尿素裝置高壓甲胺泵的技術改造

席洪峰

(云南解化清潔能源開發有限公司 解化化工分公司，云南 開遠 661600)

尿素裝置甲胺泵的主要作用是將甲胺液升壓(從 1.7 MPa 升壓至 20 MPa)后送入尿素合成塔。7V3甲胺泵是尿素裝置建廠時從廣州氮肥廠購入的二手設備，由英格索爾·蘭德公司(美國)制造，為立式往復泵。自投產以來，該泵運行相對較為穩定，處理量大，一直是尿素系統生產的關鍵設備。因國外備件采購困難，自購入后，公司一直致力于備件的國產化。通過多年努力，液力端部分，除曲軸、機身外，備件已基本實現國產化，但傳動部分中液力變矩器、減速器一直為原裝進口設備，并且因備件無法購買，相關技術資料不全，且液力變矩器結構復雜、裝配精度要求高等原因，兩設備一直未進行拆卸檢修。此外，該泵出口設置有流體動力型PDS排出緩沖器，用于降低由于柱塞式往復泵運行產生超壓脈沖引起的振動和噪聲。在運行中，有時候會出現流量不穩定，但因缺少相關資料，一直未能進行徹底處理。2011年8月20日，甲胺泵減速器響聲異常、振動大，工藝進行緊急停車。在工藝處理過程中發現，該泵出口緩沖器介質無法通過，經多次嘗試，判斷為設備堵塞。隨后，經檢修人員拆減速器側蓋發現，傳動齒輪軸齒面斷裂、軸承內圈損壞。因設備的特殊性給修復工作帶來較大困難，因此考慮對減速器及液力變矩器進行改造，主要是實現減速器的國產化及取消液力變矩器。對于出口緩沖器，因資料不全，只能考慮解體檢查，并進行修復使用。

1 設備主要技術參數及結構簡圖

主要設備的性能及技術參數見表1。

表1 性能及技術參數

改造前傳動簡圖見圖1。

圖1 改造前傳動簡圖

2 改造方案

2.1 取消液力變矩器

液力變矩器[1]主要實現無級調速以及恒轉矩輸出功能，它存在結構復雜、裝配精度要求高、維護費用高(主要是液壓油的損耗)等問題。加之為進口設備，備件無法采購，一旦損壞將無法恢復，這些問題一直是甲胺泵的隱患。現在通過電機變頻器可以實現無級調速及恒轉矩輸出功能，所以完全可以取代液力變矩器，而且甲胺泵電機已經更新為變頻電機，并配備了變頻器，故可以取消液力變矩器的使用，消除存在隱患。同時，取消液力變矩器可以減少占地面積，去除配套油冷器及附屬油路系統，改變現場環境。

2.2 減速器改造

因原減速器為進口設備，而且資料不全，無相關圖紙及技術參數。若采取測繪加工齒輪軸的方式修復減速器，可能存在測繪誤差，從而導致運行不穩定，造成更大的故障。如采取整體更新減速器的修復方案，在輸入與輸出中心距定位上可能存在一定誤差，并且非標設備的加工價格也會較為昂貴，加工周期也會較長，給恢復工作帶來難度，在設備安裝的找平找正上也會帶來更多的麻煩。并且只更換減速器，液力變矩器的隱患將繼續存在，不利于日后設備的穩定運行。為此在取消液力變矩器的同時，決定實現減速器的國產化。

首先根據原減速器速比，選擇合適的國產減速器，經過對比選擇硬齒面齒輪減速器ZLYS355-11.2，實際速比為11.098與原減速器 (11.653) 較為接近，此時泵速可達 133 r/min，流量為 25.2 m3/h。因速比降低，轉速加快，線速度升高，必須對軸功率進行校核，驗證是否能夠使用原電機及變頻器。

根據公式：

F=P·S

(1)

式中：F為工作機阻力，P為泵出口壓力，S為柱塞截面積。

根據公式

v=ω·r=2πn·r

(2)

