大型乙烯裝置急冷油泵國(guó)產(chǎn)化研發(fā)與應(yīng)用

李博源

（中國(guó)石油大慶石化公司化工一廠，黑龍江大慶 163700）

0 引言

急冷油泵是乙烯裝置的重要設(shè)備，由于急冷油黏度變化大、含有大量硬質(zhì)焦粉顆粒，急冷油泵的殼體、葉輪等零部件會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損腐蝕，嚴(yán)重影響泵的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)壽命。這類泵的性能要求已超過(guò)國(guó)產(chǎn)普通BB2 泵的范圍，基本上是由國(guó)外著名品牌泵制造公司生產(chǎn)。

E3（裂解三套）裝置急冷油泵出口的急冷油有兩個(gè)去向：一是為裂解爐EF3110-3170 急冷器提供降溫急冷油，二是為急冷油循環(huán)與工藝水換熱器發(fā)生稀釋蒸汽。在生產(chǎn)過(guò)程中，一旦急冷油泵能力不足或發(fā)生故障，將影響急冷油系統(tǒng)的取熱、降低稀釋蒸汽發(fā)生量，進(jìn)而造成急冷油溫度升高、黏度增大、急冷系統(tǒng)熱量失衡，嚴(yán)重時(shí)裝置被迫降低負(fù)荷。2018 年裝置運(yùn)行末期，曾多次因?yàn)榧崩溆捅媚芰Σ蛔慵皺z修降低裝置負(fù)荷，影響了裝置的整體經(jīng)濟(jì)效益。因此，需要針對(duì)裝置的工藝參數(shù)及原料特點(diǎn)，研制一種能夠長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的急冷油泵，以保障急冷油系統(tǒng)正常運(yùn)行。

1 國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀分析

1.1 國(guó)外技術(shù)現(xiàn)狀

目前進(jìn)口急冷油泵主要有兩種技術(shù)類型，分別是HVOF（High Velocity Oxygen Fuel，超音速噴涂）技術(shù)和口環(huán)沖洗技術(shù)。其中，HVOF 技術(shù)初期成本投入較高，但綜合維護(hù)成本相對(duì)較低；口環(huán)沖洗技術(shù)需要持續(xù)注入外部的高壓沖洗源，年消耗量較大。從節(jié)能角度來(lái)看，HVOF 技術(shù)的急冷油泵更具潛力。

HVOF 工藝是將粉末注入高速火焰中，然后將粉末噴到基材上、形成致密均勻的涂層。由于基材未被加熱至熔化，其性能不受涂層應(yīng)用的影響。部分國(guó)外泵業(yè)公司如SULZER（美）在急冷油泵上對(duì)過(guò)流部件進(jìn)行HVOF 處理，提高材料的耐磨性能。

化工一廠乙烯車(chē)間原有的3 臺(tái)急冷油泵就是SULZER 生產(chǎn)制造的，采用超高音速噴涂技術(shù)，自2012 年10 月現(xiàn)場(chǎng)投用后至今，未出現(xiàn)過(guò)因過(guò)流部件沖蝕損壞而導(dǎo)致停機(jī)檢修的情況，運(yùn)行狀況良好。

以德國(guó)、日本泵企為代表的急冷油泵制造廠家，主要采用口環(huán)沖洗技術(shù)。其設(shè)計(jì)思路為：通過(guò)外部高壓沖洗源，對(duì)口環(huán)處進(jìn)行沖洗，防止急冷油中介質(zhì)顆粒對(duì)口環(huán)產(chǎn)生磨蝕，同時(shí)口環(huán)間隙處可以獲得足夠的潤(rùn)滑，防止發(fā)生干磨。此技術(shù)需要消耗2.5～10.0 m3/h 的沖洗液，年消耗量約5 萬(wàn)立方米，但在鎮(zhèn)海煉化、中科（廣東）煉化等項(xiàng)目也有應(yīng)用。

1.2 國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀

中國(guó)水利水電科學(xué)研究院對(duì)HVOF 涂層材料的抗磨蝕特性與應(yīng)用進(jìn)行了分析，通過(guò)磨損試驗(yàn)證明碳化鎢涂層的磨損率遠(yuǎn)小于Cr13Ni4 材料。因此，在實(shí)驗(yàn)室條件下碳化鎢涂層具有極強(qiáng)的抗磨性。

