DS 系列溶液循環(huán)泵振動(dòng)超高原因探討

林萬(wàn)洲，李 進(jìn)，趙 云

（1.中國(guó)石油西南油氣田川東北作業(yè)分公司，四川達(dá)州 635000；2.中國(guó)石油西南油氣田天然氣凈化總廠，重慶 400021）

0 引言

某處理量200×104m3/d 高含硫、高含碳天然氣凈化廠，脫硫單元溶液循環(huán)泵采用DS 系列臥式多級(jí)離心泵。溶液循環(huán)泵作為生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備，其任務(wù)是將MDEA（甲基二乙醇胺）溶液分別送入MDEA 吸收塔和MDEA 閃蒸塔，完成整個(gè)脫硫單元MDEA 溶液的循環(huán)。該泵自投用以來(lái)運(yùn)行較為平穩(wěn)，但當(dāng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)6 個(gè)月時(shí)，就逐漸表現(xiàn)出軸承振動(dòng)值異常超高現(xiàn)象，且振動(dòng)值呈增大趨勢(shì)，嚴(yán)重影響裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。對(duì)泵實(shí)施解體大修，從軸承、密封環(huán)、軸、平衡鼓（套）、軸承座調(diào)心定位等多方面影響因素進(jìn)行分析和排查，但啟運(yùn)后不久又會(huì)再次出現(xiàn)軸承振動(dòng)增大和超標(biāo)的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)對(duì)工藝狀況、設(shè)備本體等多方面的綜合分析和排查，在排除造成軸承振動(dòng)超高的泵內(nèi)部因素后，采取提高泵日常運(yùn)行流量、降低MDEA 溶液中的固體顆粒雜質(zhì)含量等一系列措施，最終解決了這一難題。

1 基本情況

該溶液循環(huán)泵為臥式多級(jí)離心泵，型號(hào)為DS100-260/10A，由國(guó)內(nèi)某泵業(yè)公司生產(chǎn)。該泵由電機(jī)、泵體、密封系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等部件組成，用于輸送介質(zhì)為40 ℃的MDEA 貧液，其他性能特征見(jiàn)表1。

表1 溶液循環(huán)泵性能特征

工藝流程中，溶液循環(huán)泵用于完成天然氣凈化裝置中脫硫單元的MDEA 貧液的循環(huán)，泵的流量大小由貧液流量調(diào)節(jié)閥FV-1201（位于貧液入吸收塔前管線）控制，MDEA 貧液中的固體顆粒雜質(zhì)由貧富液換熱器E-1201AB 貧液入口和溶液循環(huán)泵P-1201AB 入口的T 形過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾。

2 低流量工況泵振動(dòng)分析

離心泵在正常的流量標(biāo)準(zhǔn)下，是不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)的。但是，一旦流量出現(xiàn)明顯的波動(dòng)幅度，離心泵內(nèi)的工作零件及管道就會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)。當(dāng)流量回歸到正常值時(shí)，振動(dòng)和聲響也會(huì)隨之消失。離心泵的振動(dòng)隨流量變化而變化，通常在最佳效率點(diǎn)流量附近其值最小，并且隨著流量的增大或減小而增加。從最佳效率點(diǎn)流量起，振動(dòng)隨流量的變化取決于泵的能量密度、比轉(zhuǎn)速及汽蝕比轉(zhuǎn)速，通常情況下振動(dòng)的變化量隨能量密度、比轉(zhuǎn)速及汽蝕比轉(zhuǎn)速的增加而增加。

離心泵除了有在性能曲線上標(biāo)注的最小連續(xù)流量外，還有一個(gè)最小連續(xù)熱流量。泵在小流量條件下運(yùn)行時(shí)，部分液體的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽惯M(jìn)口處液體的溫度升高，當(dāng)液體溫度使有效汽蝕余量等于或小于泵必須汽蝕余量時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。

