延遲焦化裝置高壓水泵節(jié)能及防腐蝕升級改造

(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

某石化企業(yè)4.2 Mt/a延遲焦化裝置，2009年4月投產(chǎn)，為當時國內(nèi)投產(chǎn)的單系列處理量最大的延遲焦化裝置。水力除焦設施中高壓水泵則是延遲焦化裝置的關鍵設備，在裝置的生產(chǎn)中起著至關重要的作用。由于該石化企業(yè)延遲焦化裝置受摻煉污泥和回煉輕污油等影響，導致除焦水中含有較高的氯離子、硫離子及游離氧，其中氯離子質(zhì)量分數(shù)能夠超過1 200 μg/g。最初設計使用的高壓水泵葉輪材質(zhì)為不銹鋼，氯離子易引發(fā)不銹鋼材質(zhì)點蝕及應力腐蝕開裂，后果非常嚴重。在2009—2014年期間，兩臺高壓水泵蓋板多次發(fā)生斷裂、穿孔、裂紋以及葉輪開裂等故障。

因此，為了有效抑制氯離子的腐蝕，特別是高壓水泵轉(zhuǎn)子部位，將葉輪的材質(zhì)由馬氏體不銹鋼升級為雙相不銹鋼。

1 高壓水泵揚程的確定

該石化企業(yè)延遲焦化裝置，焦炭塔直徑為9.8 m，是當時國內(nèi)最大直徑的焦炭塔。設計院在選擇高壓水泵時，以3.3 MPa/m為依據(jù)估算出高壓水泵的揚程，擔心無法將焦炭除凈，所以在估算的基礎上增加余量，揚程和流量分別為3 587 m和318 m3/h。

經(jīng)過近幾年的運行發(fā)現(xiàn)，盡管能夠?qū)⒔固克?nèi)焦炭除凈;但是在除焦過程中粉末狀焦炭較多。通過研究證明，造成粉末狀焦炭過多的主要原因為高壓水泵揚程較大。對比國內(nèi)運行的相同直徑焦炭塔，其高壓水泵揚程和流量分別為3 300 m和310 m3/h，除焦時間為3～3.5 h。相關經(jīng)驗表明:將該石化企業(yè)延遲焦化裝置高壓水泵的揚程降至3 300 m，將原有葉輪外徑由φ383 mm切割至φ359 mm，對除焦相關工作并無影響。

2 高壓水泵葉輪材質(zhì)升級

除焦高壓水泵輸送高壓水,通過除焦器進行除焦作業(yè),因此，工藝操作上要求高壓水泵具有較高的揚程、較大的流量及較高的壓力。高壓水泵是延遲焦化裝置的耗能大戶，設計的驅(qū)動電機功率為5 000 kW，在不影響除焦的前提下，適當降低高壓水泵揚程、泵出口壓力，可以有效地降低裝置的能耗。2014年對高壓水泵進行節(jié)能改造,主要是將高壓水泵葉輪切割，使出口壓力降低至32 MPa,從而達到節(jié)能降耗目的。

此外,在保證除焦壓力的前提下，解決腐蝕引起的高壓水泵葉輪故障,有兩種方法:一是提高除焦水品質(zhì)，降低除焦水中各種腐蝕性陰離子的含量；但此方法需要不斷更換除焦水，補充新鮮水，運行成本非常高，不能夠達到節(jié)能降耗的目的；二是將高壓水泵葉輪材質(zhì)升級為耐氯離子腐蝕的2205的雙相不銹鋼，并且可以借用升級材質(zhì)更換新葉輪的機會，對該泵葉輪的流道重新進行優(yōu)化，進一步實現(xiàn)節(jié)能降耗。

3 高壓水泵改造前后的對比

焦炭塔除焦主要通過除焦器噴嘴進行作業(yè)[1]，而焦炭塔除焦工作采用的除焦器有穩(wěn)流器，將高壓水的壓力能轉(zhuǎn)化為動能，依靠動能的沖擊力來切除焦炭，原來使用的穩(wěn)流器壓頭損失相對較大，為保證除焦效果，水泵揚程設計偏高，電機能耗也因此偏高。近幾年來由于新型切焦器的不斷推廣和使用，使除焦器的壓頭損失較原來明顯降低。在使用新型除焦器進行除焦的條件下，通過降低水泵揚程進行了除焦試驗，在保證高壓水泵出口流量穩(wěn)定的條件下，發(fā)現(xiàn)在揚程降低到3 300 m時，除焦的效率幾乎不受影響，總除焦時間也無明顯增加，因此可以大大降低電力能耗。

改造前高壓水泵葉輪材質(zhì)為馬氏體不銹鋼，無法有效地抑制氯離子腐蝕，而雙相不銹鋼具有更好的耐氯離子腐蝕和耐孔蝕性能，故將高壓水泵葉輪材質(zhì)升級為雙相不銹鋼。

根據(jù)現(xiàn)場情況，該次僅對P-302B泵進行節(jié)能升級改造，更換了B泵葉輪，一個周期的平均數(shù)據(jù)對比見表1和表2。

表1 節(jié)能升級改造前A泵能耗計算

表2 節(jié)能升級改造后B泵能耗計算

注：因為A和B泵的葉輪水力除焦參數(shù)在改造前一致，所以改造前的數(shù)據(jù)可參考A泵數(shù)據(jù)，與改造后的B泵進行對比，可以得到可靠性數(shù)據(jù)。

