加氫裝置減壓塔底泵故障分析與優(yōu)化設計

李立(中石化廣州(洛陽)工程有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

某石化公司沸騰床渣油加氫裝置減壓塔過汽化油泵，即位號1203-P-8309A/B的減壓塔底泵，是H-oil、FRET等加氫工藝的關(guān)鍵設備[1-2]，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。運行過程中發(fā)現(xiàn)，該泵葉輪流道結(jié)焦塊堵塞嚴重，焦炭顆粒以及催化劑粉末對過流部件的磨損較大，這些故障嚴重影響了沸騰床渣油加氫裝置的安全穩(wěn)定運行。

表1 模型泵主要幾何參數(shù)

1 減壓塔底泵結(jié)構(gòu)

1203-P-8309A/B型減壓塔底泵為兩級雙支撐小揚程大流量離心泵，設計轉(zhuǎn)速為2 900 r/min。由于該泵運行在高溫易燃區(qū)[3]，出于安全運行考慮，對泵結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，如下圖1所示。從圖中可以看出，該泵采用兩級背靠背旋流式結(jié)構(gòu)，葉輪采用開式葉輪。介質(zhì)經(jīng)首級旋流葉輪加壓，流經(jīng)過渡流道進入次級葉輪再次加壓并最終流出。泵體及泵蓋上均設計有襯板，以保障泵裝置的耐磨性。

圖1 減壓塔底過汽化油泵結(jié)構(gòu)圖

2 故障與原因分析

2.1 故障形式

減壓塔底泵的故障形式多樣，前人多針對振動異響展開研究。孫炯明[4]判定減壓塔底泵的振動原因來自于水力不平衡，結(jié)合振動頻譜圖判定該泵殘余徑向力較大，并基于該泵運行工況點重新設計了葉輪得到了完全滿足生產(chǎn)需求的新葉輪。張士偉[5]根據(jù)GP-3108塔底泵裝置有效汽蝕余量計算結(jié)果，得出該泵異響原因是存在汽蝕現(xiàn)象，并提出了切割葉輪、增置誘導輪、采用正沖角等一系列解決措施。殷洪權(quán)[6]對比分析了葉輪優(yōu)化、雙吸葉輪和前置誘導輪對200YⅡ減壓塔底泵汽蝕性能的影響，試驗和實踐結(jié)果表明擴大首級葉輪進口面積的同時增設誘導輪能夠最有效地提高該泵的汽蝕性能。

然而，對于沸騰床渣油加氫裝置減壓塔過汽化油泵而言，泵送介質(zhì)中存在大量的焦炭顆粒和催化劑粉末以及結(jié)焦塊，致使其葉輪流道堵塞或磨損，造成塔底泵運行故障。據(jù)調(diào)查顯示，該泵運行過程中普遍存在流道堵塞造成的停泵與葉輪破壞以及葉輪內(nèi)側(cè)面、流道隔舌部或泵蓋內(nèi)側(cè)面磨損現(xiàn)象。對此，胡敬寧[7]基于CFD數(shù)值計算方法提出了針對塔底泵次級葉輪及流道的優(yōu)化設計方案，結(jié)果表明減小蝸殼面積比，增大葉輪出口寬度可以有效減少回流現(xiàn)象。結(jié)合前人研究成果及該泵實際運行問題與環(huán)境，本文提出了針對加氫裝置減壓塔底泵流道堵塞、振動、磨蝕三類故障的誘導因素分析，并提出相應的優(yōu)化設計方案。

2.2 原因分析

2.2.1 流道堵塞因素

從該泵的運行工況考慮，輸送介質(zhì)中瀝青雜質(zhì)含量較高，在高溫高壓的運行條件下，容易發(fā)生結(jié)塊現(xiàn)象進而造成葉輪流道堵塞。就過流部件的結(jié)構(gòu)設計而言，傳統(tǒng)的離心泵葉輪及蝸殼設計難以實現(xiàn)壓水室內(nèi)前后腔體的貫通流動，對固相顆粒尤其是團狀或絮狀懸濁液的適應性較差，容易造成該泵葉輪流道堵塞，引發(fā)停泵故障。

2.2.2 異常振動因素

結(jié)合前人研究成果得出，水力不平衡及汽蝕現(xiàn)象是造成該泵振動異響的主要原因?；诒仨毱g余量及裝置有效汽蝕余量計算的計算結(jié)果判定，葉輪設計及流道設計符合該泵空化性能要求，且該泵運行入口壓力較大不易發(fā)生空化。此外，該泵葉輪采用背靠背安裝，正常運行時，軸系基本處于平衡的狀態(tài)，只需對該泵剛性及轉(zhuǎn)子動平衡進行計算校核即可。