正常流量下，泵本身的自動(dòng)平衡裝置能很好地平衡轉(zhuǎn)子軸向力。該溶液循環(huán)泵通過(guò)平衡鼓進(jìn)行平衡（固定的平衡），平衡鼓基本能平衡90%～95%的軸向力[1]，其余軸向力由泵尾端的止推軸承平衡。但是，當(dāng)流量過(guò)低時(shí)，由于軸向力的增大，自動(dòng)平衡裝置就不能完全平衡轉(zhuǎn)子的軸向力，轉(zhuǎn)子就會(huì)受到一個(gè)指向葉輪入口方向的軸向作用力，造成轉(zhuǎn)子向前竄動(dòng)，轉(zhuǎn)子、平衡鼓、平衡鼓套等部件磨損。同時(shí)，軸向介質(zhì)的入口沖角與轉(zhuǎn)子葉片的安裝角偏差較大，也會(huì)產(chǎn)生沖擊，引起強(qiáng)烈振動(dòng)。

據(jù)記錄，溶液循環(huán)泵軸承振動(dòng)超高時(shí)，其振動(dòng)值最高達(dá)9.5 mm/s RMS（標(biāo)準(zhǔn)值4.5 mm/s RMS），振動(dòng)超高后在對(duì)泵進(jìn)行解體大修時(shí)，重點(diǎn)檢查了平衡鼓與平衡鼓套間隙、轉(zhuǎn)子跳動(dòng)、軸彎曲度、密封環(huán)間隙、軸承磨損情況、軸承座調(diào)心定位、聯(lián)軸器對(duì)中狀況等，更換了平衡鼓套、密封環(huán)、軸承、葉輪、機(jī)械密封等易損件，但是試車(chē)時(shí)發(fā)現(xiàn)振動(dòng)值仍超標(biāo)約5.5 mm/s RMS，并且在后續(xù)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，該振動(dòng)值呈增大趨勢(shì)。期間，溶液循環(huán)泵流量為80～100 m3/h，約為設(shè)計(jì)流量的44.4%～55.5%，偏離設(shè)計(jì)流量點(diǎn)較大。這進(jìn)一步驗(yàn)證了，低流量工況促使泵的軸承振動(dòng)超高。

3 固體顆粒對(duì)泵的振動(dòng)分析

在天然氣凈化裝置中，脫硫單元溶液中固體顆粒主要為再生塔、重沸器等設(shè)備和管線的腐蝕產(chǎn)物，以及上游原料天然氣帶來(lái)的未被過(guò)濾系統(tǒng)過(guò)濾除凈的固體顆粒。

當(dāng)含有固體顆粒的溶液進(jìn)入泵后，固體顆粒隨溶液進(jìn)入葉輪與密封環(huán)間隙、平衡鼓與平衡鼓套間隙，葉輪、平衡鼓隨主軸由電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，密封環(huán)鑲嵌于導(dǎo)葉與蝸殼上處于靜止?fàn)顟B(tài)，兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)，位于間隙處的固體顆粒對(duì)密封環(huán)、平衡鼓套、平衡鼓、葉輪產(chǎn)生磨損。一般情況下，平衡鼓套、密封環(huán)材料硬度較平衡鼓、葉輪材料小，因此平衡鼓套和密封環(huán)磨損較嚴(yán)重。磨損后，密封環(huán)和葉輪間隙增大，平衡鼓和平衡鼓套間隙增大。

密封環(huán)間隙增大后，泄漏量增加，對(duì)離心泵的效率影響雖不大，但軸向力卻成倍增加[2]，平衡鼓已無(wú)法起到平衡作用。當(dāng)產(chǎn)生的軸向力超出平衡力部分大于止推軸承所能承受的力時(shí)，軸承達(dá)到疲勞負(fù)荷限值，泵軸承振動(dòng)增大、運(yùn)行壽命減短。

