鍋爐減溫水泵失效分析及改進

寧皓(中海殼牌石油化工有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

某廠設(shè)有4臺鍋爐，配有2臺BB4型單殼徑向剖分多級兩端支承式的減溫水泵為蒸汽系統(tǒng)中的減溫減壓器提供減溫水。減溫減壓器通過減溫水的汽化吸熱把較高壓力等級的飽和蒸汽變成較低壓力等級的飽和蒸汽，因此這就需要減溫水泵來滿足減溫減壓器在不同負荷下的減溫水穩(wěn)定供應(yīng)。但是由于下游的化工裝置為了滿足工藝生產(chǎn)需求和應(yīng)對工藝生產(chǎn)波動，所以對工用工程裝置生產(chǎn)出來的不同壓力溫度等級的飽和蒸汽需求量在不同工況下也不一樣：可能有時下游的化工裝置需要高壓蒸汽多一些，低壓蒸汽少一些；過一段時間對中亞蒸汽需求又要多一些，高壓蒸汽又要少一些。因此，此時就需要減溫減壓器的工作負荷隨外界化工裝置的需求變化而變化，而減溫減壓器的負荷調(diào)節(jié)是靠進入減溫減壓器的減溫水流量變化而實現(xiàn)的，因此減溫水泵的出口流量就會隨減溫減壓器的負荷調(diào)整而變大或變小。而根據(jù)離心泵的性能曲線圖可知，離心泵的揚程是隨著流量的變化而變化的，并且離心泵的振動是隨著流量變化而變化，通常在離心泵的最佳效率點附近運行時振動值最小。如果偏離最佳效率點，不論是流量增大還是減小都會引起離心泵振動增加。長時間在偏離離心泵最佳效率點工況下運行，會增加泵的磨損，降低離心泵的運行可靠性，為生產(chǎn)裝置的平穩(wěn)運行埋下隱患[1]。

1 減溫水泵現(xiàn)狀及失效時間線

(1)根據(jù)工藝日常需求，現(xiàn)場的2臺減溫水泵平常是一用一備，泵本體兩端軸承沒有設(shè)計用于可在線監(jiān)測離心泵運行狀態(tài)的溫度探頭、振動探頭、位移探頭，只是在泵的驅(qū)動電機本體上有在線監(jiān)測電機兩端軸承和電機轉(zhuǎn)子的溫度探頭。泵的驅(qū)動端軸承箱裝配有用于徑向支撐軸的徑向軸瓦，非驅(qū)動端軸承箱也裝配有用于徑向支撐軸的軸瓦和承受軸向推力的推力軸承，軸承箱潤滑方式是帶有甩油環(huán)的自潤滑并且?guī)в型獠垦h(huán)冷卻水來降低軸承運行溫度。該減溫水泵共有7級葉輪，泵體內(nèi)部有平衡盤和平衡板的設(shè)計來平衡軸向力[2]。

(2)在2020年的3月22日早上5:34分減溫水A泵的電機電流開始出現(xiàn)波動并且電機轉(zhuǎn)子溫度也開始上升；在5:37分時泵的出口壓力突然下降隨后又恢復(fù)正常；在5:41分時電機電流波動且上升到19 A(額定電流為15 A)；在6:48分時工藝操作員現(xiàn)場巡檢檢查發(fā)現(xiàn)A泵兩端機械密封失效并大量泄漏，隨后操作員現(xiàn)場停下A泵，此時電機轉(zhuǎn)子溫度升到最高的96 ℃。

2 維修解體檢查及發(fā)現(xiàn)

(1)機械密封拆解后發(fā)現(xiàn)動環(huán)彈簧座內(nèi)有很多雜質(zhì)，這些雜質(zhì)限制了動環(huán)彈簧的浮動補償性。同時機封軸套和機封壓蓋之間有很明顯的機械摩擦痕跡，動靜環(huán)主密封面有因摩擦而產(chǎn)生的高溫變黑，并且驅(qū)動端的機械密封動靜環(huán)已損壞剝落。

(2)驅(qū)動端和非驅(qū)動端的徑向軸瓦在拆下后檢查發(fā)現(xiàn)，上下瓦都嚴重磨損且軸瓦表面的附著的巴氏合金層已脫落。非驅(qū)動端的推力軸承也嚴重損壞，軸承內(nèi)部的保持架和滾動體因磨損脫落，軸承內(nèi)外圈滾道上也有嚴重的磨損痕跡。軸承內(nèi)部的潤滑油也因高溫而變黑變黏稠[3]。

(3)泵體內(nèi)部拆解發(fā)現(xiàn)每一級的葉輪基本完好，沒有肉眼可見的損傷，但是在每一級的中段泵殼上都發(fā)現(xiàn)了明顯且嚴重的工藝流體沖蝕磨損的痕跡，同樣減溫水泵每一級的擴壓器也因葉輪口環(huán)的摩擦而磨損嚴重。擴壓器磨損照片如圖1所示。

圖1 擴壓器磨損照片

(4)減溫水泵泵體內(nèi)部平衡系統(tǒng)中的平衡盤和平衡板的配合面上也發(fā)現(xiàn)有明顯肉眼可見的嚴重磨損。

3 失效原因分析

3.1 工藝數(shù)據(jù)分析

從本文前面的失效時間線中的DCS參數(shù)可知，泵在失效前的運行狀態(tài)是正常的，直到事件當(dāng)天2020年3月22日。首先是A泵電流波動且上升，然后電機轉(zhuǎn)子溫度也開始逐漸升高，這就說明泵體內(nèi)部的轉(zhuǎn)動部分和靜止部分之前可能發(fā)生了接觸摩擦，后續(xù)的拆解發(fā)現(xiàn)也證實了這一點。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

