硫酸裝置襯氟磁力泵故障分析與處理

王民中

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101)

襯氟磁力泵是一種無動(dòng)密封泵，通過磁力驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行扭矩傳遞。磁力驅(qū)動(dòng)器由外磁轉(zhuǎn)子、隔離套及內(nèi)磁轉(zhuǎn)子組成。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)外磁轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁場(chǎng)能穿透不導(dǎo)磁的隔離套及空氣間隙，來帶動(dòng)與泵軸及葉輪相連的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力傳動(dòng)過程無接觸，從而避免輸送介質(zhì)的泄漏[1]。襯氟磁力泵的過流部件如泵殼、隔離套等均用聚四氟乙烯進(jìn)行包覆，葉輪通常采用整體塑料或金屬骨架包覆塑料[2]，泵殼耐磨環(huán)、葉輪耐磨環(huán)及葉輪軸軸承等部件采用耐化學(xué)腐蝕的氧化鋁陶瓷或碳化硅等材料制成[3]，因此襯氟磁力泵能夠輸送酸、堿、氧化劑等腐蝕性介質(zhì)，由于介質(zhì)封閉在靜止的隔離套內(nèi)，解決了普通離心泵的軸封泄漏問題，廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)。

1 問題描述

國(guó)內(nèi)某硫酸裝置采用丹麥WSA濕法制硫酸工藝，裝置中的洗滌水泵、急冷水泵兩個(gè)位號(hào)泵輸送介質(zhì)中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～50%的硫酸，普通材質(zhì)泵難以滿足使用要求，采用的是襯氟磁力泵。泵的進(jìn)出口管路采用的是襯氟管道。

圖1 葉輪

圖2 蝸殼襯里

圖3 內(nèi)磁轉(zhuǎn)子

裝置在投產(chǎn)運(yùn)行后不久，部分襯氟磁力泵故障頻繁，主要問題為運(yùn)行不暢及泵送流量不足，經(jīng)拆解后發(fā)現(xiàn)：(1)洗滌水泵、急冷水泵葉輪磨損嚴(yán)重，葉輪扣環(huán)磨損嚴(yán)重(圖1)，蝸殼襯里磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致蝸殼腐蝕出現(xiàn)砂眼(圖2)；(2)急冷水泵內(nèi)磁轉(zhuǎn)子襯氟損壞，泵輸送量不足(圖3)。

2 原因分析

以洗滌水泵為例，該泵主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 洗滌水泵主要設(shè)計(jì)參數(shù)

泵入口管路規(guī)格為DN200 mm，泵入口規(guī)格為DN125 mm，通過偏心異徑管DN200×125進(jìn)行連接。將泵拆解測(cè)量發(fā)現(xiàn)，襯氟后的偏心異徑管小端內(nèi)徑為φ82 mm，泵入口內(nèi)徑為φ120 mm，在泵入口處存在突然的變徑，此處存在較大的流動(dòng)損失，由于突然變徑造成的水頭損失計(jì)算如下[4]：

h—泵入口水頭損失，m；

v1—泵入口前介質(zhì)流速，m/s；

v2—泵入口后介質(zhì)流速，m/s；

其中：

則：

裝置中洗滌水泵的有效汽蝕余量為3.5 m，但在工藝計(jì)算時(shí)沒有考慮到管路襯里后引起的變徑造成的水頭損失，因此該值不能實(shí)際反映裝置的有效汽蝕余量，經(jīng)計(jì)算出現(xiàn)故障的泵汽蝕余量實(shí)際情況如表2所示。

表2 泵汽蝕余量核算

為確保泵不發(fā)生汽蝕，離心泵在裝置中的NPSHa必須有一個(gè)安全裕量S，滿足NPSHa-NPSHr≥S[5]。在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)API610第6.1.8條提出買方應(yīng)考慮一個(gè)適當(dāng)?shù)腘PSH安全裕量，以保護(hù)泵免遭汽蝕而引起損壞，但并未規(guī)定安全裕量的大小，只是要求賣方應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體泵型及使用條件推薦一個(gè)安全裕量大小[6]。國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)此也有規(guī)定，如GB/T16907-2014《離心泵技術(shù)條件(Ⅰ類)》第4.1.3條規(guī)定：NPSHa應(yīng)有比NPSHr大10%的裕量，且該裕量不得小于0.5 m[7]；GB/T5656-2008《離心泵技術(shù)條件(Ⅱ類)》第4.1.3條規(guī)定：裝置的最小NPSHa超過泵的NPSHr至少為規(guī)定的安全裕量，該安全裕量應(yīng)不低于0.5 m；SH/T3139-2011《石油化工重載荷離心泵工程技術(shù)規(guī)范》第5.1.9條規(guī)定：泵在額定點(diǎn)的必需汽蝕余量NPSHr應(yīng)至少比NPSHa小0.6 m[8]。

由相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可以看出，安全裕量S至少為0.5 m，即NPSHa-NPSHr≥0.5 m。由計(jì)算可知：由于泵入口處襯氟管道變徑所造成的水頭損失，導(dǎo)致裝置實(shí)際有效汽蝕余量大大降低，洗滌水泵在裝置中的有效汽蝕余量由3.5 m降低至2.47 m，急冷水泵在裝置中的有效汽蝕余量由3.5 m降低至0.13 m。計(jì)算所得到的NPSHa與NPSHr差值已完全不能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，導(dǎo)致泵汽蝕的發(fā)生。