在本項(xiàng)目實(shí)施之前，尚沒(méi)有使用HVOF 噴涂技術(shù)的國(guó)產(chǎn)大型乙烯裝置急冷油泵。

2 技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

根據(jù)目前急冷油泵工況條件和運(yùn)行參數(shù)，結(jié)合日常急冷油泵檢修維護(hù)經(jīng)驗(yàn)以及密封使用經(jīng)驗(yàn)，提出急冷油泵設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)（表1）。

表1 急冷油泵設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

3 技術(shù)要求

當(dāng)前，世界公認(rèn)的泵用先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)API 610—2010《石油石化及天然氣工業(yè)用離心泵》，國(guó)產(chǎn)化急冷油泵也參考該標(biāo)準(zhǔn)作為研發(fā)的技術(shù)要求。額定點(diǎn)揚(yáng)程、效率不允許有負(fù)偏差，揚(yáng)程允差0～3%；額定功率性能允差在＋4%；距聲源1 m 處聲壓值不大于85 dB（A）；工廠試驗(yàn)軸承箱油池溫度不超過(guò)80 ℃，油池溫升不超過(guò)39 ℃；額定汽蝕余量不允許有正偏差；關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程不允許超過(guò)規(guī)定值；同時(shí)要求與現(xiàn)裝置的3 臺(tái)急冷油泵任一臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)互為備用。

大慶石化化工一廠乙烯車(chē)間急冷油泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程120 m，效率88%，汽化壓力0.074 MPa，額定流量3267 m3/h，轉(zhuǎn)速1475 r/m，功率1500 kW。

4 設(shè)計(jì)與制造特點(diǎn)

4.1 主體材料耐磨性的保證

葉輪和殼體采用耐磨工藝方法，可以有效防止口環(huán)處焦炭顆粒的磨損。通過(guò)對(duì)兩家噴涂技術(shù)供應(yīng)商技術(shù)驗(yàn)證、6 件噴涂樣件對(duì)比、6 組結(jié)合力驗(yàn)證樣件檢驗(yàn)，最終確定噴涂技術(shù)主要特性滿足項(xiàng)目應(yīng)用要求：①涂層外觀均勻，無(wú)劃痕和裂紋；②輪口環(huán)變形量滿足設(shè)計(jì)要求；③噴涂加工面PT（Penetrant Testing，滲透檢測(cè)）檢驗(yàn)無(wú)缺陷，滿足設(shè)計(jì)要求；④?chē)娡繉雍穸葷M足設(shè)計(jì)要求；⑤噴涂層硬度不小于62 HRC，滿足工藝要求；⑥口環(huán)鑲裝后涂層完好，滿足裝配要求；⑦體口環(huán)和葉輪，均勻加熱至300 ℃，噴涂層完好，滿足設(shè)計(jì)要求；⑧噴涂層結(jié)合力不小于40 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 水力模型設(shè)計(jì)

該水力模型為高效水力模型設(shè)計(jì)，采用大流量、高揚(yáng)程水力設(shè)計(jì)，能夠滿足與現(xiàn)場(chǎng)原有進(jìn)口泵并聯(lián)運(yùn)行要求。

通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：①通過(guò)兩組不同葉片數(shù)水力模型設(shè)計(jì)，4 次CFD（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）模擬分析，國(guó)產(chǎn)急冷油泵額定點(diǎn)效率達(dá)到88.3%，滿足項(xiàng)目效率要求；②流量揚(yáng)程曲線與現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)口急冷油泵曲線（曲線斜率1.17）相近，滿足并聯(lián)運(yùn)行要求。

4.3 主機(jī)泵振動(dòng)性能的保證

主機(jī)泵采用大軸徑轉(zhuǎn)子抗軸振動(dòng)設(shè)計(jì)和殼體抗振動(dòng)設(shè)計(jì)，確保設(shè)備的振動(dòng)性能。

（1）泵組模態(tài)分析。根據(jù)運(yùn)行工況，分別對(duì)整機(jī)及轉(zhuǎn)子進(jìn)行模態(tài)分析：整機(jī)一階固有頻率為58.624 Hz，與轉(zhuǎn)頻（24.58 Hz）有20%以上的安全間隔，滿足API 610—2010 的設(shè)計(jì)要求；轉(zhuǎn)子橫向一階固有頻率為82.586 Hz，扭轉(zhuǎn)一階固有頻率為812.59 Hz，滿足API610—2010 的橫向分析和扭轉(zhuǎn)分析要求。