平衡鼓與平衡鼓套的泄漏量隨著間隙的增大而增大，平衡鼓的平衡效果隨著間隙的增大而降低[3]，進(jìn)而導(dǎo)致平衡失效，軸承振動(dòng)增大。溶液循環(huán)泵密封環(huán)（導(dǎo)葉）、密封環(huán)（中段）、密封環(huán)（進(jìn)口段）以及平衡鼓套材料均為ZQPb12-8，首級(jí)葉輪、次級(jí)葉輪和平衡鼓材料均為ZG0Cr18Ni12Mo2，相比而言ZQPb12-8 硬度更小。一般情況而言，密封環(huán)和平衡鼓套均較葉輪和平衡鼓更易磨損。以某次溶液循環(huán)泵軸承振動(dòng)大、解體大修檢查為例，各級(jí)密封環(huán)間隙及平衡鼓間隙尺寸如表2 所示。

表2 溶液循環(huán)泵解體各處配合間隙值

4 整改措施及效果

4.1 循環(huán)泵流量?jī)?yōu)化及效果

大修期間，對(duì)脫硫單元可能限制溶液循環(huán)量提升流程的所有設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)排查，發(fā)現(xiàn)脫硫再生塔C-1202 內(nèi)部第一層塔盤(pán)降液板與升氣帽環(huán)板間距僅為19 mm，限制了循環(huán)量的提升。后經(jīng)設(shè)計(jì)核算，需將該間距調(diào)整為120 mm，才能將脫硫系統(tǒng)溶液循環(huán)量提升至設(shè)計(jì)值。整改時(shí)，對(duì)降液板部分材料進(jìn)行氣割切除，增大兩者之間間隙和溶液流通面積。

該處間距的調(diào)整，直接影響了溶液循環(huán)泵的運(yùn)行情況。整改前，因該處間距較小，造成溶液流通不暢，日常脫硫單元MDEA 溶液流量最高僅能達(dá)到130 m3/h（將再生酸氣壓力控制在100 kPa，超出設(shè)計(jì)值80 kPa），一般情況下流量均小于100 m3/h（最低時(shí)僅80～90 m3/h）。整改后，MDEA 溶液流量一般控制在140 m3/h 以上。與此同時(shí)，在對(duì)貧液空冷器入口管線降低后，循環(huán)量能長(zhǎng)時(shí)間維持到泵的額定值180 m3/h。循環(huán)量提升后，解體大修后的泵（更換新密封環(huán)，平衡鼓套，軸承，機(jī)封等）振動(dòng)值能從5.5 mm/s RMS 以上降低至3.0 mm/s RMS 以內(nèi)，低于標(biāo)準(zhǔn)4.5 mm/s RMS。

4.2 改善系統(tǒng)溶液質(zhì)量，減少溶液中的固體顆粒含量

為改善脫硫單元溶液系統(tǒng)質(zhì)量，以下從4 個(gè)方面提出整改措施。

（1）優(yōu)化過(guò)濾系統(tǒng)。溶液循環(huán)泵P-1201AB 入口和貧富液換熱器E-1201AB 貧液入口共設(shè)置了4 臺(tái)T 形過(guò)濾器，但該過(guò)濾器濾芯兩端面密封不嚴(yán)，導(dǎo)致溶液通過(guò)過(guò)濾器時(shí)形成“短路”，無(wú)法有效過(guò)濾溶液中的雜質(zhì)，導(dǎo)致過(guò)濾效果不佳。通過(guò)對(duì)T 形過(guò)濾器加工支撐圈，再將其焊接至過(guò)濾器內(nèi)部；將過(guò)濾器原密封端面重新處理，增大密封面和臺(tái)階深度，重新制作濾芯，并在濾芯端面設(shè)置PTFE（聚四氟乙烯）平面密封墊，進(jìn)一步保證過(guò)濾濾芯的端面密封性能。整改后，當(dāng)過(guò)濾器前后壓差達(dá)到50 kPa 時(shí)打開(kāi)檢查濾網(wǎng)，可以觀察到濾網(wǎng)表面幾乎完全被固體顆粒雜質(zhì)覆蓋，說(shuō)明雜質(zhì)基本上能被有效攔截，過(guò)濾效果顯著（圖1）。

圖1 過(guò)濾器攔截的雜質(zhì)