由于泵體本身沒有設(shè)置在線監(jiān)測探頭，只有在電機的前后軸承和電機轉(zhuǎn)子設(shè)置有在線溫度監(jiān)測，事件發(fā)生時電機溫度探頭工作正常溫度顯示正確無誤，這就說明當(dāng)時電機軸承溫度和電機轉(zhuǎn)子溫度是在升高的。后續(xù)該減溫水泵檢修完成后在現(xiàn)場試運行時，我們使用手持的測振儀對泵和電機的軸承進行測數(shù)，也發(fā)現(xiàn)了泵在偏離最佳運行工況時振動值明顯上升，特別是泵的驅(qū)動端側(cè)振動值升高最為明顯，達到5 mm/s(正常該型號離心泵正常振動值應(yīng)該在2.8 mm/s)。

3.3 泵零部件拆解檢查分析

通過本文前面第3節(jié)的解體檢查，可以知道泵體明顯及嚴重的損壞如下：中段泵殼被嚴重沖刷；擴壓器被嚴重磨損；平衡盤和平衡板磨損；推力軸承嚴重失效。因此，我們可以推測出以上部件的明顯損壞是由于泵軸在運行過程中的明顯位移造成的。

3.4 泵材料分析

該泵的設(shè)計材質(zhì)是S-6(碳鋼)，采用美標(biāo)API610中的材料代號，現(xiàn)場拆解下來的泵殼用光譜儀測試后，證實材料和泵數(shù)據(jù)表上的一致?，F(xiàn)場另外兩臺鍋爐給水泵的泵殼也發(fā)現(xiàn)了同樣缺陷，泵殼被工藝介質(zhì)嚴重沖刷，且泵殼材質(zhì)與本次失效的泵是一樣的。現(xiàn)場泵內(nèi)走的工藝介質(zhì)是溫度為133.5 ℃的鍋爐給水。通過之前的拆解，我們發(fā)現(xiàn)減溫水泵的失效是由于泵內(nèi)部零部件被沖蝕磨損。正是由于泵內(nèi)動靜部件被沖蝕后才造成泵軸向力不平衡，最后造成軸瓦、推力軸承、機械密封損壞[4]。

沖蝕磨損通常是指流體與設(shè)備材料表面的互相作用而造成的設(shè)備材料質(zhì)量缺失，一般指的流體可是多項流、固體粒子與液體。沖蝕磨損可以說是工程材料失效的最主要磨損形式之一。通常對沖蝕磨損的速度和程度影響的因素有：

(1)硬度。材料的硬度對沖蝕率的影響很大，一般而言耐磨損能力是隨著材料強度與硬度的增加而增強。但并不是材料的硬度越大，它的抗沖蝕能力就越強。比如陶瓷這種材料，它的硬度就非常高，但它的抗沖蝕能力卻很低。所以不同的材料雖然硬度相同，但它們的抗沖蝕能力會相差很多。

(2)沖蝕角度。其指的是工程材料表面和流體流束之間的夾角，通常也叫做攻角。沖蝕角度對工程材料的沖蝕速率也有很大的影響。對塑性材料的最大沖蝕速率對應(yīng)的沖蝕角度在15°～30°之間，而對脆性材料的沖蝕速率的最大值通常在90°以上。

(3)環(huán)境溫度。一般而言對于碳鋼材料來說，它的磨損速率是始終隨著溫度的升高而增大。但是對于一些合金來說，當(dāng)環(huán)境溫度小于臨界值時，磨損速率是不隨溫度的升高而變化的，只有在環(huán)境溫度超高了臨界溫度后磨損速率會隨溫度升高而急劇上升。

在以上的3種因素中，工程材料是影響材料沖蝕磨損性能的最關(guān)鍵因素。所以對于本次失效的減溫水泵來說，根本原因是泵體材料的選擇不適合該工藝運行工況。碳鋼材質(zhì)泵殼的抗沖刷能力本身就不強，從現(xiàn)場拆解情況可以看出合金材質(zhì)的葉輪(ZG1Cr13Ni)并沒有發(fā)現(xiàn)被沖刷的痕跡，但碳鋼材質(zhì)的泵殼卻是因沖蝕而磨損嚴重。其次進入該泵的工藝介質(zhì)溫度較高，這就更加劇了泵殼的沖蝕磨損，長此以往隨著泵殼不斷地被工藝介質(zhì)給沖蝕磨損，最終導(dǎo)致泵的損壞失效。

4 后續(xù)改進

(1)將泵體材料從S-6升級到C-6，也即是將碳鋼材料的泵殼升級到1Cr13的合金鋼材料。這樣材料的硬度提升后，對該工況下的抗沖蝕能力也相應(yīng)增強，保證了泵的長期安全穩(wěn)定運行。

(2)與泵廠家溝通，重新設(shè)計或升級泵體內(nèi)部的流道，改變泵的性能曲線，使泵的最佳運行區(qū)間變大，或者使泵的最佳運行區(qū)間能包含目前的工藝工況所需求的流量范圍。