式中：n為泵轉速，133 r/min，r為曲軸半徑，98.2 mm。

帶入公式2可得v=1.36 m/s。

(3)

式中：PW為工作機所需功率，F為工作機阻力，v為工作機的線速度，ηw為工作機效率。

查《機械設計課程設計手冊》[2]表1-7可知，ηw=0.98，將計算各值帶入公式(3)可得PW=171.5 kW。

因 171.5 kW<200 kW，所以原電機能夠滿足功率需求，無需更換電機及變頻器[3]。而改造時利用原有底座對減速器及電機底座進行重新制作安裝，無需進行基礎的澆灌，可降低檢修費用和加快改造進度。

2.3 改造后傳動簡圖

改造后傳動系統見圖2。

圖2 改造后傳動簡圖

2.4 出口緩沖器修復

2.4.1 機加工解體

由機械廠利用鏜床或刨床(具體需機械廠根據夾具與刀具情況確定)從設備兩半球焊縫處將其解體。如因位置限制無法全部去除時，必須先鏜或刨出兩道足夠長的切口，能夠辨別設備內部結構，確認內部無殘余介質及雜物，并且無損于內部結構時，方能采用等離子方式等進行解體[4]。

2.4.2 設備結構確認

經機械廠進行解體后，該設備內部結構顯現出來，而在球體內部發現有損壞單向閥閥芯一件，正好堵住出口組件入口管，導致該泵在工藝處理過程中介質無法進入出口管道[5]。其結構簡圖如圖3。

1.出口法蘭；2.出口接管；3.出口組件；4.球體；5.入口組件；6.入口接管；7.入口法蘭。

介質經5(入口組件)進入球體后形成旋流，此時在球體能形成緩沖，可消除往復泵的脈沖影響，從而降低管道振動，介質在經3(出口組件)流出進入管道。

2.4.3 設備恢復

1)焊接工藝評定

施焊前由修復單位編制焊接工藝評定，該評定應當符合JB4708《鋼制壓力容器焊接工藝評定》的要求。

2)焊接方式選擇及焊絲

焊接采用手工氬弧焊。該設備材質為 316 L(尿素級不銹鋼)，根據焊接標準，選擇H00Cr19Ni14Mo3焊絲，焊絲直徑 4.0 mm。

3)無損檢測

所有焊縫必須進行無損檢測，檢測按照TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術監察規程》及JB/T4730-2000相關要求進行。球體采用多層多道焊接方式時，每層焊道厚度不得大于 3 mm，每層焊接完成進行100%著色探傷。

4)焊后熱處理

焊接完成后進行整體退火處理，以消除焊接應力，退火溫度控制在680～720 ℃ 之間。

5)設備耐壓試壓

按照TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術監察規程》的相關規定，耐壓試驗的壓力應當符合設計圖樣要求，并且不小于公式(4)的計算值。

(4)

式中：PT為耐壓試驗壓力，MPa；η為耐壓試驗壓力系數，按照表2選用；p為壓力容器的設計壓力或者壓力容器銘牌上規定的最大允許工作壓力(對在用壓力容器為工作壓力)，MPa；[σ]為試驗溫度下材料的許用應力(或者設計應力強度)，MPa；[σ]t為設計溫度下材料的許用應力(或者設計應力強度)，MPa。

表2 耐壓試驗的壓力系數η

壓力容器各元件(圓筒、封頭、接管、法蘭等)所用材料不同時，計算耐壓試驗壓力應當取各元件材料[σ]/[σ]t比值中最小者。

查 316 L 在 20 ℃ 及 100 ℃ 時，許用應力均為 115 MPa，最高工作壓力為 22 MPa，故PT耐壓試壓壓力應為 27.5 MPa，試壓要求應當符合《容規》的相關規定。

3 改造運行情況

1)改造完成后試車運行穩定，完全滿足工藝需求。

2)改造后備件實現了國產化和標準化。