4 節(jié)能效果分析

改造后的高壓水泵開機一次性運行成功，各項參數(shù)均達到要求，能夠保證除焦順利進行，且滿足了工藝要求。電機功率計算公式[2]為：

P=1.732·U·I·cosφ

式中：P——三相異步電動機對稱三相負載平均功率，W；

U——電壓，V；

I——線電流，A；

cosφ——功率因素(一般取0.80～0.88,該廠高壓水泵電機功率因素系數(shù)為0.88)。

該石化企業(yè)焦化裝置焦炭生焦周期主要為18 h和20 h，每年4臺焦炭塔的除焦總數(shù)約為960塔次，依此計算，電費0.67元/度(為2018年價格)，通常B泵改造后主要以B泵運行為主，A泵定期切換運行,因此每年節(jié)約電費約為150萬元。

改造后的高壓水泵故障率也有明顯降低，按照原來運行1年時間發(fā)生1次故障需要搶修的概率計算檢維修費用如下：

維修費用(動平衡、運輸?shù)荣M用,不包括維修人力費用)：人民幣10萬元/年；

維修備件費用(軸瓦、葉輪和機封等)：人民幣80萬元/年；

綜上所述：改造后的高壓水泵每年節(jié)約費用為：150+10+80=240萬元人民幣。

5 葉輪材質(zhì)升級效果分析

高壓水泵2009年4月投產(chǎn)至2014年期間，葉輪連續(xù)發(fā)生5次開裂故障，開裂情況見圖1。

圖1 泵葉輪腐蝕開裂

為查清水泵葉輪腐蝕破壞原因，特委托具有專業(yè)資質(zhì)的機構進行腐蝕分析，主要分析手段為掃描電鏡觀察、輔助晶間腐蝕與腐蝕產(chǎn)物分析。晶相分析結果見圖2。

圖2 晶間分析

通過腐蝕分析，可以得知，葉輪開裂是由于有機硅涂層剝落，葉輪在氯離子的作用下發(fā)生點蝕，點蝕分布在葉輪邊緣處，密度較高。在葉輪的外邊緣處應力較大并產(chǎn)生應力集中，葉輪在周期性的工作應力作用下，發(fā)生了腐蝕疲勞開裂，此腐蝕疲勞開裂為多源的并呈現(xiàn)脆性開裂。

鑒于腐蝕疲勞為多源且又有分叉，裂紋擴展到一定程度后就發(fā)生葉輪的小塊剝離飛裂，這種剝離飛裂又進一步引起了沖擊作用。葉輪的涂層為有機硅涂層，有機硅的涂層覆蓋率達到35.3%，但是該涂層與葉輪的結合力較低，在葉輪的工況下發(fā)生剝離現(xiàn)象，最后產(chǎn)生了較多的點腐蝕坑。在這些點腐蝕坑處產(chǎn)生了應力集中，同時在周期性的工作應力作用下，發(fā)生多源腐蝕開裂，并嚴重影響使用效果。

改造前高壓水泵葉輪材質(zhì)為馬氏體不銹鋼(Gx4CrNi13-4+QT1)，升級后的材質(zhì)為雙相不銹鋼ASTM A995 Grade 1B(CD4MCuN)，化學成分及材料力學性能分別見表3和表4。

表3 馬氏體不銹鋼和雙相不銹鋼化學成分 w,%

表4 馬氏體不銹鋼和雙相不銹鋼性能

由表3可以看出，雙相不銹鋼中C含量低于馬氏體不銹鋼，可以判斷馬氏體不銹鋼的強度、硬度及耐磨性優(yōu)于雙相不銹鋼，但耐蝕性較差。雙相不銹鋼在C含量較低的情況下，Cr質(zhì)量分數(shù)為24.5%～26.5%，Ni質(zhì)量分數(shù)為4.7%～6.0%，在此基礎上還含有Mo,Cu,Si和N等合金元素，保證了雙相不銹鋼具有較高的強度，以及較好的耐晶間腐蝕和耐氯化物應力腐蝕能力。此外，雙相不銹鋼具有優(yōu)良的耐孔蝕性能，屬于節(jié)鎳不銹鋼。

綜合對比，雙相不銹鋼有如下性能特點：

(1)含Mo的雙相不銹鋼在低應力下有良好的耐氯化物應力腐蝕性能；

(2)含Mo的雙相不銹鋼具有良好的耐孔蝕性能；

(3)具有良好的耐腐蝕疲勞和耐磨損腐蝕性能；

(4)綜合力學性能好，有較高的強度和疲勞強度，屈服強度是普通奧氏體不銹鋼的2倍；

(5)可焊性良好，熱裂傾向小，一般焊前無需預熱，焊后無需熱處理；

(6)具有較大的導熱系數(shù)，較小的線膨脹系數(shù)。

改造后的高壓水泵自2014年運行以來，葉輪運行情況良好，在定期檢修過程中，未發(fā)生葉輪腐蝕開裂故障，同時大大提高了高壓水泵運行的穩(wěn)定性，保證了除焦工作的順利進行。

7 結 語

通過本次改造高壓水泵得知，在不影響焦化裝置除焦生產(chǎn)的同時，可以大幅度地降低裝置的電耗，經(jīng)過粗略的計算，每年可以節(jié)約至少240萬元。

又因高壓水泵出口壓力降低，葉輪材質(zhì)的升級改造，有效地抑制了氯離子等腐蝕，均在不同程度降低了操作維護費用。此外，儲備有充足的高質(zhì)量高壓水泵增速齒輪箱軸承、泵推力瓦軸承和徑向軸承、平衡鼓、三位閥閥桿、閥座和孔板等備件，大大提高了高壓水泵生產(chǎn)運行的可靠性，保障了裝置穩(wěn)定生產(chǎn)。