由于存在嚴(yán)重的汽蝕，導(dǎo)致泵殼及葉輪襯聚四氟乙烯遭到破壞變形，造成泵殼與葉輪的間隙發(fā)生變化，造成泵殼及葉輪出現(xiàn)微小的碰撞咬合，導(dǎo)致襯氟磁力泵在運(yùn)行初期便運(yùn)行不暢、故障頻繁；裝置投產(chǎn)運(yùn)行不久，泵殼及葉輪襯聚四氟乙烯進(jìn)一步遭到破壞，泵殼部分襯里被擊破，使具有強(qiáng)腐蝕性的酸液與金屬泵殼相接觸，導(dǎo)致泵殼腐蝕出現(xiàn)砂眼；同時(shí)包覆內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的聚四氟乙烯也遭到破壞，當(dāng)聚四氟乙烯被擊破后，酸液進(jìn)入內(nèi)磁轉(zhuǎn)子導(dǎo)致退磁，此時(shí)外磁轉(zhuǎn)子不能完全帶動(dòng)內(nèi)磁轉(zhuǎn)子進(jìn)行做功，從而導(dǎo)致部分泵吸上量嚴(yán)重不足，進(jìn)而影響裝置的連續(xù)運(yùn)行。

3 解決措施

(1)針對(duì)管件襯氟后內(nèi)徑過小，查找相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)GB/T26500-2011《氟塑料襯里鋼管、管件通用技術(shù)要求》，發(fā)現(xiàn)所用管件的襯里厚度普遍偏厚，因此對(duì)襯氟磁力泵進(jìn)出口的所有襯氟鋼管、管件進(jìn)行檢查，并將進(jìn)出口襯氟鋼管及管件的尺寸進(jìn)行調(diào)整，將不符合內(nèi)徑要求的鋼管、管件進(jìn)行拆卸更換。

(2)襯氟管件更換后，先采用備用襯氟磁力泵進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，以保證裝置的正常運(yùn)行；對(duì)已經(jīng)遭到破壞的泵殼、葉輪及內(nèi)磁轉(zhuǎn)子等，聯(lián)系廠家對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行修復(fù)或更換。

經(jīng)上述措施后，相關(guān)襯氟磁力泵能夠正常連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，未再出現(xiàn)運(yùn)行不暢或泵送流量不足等問題。

4 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

襯氟磁力泵由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，通常比普通的離心泵更易出現(xiàn)故障，運(yùn)行使用過程中應(yīng)著重注意以下幾點(diǎn)：(1)盡量避免小流量回流操作。在這種情況下運(yùn)行時(shí)，短時(shí)間內(nèi)輸送介質(zhì)在泵的出入口循環(huán)流動(dòng)，主軸葉輪高速旋轉(zhuǎn)及磁力驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的熱量使介質(zhì)溫度升高，由于葉輪為聚四氟乙烯包裹鋼嵌件燒結(jié)而成，當(dāng)介質(zhì)升高到一定的溫度，會(huì)將葉輪外層的襯層融化變形，造成泵運(yùn)行出現(xiàn)故障，因此襯氟磁力泵對(duì)操作溫度有一定的限制，應(yīng)避免導(dǎo)致泵高溫運(yùn)行的操作。(2)嚴(yán)禁輸送帶有固體顆粒的介質(zhì)。由于聚四氟乙烯的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼制基體，耐磨性較差，因此襯氟磁力泵的襯里在固體顆粒的沖刷下極易磨損，當(dāng)襯里磨損后鋼制外殼被輸送介質(zhì)腐蝕損毀。如果輸送介質(zhì)中含有固體顆粒等雜質(zhì)，應(yīng)在泵入口前加裝適當(dāng)?shù)倪^濾裝置。(3)由于磁力驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)外磁轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，對(duì)心臟起搏器、磁卡或手表等物品存在潛在的危害[1]，因此攜帶相關(guān)物品的人員應(yīng)與磁力泵保持一定的距離。

5 結(jié)束語

由于襯氟磁力泵輸送物料通常為酸、堿、氧化劑等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)，一旦出現(xiàn)故障導(dǎo)致泄漏會(huì)對(duì)周圍的人員造成嚴(yán)重的傷害，因此保證襯氟磁力泵的安全連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。本文通過

對(duì)出現(xiàn)故障的泵進(jìn)行拆解檢查及分析，找到造成泵產(chǎn)生故障的原因，得出了滿足生產(chǎn)需要的解決措施，并對(duì)襯氟磁力泵在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的問題提出了自己的建議，對(duì)今后相關(guān)問題有一定的借鑒意義。

[1]張故軒,王 雙.襯氟磁力驅(qū)動(dòng)離心泵運(yùn)行總結(jié)[J].氯堿工業(yè),2016,52(3):38-40.

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[4]趙孝保,周 欣.工程流體力學(xué)[M].南京:東南大學(xué)出版社,2004.

[5]陳 偉.石油化工設(shè)備設(shè)計(jì)選用手冊(cè)-機(jī)泵選用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

[6]ANSI/API Standard 610 Eleventh Edition.Centrifugal pumps for petroleum,petrochemical and natural gas industrys[S].US:API,2010.

[7]中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì).GB/T 16907-2014 離心泵技術(shù)條件(Ⅰ類) [S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2014.

[8]工業(yè)和信息化部.SH/T 3139-2011 石油化工重載荷離心泵工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)石化出版社,2011.