2.2.3 部件磨損因素

從該泵的運行工況考慮，輸送介質(zhì)中焦炭顆粒和催化劑粉末硬度較高，在葉輪離心旋轉(zhuǎn)作用下，容易造成內(nèi)殼體襯里沖擊磨損。此外，葉輪采用半開式結(jié)構(gòu)，后蓋板帶有背葉片，背葉片的離心力迫使催化劑等重物不流入葉輪側(cè)壁腔內(nèi)，因固體顆粒濃度增大或集聚，此處側(cè)壁存在加速磨損。綜上所述，介質(zhì)工況及流道水力設計原因造成的流道堵塞是加氫裝置減壓塔底泵故障的主要形式，可能造成停泵或葉輪破壞。同時，介質(zhì)中硬質(zhì)顆粒產(chǎn)生的磨蝕沖擊對該泵使用壽命及機械密封也存在一定影響。

3 優(yōu)化設計

3.1 破碎輪設計

針對瀝青雜質(zhì)結(jié)塊造成的葉輪堵塞現(xiàn)象，提出了預破碎輪與破碎輪組合設計的介質(zhì)工況優(yōu)化方案，其結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

首先，在泵入口設計一個菱形的預破碎輪(如圖2(a)所示)，對泵入口的超大焦塊進行破碎。其次，在預破碎輪后的葉輪前流道設計一個破碎輪(如圖2(b)所示)，該輪對進入葉輪的較大焦塊進行破碎，防止焦塊堵塞葉輪流道。破碎輪設計有4個破碎齒，齒面保留棱角，通過鍵連接實現(xiàn)與泵軸的同步轉(zhuǎn)動。當焦塊經(jīng)過葉輪入口流道時，由于破碎輪和固定板相互絞合的作用，實現(xiàn)了介質(zhì)中較大焦塊的細化功能。此外，由于破碎輪位于泵裝置最前端，為了增加其使用壽命，對輪表面進行硬化處理，提高其耐磨性。設計得到的破碎輪進口直徑為108 mm，輪轂直徑為70 mm，進口流速v=1.05 m/s，轉(zhuǎn)速n=2 950 r/min，破碎后的焦塊最大顆粒外徑在4.5 mm左右。

圖2 預破碎輪與破碎輪結(jié)構(gòu)圖

3.2 無堵塞流道水力設計

由于傳統(tǒng)葉輪水力設計不考慮流道堵塞的情況，文章采用旋流泵結(jié)構(gòu)進行葉輪設計(如圖3(a)所示)，旋流泵的主要結(jié)構(gòu)特點是葉輪退縮在壓水室后面的泵腔內(nèi)。當葉輪旋轉(zhuǎn)時，葉輪和前端壓水室空腔容易形成貫通流和循環(huán)流，減少固相顆?；蚪Y(jié)塊對于葉輪流道的堵塞作用。本文基于對葉輪與壓水室腔體流體域的三維不可壓湍流流動數(shù)值計算(如圖3(b)所示)，驗證了葉輪流道及葉片設計的合理性。經(jīng)實踐，該葉輪結(jié)構(gòu)簡單，容易制造，運行平穩(wěn)；無堵塞，性能良好，磨損程度較小。

圖3 旋流泵泵腔設計與腔內(nèi)流體域數(shù)值計算

3.3 耐磨襯板及機械密封設計

由于焦炭顆粒和催化劑粉末對泵體的磨損作用主要集中在內(nèi)襯，設計采用易于更換和拆卸的耐磨襯板，以3～5年為一個周期進行更換。同時，基于閉式葉輪結(jié)構(gòu)在前后蓋板處設置副葉片，副葉片的離心力迫使催化劑類重物不流入葉輪側(cè)壁腔內(nèi)，充分解決此處因固體顆粒濃度增大或集聚造成的側(cè)壁加速磨損現(xiàn)象。此外，為了阻止固體顆粒進入機械密封腔和降低機械密封腔的介質(zhì)壓力，在機械密封腔和泵腔中間設計了一個平衡管，連通泵進口與泵腔和機械密封腔，泵腔內(nèi)含有固體顆粒的介質(zhì)經(jīng)過節(jié)流襯套節(jié)流后進入平衡管。

4 結(jié)語

文章通過對沸騰床渣油加氫裝置減壓塔過汽化油泵的運行故障分析，得出了流道堵塞是該泵的主要故障，而顆粒磨損也對泵穩(wěn)定運行和使用壽命存在一定影響的結(jié)論。綜合破碎輪組合設計方法、旋流泵葉輪結(jié)構(gòu)設計方法及耐磨襯板與機械密封結(jié)構(gòu)設計，文章設計得到了滿足現(xiàn)場使用需求的減壓塔底泵。該泵運行安全穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)較大焦塊的破碎和較小顆粒的研磨，葉輪采用全開式旋流泵結(jié)構(gòu)進而緩解流道堵塞現(xiàn)象。