（2）嚴(yán)格的制造過(guò)程管控，保證機(jī)組振動(dòng)性能滿足設(shè)計(jì)要求：①軸振位置“輥壓”處理，粗糙度Ra0.4；②退磁處理，軸剩磁含量低于2 Gs；③軸振位置機(jī)械和電氣跳動(dòng)值不大于0.01 mm；④轉(zhuǎn)子部件動(dòng)摩擦副跳動(dòng)值不大于0.05 mm；⑤軸振探頭夾角檢查；⑥軸瓦內(nèi)孔尺寸測(cè)量。

4.4 機(jī)械密封的可靠性保證

關(guān)于國(guó)產(chǎn)泵機(jī)械密封的選型，可以從以下4 個(gè)方面開(kāi)展。

（1）調(diào)研結(jié)果。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)已實(shí)現(xiàn)急冷油泵機(jī)械密封國(guó)產(chǎn)化，主要采用PLAN32+53 沖洗方案，配靜止型波紋管、效果較好，本次新國(guó)產(chǎn)泵決定選用PLAN32+53A 方案。

（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)。靜止型波紋管，耐高溫、穩(wěn)定性好，而雙端面機(jī)械密封設(shè)計(jì)，更符合高危泵管理要求，降低現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

（3）價(jià)格優(yōu)勢(shì)。相對(duì)進(jìn)口機(jī)械密封，國(guó)產(chǎn)機(jī)械密封價(jià)格更低，且服務(wù)相應(yīng)速度更快。

通過(guò)研究可知，本次選用的機(jī)械密封可以滿足項(xiàng)目長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

5 出廠及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

5.1 出廠測(cè)試

為檢驗(yàn)國(guó)產(chǎn)急冷油泵整機(jī)的性能指標(biāo)，確認(rèn)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司工廠試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行出廠性能驗(yàn)收試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目包括性能試驗(yàn)、運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)、汽蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)效果良好，滿足性能指標(biāo)達(dá)到API 610（第11 版）和該項(xiàng)目技術(shù)協(xié)議的要求。

5.1.1 試驗(yàn)方法

（1）性能試驗(yàn)的試驗(yàn)方法。主要分為水力性能和振動(dòng)性能試驗(yàn)，其中前者采用的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 3216—2016《回轉(zhuǎn)動(dòng)力泵 水力性能驗(yàn)收試驗(yàn)1 級(jí)、2 級(jí)和3 級(jí)》（ISO 9906：2012，IDT）中1 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；后者（振動(dòng)性能）采用的標(biāo)準(zhǔn)有3 個(gè)，分別為GB/T29531—2013《泵的振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)方法》、API 610—2010 和API 670—2014《振動(dòng)、軸向位置和軸承溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)》。

（2）運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)的試驗(yàn)方法。試驗(yàn)方法主要有3 個(gè)：①油池溫升，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為API 610—2010；②噪聲測(cè)量，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 29529—2013；③軸封泄漏量，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為API 682—2014《離心旋轉(zhuǎn)泵的軸封系統(tǒng)》。

（3）汽蝕試驗(yàn)的試驗(yàn)方法：GB/T 3216—2016（ISO 9906：2012，IDT）中1 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

5.1.2 工廠試驗(yàn)結(jié)果

國(guó)產(chǎn)化急冷油泵出廠驗(yàn)收試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

5.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

試驗(yàn)完成的國(guó)產(chǎn)急冷油泵于2019 年9 月出廠，2020 年8月裝置現(xiàn)場(chǎng)完成所有配套施工并驗(yàn)收合格，并對(duì)國(guó)產(chǎn)急冷油泵進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)。試運(yùn)一次成功，各項(xiàng)指標(biāo)均正常，機(jī)泵各點(diǎn)振動(dòng)均處于優(yōu)良狀態(tài)，全部達(dá)到工況參數(shù)要求，并能與裝置原有的3 臺(tái)進(jìn)口急冷油泵的任一臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)互為備用（表3）。

表3 現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)產(chǎn)化急冷油泵經(jīng)過(guò)兩年的工業(yè)裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，滿足工業(yè)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)需求，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)已具備大型乙烯裝置急冷油泵國(guó)產(chǎn)化的設(shè)計(jì)和制造能力，打破了國(guó)外壟斷，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。國(guó)產(chǎn)急冷油泵替代進(jìn)口急冷油泵后，不僅采購(gòu)成本顯著下降，而且還可以為急冷油泵的維護(hù)提供快速響應(yīng)和服務(wù)，降低裝置運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，經(jīng)濟(jì)效益明顯。