泵振動分析

離心泵在正常的流量標準下，是不會產生振動的。但是，一旦流量出現明顯的波動幅度，離心泵內的工作零件及管道就會出現振動。當流量回歸到正常值時，振動和聲響也會隨之消失。離心泵的振動隨流量變化而變化，通常在最佳效率點流量附近其值最小，并且隨著流量的增大或減小而增加。從最佳效率點流量起，振動隨流量的變化取決于泵的能量密度、比轉速及汽蝕比轉速，通常情況下振動的變化量隨能量密度、比轉速及汽蝕比轉速的增加而增加。

離心泵除了有在性能曲線上標注的最小連續流量外，還有一個最小連續熱流量。泵在小流量條件下運行時，部分液體的能量轉變為熱能，使進口處液體的溫度升高，當液體溫度使有效汽蝕余量等于或小于泵必須汽蝕余量時，就會產生汽蝕現象。

正常流量下，泵本身的自動平衡裝置能很好地平衡轉子軸向力。該溶液循環泵通過平衡鼓進行平衡（固定的平衡），平衡鼓基本能平衡90%～95%的軸向力[1]，其余軸向力由泵尾端的止推軸承平衡。但是，當流量過低時，由于軸向力的增大，自動平衡裝置就不能完全平衡轉子的軸向力，轉子就會受到一個指向葉輪入口方向的軸向作用力，造成轉子向前竄動，轉子、平衡鼓、平衡鼓套等部件磨損。同時，軸向介質的入口沖角與轉子葉片的安裝角偏差較大，也會產生沖擊，引起強烈振動。

據記錄，溶液循環泵軸承振動超高時，其振動值最高達9.5 mm/s RMS（標準值4.5 mm/s RMS），振動超高后在對泵進行解體大修時，重點檢查了平衡鼓與平衡鼓套間隙、轉子跳動、軸彎曲度、密封環間隙、軸承磨損情況、軸承座調心定位、聯軸器對中狀況等，更換了平衡鼓套、密封環、軸承、葉輪、機械密封等易損件，但是試車時發現振動值仍超標約5.5 mm/s RMS，并且在后續的長期監測中發現，該振動值呈增大趨勢。期間，溶液循環泵流量為80～100 m3/h，約為設計流量的44.4%～55.5%，偏離設計流量點較大。這進一步驗證了，低流量工況促使泵的軸承振動超高。

3 固體顆粒對泵的振動分析

在天然氣凈化裝置中，脫硫單元溶液中固體顆粒主要為再生塔、重沸器等設備和管線的腐蝕產物，以及上游原料天然氣帶來的未被過濾系統過濾除凈的固體顆粒。

當含有固體顆粒的溶液進入泵后，固體顆粒隨溶液進入葉輪與密封環間隙、平衡鼓與平衡鼓套間隙，葉輪、平衡鼓隨主軸由電機驅動旋轉，密封環鑲嵌于導葉與蝸殼上處于靜止狀態，兩者相對運動，位于間隙處的固體顆粒對密封環、平衡鼓套、平衡鼓、葉輪產生磨損。一般情況下，平衡鼓套、密封環材料硬度較平衡鼓、葉輪材料小，因此平衡鼓套和密封環磨損較嚴重。磨損后，密封環和葉輪間隙增大，平衡鼓和平衡鼓套間隙增大。

密封環間隙增大后，泄漏量增加，對離心泵的效率影響雖不大，但軸向力卻成倍增加[2]，平衡鼓已無法起到平衡作用。當產生的軸向力超出平衡力部分大于止推軸承所能承受的力時，軸承達到疲勞負荷限值，泵軸承振動增大、運行壽命減短。

平衡鼓與平衡鼓套的泄漏量隨著間隙的增大而增大，平衡鼓的平衡效果隨著間隙的增大而降低[3]，進而導致平衡失效，軸承振動增大。溶液循環泵密封環（導葉）、密封環（中段）、密封環（進口段）以及平衡鼓套材料均為ZQPb12-8，首級葉輪、次級葉輪和平衡鼓材料均為ZG0Cr18Ni12Mo2，相比而言ZQPb12-8 硬度更小。一般情況而言，密封環和平衡鼓套均較葉輪和平衡鼓更易磨損。以某次溶液循環泵軸承振動大、解體大修檢查為例，各級密封環間隙及平衡鼓間隙尺寸如表2 所示。

表2 溶液循環泵解體各處配合間隙值

4 整改措施及效果

4.1 循環泵流量優化及效果

大修期間，對脫硫單元可能限制溶液循環量提升流程的所有設備進行詳細排查，發現脫硫再生塔C-1202 內部第一層塔盤降液板與升氣帽環板間距僅為19 mm，限制了循環量的提升。后經設計核算，需將該間距調整為120 mm，才能將脫硫系統溶液循環量提升至設計值。整改時，對降液板部分材料進行氣割切除，增大兩者之間間隙和溶液流通面積。