（2）溶液更換。為保證溶液系統(tǒng)的潔凈度，更換脫硫系統(tǒng)新鮮MDEA 溶液83 t。

（3）設(shè)備升級(jí)更換。從脫硫系統(tǒng)溶液循環(huán)的工藝流程上來(lái)看，MDEA 貧液與原料氣在吸收塔C-1201 內(nèi)接觸后，上游原料氣帶來(lái)雜質(zhì)以及吸收塔內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物隨MDEA 富液被帶走，并在MDEA 預(yù)過(guò)濾器F-1201AB、活性炭過(guò)濾器F-1202、MDEA 后過(guò)濾器F-1203AB 內(nèi)完成過(guò)濾。但是由于MDEA 富液具有腐蝕性，在之后的流程中會(huì)對(duì)管線和設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，再次形成腐蝕產(chǎn)物。從歷年大修設(shè)備打開(kāi)檢查的情況來(lái)看，存在嚴(yán)重腐蝕的設(shè)備主要有再生塔重沸器、再生塔和部分溶液管線。其中，再生塔的主要腐蝕部位為重沸器半貧液返回口附近區(qū)域筒體內(nèi)壁，重沸器主要腐蝕部位為氣液兩相區(qū)的管束外壁和筒體內(nèi)壁，重沸器返回再生塔的半貧液管線也存在嚴(yán)重腐蝕減薄。針對(duì)存在腐蝕的設(shè)備和管線，主要采取以下3 個(gè)措施：①將熱虹吸式重沸器更換為釜式重沸器，頂部設(shè)置有一個(gè)蒸發(fā)空間[4]，使得氣液兩相的徹底分離在殼程內(nèi)完成，換熱管束完全浸沒(méi)在溶液內(nèi)，能有效避免管束發(fā)生空泡腐蝕；②將再生塔主體材料由20R 升級(jí)為不銹鋼復(fù)合板Q245R+316L 材料，日常運(yùn)行時(shí)，僅覆層材料316L 與半貧液、酸性氣體接觸，抗腐蝕性能提高，有效改善了再生塔筒壁的腐蝕狀況；③將部分腐蝕嚴(yán)重的半貧液管線、富液管線材料由20G 升級(jí)為304 或316L 奧氏體不銹鋼材料。

（4）系統(tǒng)性化學(xué)清洗。有計(jì)劃地在裝置大修時(shí)安排專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)對(duì)脫硫單元溶液系統(tǒng)進(jìn)行化學(xué)清洗，徹底清除系統(tǒng)中人工無(wú)法清洗的管線和其余死角中的雜質(zhì)。

4.3 整改效果

在通過(guò)提高溶液循環(huán)泵日常運(yùn)行時(shí)的流量，降低MDEA 溶液中的固體顆粒雜質(zhì)含量?jī)煞N方式整改后至今，溶液循環(huán)泵前后軸承振動(dòng)值均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，一般低于3.0 mm/s RMS，運(yùn)行情況良好。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，整改前溶液循環(huán)泵年平均檢修11 次，其中大修7 次、中修4 次；整改后，除日常的例行維護(hù)保養(yǎng)和預(yù)防性檢修外，尚未出現(xiàn)任何故障。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，該天然氣凈化廠處理量日趨下降，脫硫單元溶液循環(huán)量隨之減??；同時(shí)，高含硫、高含碳凈化廠脫硫單元設(shè)備設(shè)施腐蝕嚴(yán)重，腐蝕產(chǎn)物的形成增加了溶液中固體顆粒的含量。這些問(wèn)題的出現(xiàn)導(dǎo)致溶液循環(huán)泵振動(dòng)值超標(biāo)。

通過(guò)總結(jié)工廠實(shí)際整改措施，認(rèn)為優(yōu)化溶液運(yùn)行系統(tǒng)，提高溶液循環(huán)量使其盡量接近泵的額定流量，是減少溶液循環(huán)泵振動(dòng)的有效措施之一。同時(shí)，通過(guò)清潔系統(tǒng)溶液，整改、更換溶液過(guò)濾設(shè)備設(shè)施，降低溶液中固體顆粒含量，提高溶液潔凈度，也是減少溶液循環(huán)泵振動(dòng)的有效途徑。