該處間距的調整，直接影響了溶液循環泵的運行情況。整改前，因該處間距較小，造成溶液流通不暢，日常脫硫單元MDEA 溶液流量最高僅能達到130 m3/h（將再生酸氣壓力控制在100 kPa，超出設計值80 kPa），一般情況下流量均小于100 m3/h（最低時僅80～90 m3/h）。整改后，MDEA 溶液流量一般控制在140 m3/h 以上。與此同時，在對貧液空冷器入口管線降低后，循環量能長時間維持到泵的額定值180 m3/h。循環量提升后，解體大修后的泵（更換新密封環，平衡鼓套，軸承，機封等）振動值能從5.5 mm/s RMS 以上降低至3.0 mm/s RMS 以內，低于標準4.5 mm/s RMS。

4.2 改善系統溶液質量，減少溶液中的固體顆粒含量

為改善脫硫單元溶液系統質量，以下從4 個方面提出整改措施。

（1）優化過濾系統。溶液循環泵P-1201AB 入口和貧富液換熱器E-1201AB 貧液入口共設置了4 臺T 形過濾器，但該過濾器濾芯兩端面密封不嚴，導致溶液通過過濾器時形成“短路”，無法有效過濾溶液中的雜質，導致過濾效果不佳。通過對T 形過濾器加工支撐圈，再將其焊接至過濾器內部；將過濾器原密封端面重新處理，增大密封面和臺階深度，重新制作濾芯，并在濾芯端面設置PTFE（聚四氟乙烯）平面密封墊，進一步保證過濾濾芯的端面密封性能。整改后，當過濾器前后壓差達到50 kPa 時打開檢查濾網，可以觀察到濾網表面幾乎完全被固體顆粒雜質覆蓋，說明雜質基本上能被有效攔截，過濾效果顯著（圖1）。

圖1 過濾器攔截的雜質

（2）溶液更換。為保證溶液系統的潔凈度，更換脫硫系統新鮮MDEA 溶液83 t。

（3）設備升級更換。從脫硫系統溶液循環的工藝流程上來看，MDEA 貧液與原料氣在吸收塔C-1201 內接觸后，上游原料氣帶來雜質以及吸收塔內的腐蝕產物隨MDEA 富液被帶走，并在MDEA 預過濾器F-1201AB、活性炭過濾器F-1202、MDEA 后過濾器F-1203AB 內完成過濾。但是由于MDEA 富液具有腐蝕性，在之后的流程中會對管線和設備產生腐蝕，再次形成腐蝕產物。從歷年大修設備打開檢查的情況來看，存在嚴重腐蝕的設備主要有再生塔重沸器、再生塔和部分溶液管線。其中，再生塔的主要腐蝕部位為重沸器半貧液返回口附近區域筒體內壁，重沸器主要腐蝕部位為氣液兩相區的管束外壁和筒體內壁，重沸器返回再生塔的半貧液管線也存在嚴重腐蝕減薄。針對存在腐蝕的設備和管線，主要采取以下3 個措施：①將熱虹吸式重沸器更換為釜式重沸器，頂部設置有一個蒸發空間[4]，使得氣液兩相的徹底分離在殼程內完成，換熱管束完全浸沒在溶液內，能有效避免管束發生空泡腐蝕；②將再生塔主體材料由20R 升級為不銹鋼復合板Q245R+316L 材料，日常運行時，僅覆層材料316L 與半貧液、酸性氣體接觸，抗腐蝕性能提高，有效改善了再生塔筒壁的腐蝕狀況；③將部分腐蝕嚴重的半貧液管線、富液管線材料由20G 升級為304 或316L 奧氏體不銹鋼材料。

（4）系統性化學清洗。有計劃地在裝置大修時安排專業團隊對脫硫單元溶液系統進行化學清洗，徹底清除系統中人工無法清洗的管線和其余死角中的雜質。

4.3 整改效果

在通過提高溶液循環泵日常運行時的流量，降低MDEA 溶液中的固體顆粒雜質含量兩種方式整改后至今，溶液循環泵前后軸承振動值均在標準范圍內，一般低于3.0 mm/s RMS，運行情況良好。經統計，整改前溶液循環泵年平均檢修11 次，其中大修7 次、中修4 次；整改后，除日常的例行維護保養和預防性檢修外，尚未出現任何故障。

5 結束語

目前，該天然氣凈化廠處理量日趨下降，脫硫單元溶液循環量隨之減小；同時，高含硫、高含碳凈化廠脫硫單元設備設施腐蝕嚴重，腐蝕產物的形成增加了溶液中固體顆粒的含量。這些問題的出現導致溶液循環泵振動值超標。

通過總結工廠實際整改措施，認為優化溶液運行系統，提高溶液循環量使其盡量接近泵的額定流量，是減少溶液循環泵振動的有效措施之一。同時，通過清潔系統溶液，整改、更換溶液過濾設備設施，降低溶液中固體顆粒含量，提高溶液潔凈度，也是減少溶液循環泵振動的有效途徑。