尿素水解給料泵振速高的原因分析及改造措施

范天祥，鄭明統(tǒng)，初保衛(wèi)，范 利

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750026）

我國的國產(chǎn)化大化肥裝置是2009 年中石油研發(fā)了合成氨、尿素工藝包后才具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大氮肥工藝系統(tǒng)，且在中國石油寧夏石化公司第三套化肥裝置45/80 關(guān)鍵設(shè)備完全實(shí)現(xiàn)自主國產(chǎn)化。該套設(shè)備自2018 年原始開車以來，關(guān)鍵設(shè)備尿素水解給料泵多次出現(xiàn)軸承箱振速高的問題，給裝置的平穩(wěn)運(yùn)行帶來隱患。本文針對水解給料泵出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析并提出改造措施，為今后同類國產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計、維護(hù)、檢修提供借鑒和幫助[1，2]。

1 工藝流程

水解給料泵將來自第一解析塔底部溶液濃度Ur：0.81wt.%、NH3：0.96wt.%、CO2：0.11wt.%升壓至2.3 MPa后，與來自水解塔底部的溶液混合，然后通過水解塔換熱器換熱后進(jìn)入水解塔頂部。再利用水解塔底部2.5 MPa（A）、325 ℃過熱蒸汽將混合液水解，達(dá)到外排標(biāo)準(zhǔn)[1，2]。

2 設(shè)備簡介及性能參數(shù)

水解給料泵設(shè)計為三級葉輪，泵體外缸采用垂直剖分，內(nèi)缸采用水平剖分的形式；殼體材質(zhì)為316、泵軸材質(zhì)3Cr13，葉輪材質(zhì)316；軸承箱為懸臂式，采用兩盤7312BAU 角接觸球軸承和一盤NU312 圓柱滾子軸承定位和支撐，止推側(cè)兩盤角接觸球軸承采用面對面安裝，軸承箱與泵體靠錐銷定位和螺栓連接，前后軸承潤滑方式為飛濺潤滑，軸封兩端采用雙端面機(jī)封。該泵主要性能參數(shù)（見表1）。

表1 水解給料泵主要性能參數(shù)

3 水解給料泵振速高的原因分析

該泵自2018 年原始開車以來，運(yùn)行中多次出現(xiàn)軸承箱振速高、軸承燒損的現(xiàn)象，開車以來歷次出現(xiàn)的問題（見表2）。

從表2 看出水解給料泵出現(xiàn)故障主要是軸承振速高和軸承有異音，而從歷次拆檢泵體檢查到的主要原因有：電機(jī)和泵對中偏差大；止推軸承調(diào)整間隙有缺陷；軸承外圈存在跑套現(xiàn)象；間隙汽蝕引起轉(zhuǎn)子振動等。

表2 水解給料泵試車以來出現(xiàn)的故障

3.1 泵和電機(jī)對中偏差大，泵體單側(cè)有吊腳現(xiàn)象

水解給料泵用百分表檢測泵與驅(qū)動電機(jī)對中，檢測結(jié)果是泵和電機(jī)同心度超差，即兩軸中心線不在同一條直線上，徑向偏差為0.30 mm，端面為0.20 mm；用塞尺檢查泵肩四角和電機(jī)地腳螺栓是否存在吊腳現(xiàn)象，結(jié)果電機(jī)四角無間隙，而驅(qū)動端面朝泵體方向右腳有0.06～0.12 mm 間隙，存在吊腳現(xiàn)象。

3.2 止推軸承的間隙調(diào)整與標(biāo)準(zhǔn)誤差大

水解給料泵解體前盤車轉(zhuǎn)子有卡澀現(xiàn)象。拆卸自由側(cè)軸承箱發(fā)現(xiàn)，面對面裝配的角接觸球軸承SKF7312B-AU 內(nèi)外圈滑道、滾珠、保持架磨損嚴(yán)重，且軸承裝配到軸承箱后的間隙都已超標(biāo)：泵軸的工作竄量為0.25 mm，泵軸的膨脹量為0.40 mm，泵軸的抬量為0.20 mm。這些數(shù)值與泵和軸承制造廠家所給的標(biāo)準(zhǔn)有很大差距。這些標(biāo)準(zhǔn)的降低最終導(dǎo)致泵在實(shí)際運(yùn)行中隨著負(fù)荷的增大從而造成軸承箱振速升高。

3.3 軸承外圈與軸承箱配合間隙超標(biāo)，軸承箱內(nèi)孔存在跑套現(xiàn)象

水解給料泵自由側(cè)軸承箱拆檢后發(fā)現(xiàn)軸承箱內(nèi)孔與軸承外圈有相對滑動的痕跡，而且用內(nèi)徑量表檢測軸承箱內(nèi)孔最小尺寸為Φ130.04 mm，最大尺寸為Φ130.08 mm，與之配合的軸承外圈尺寸為Φ130.00 mm。從三個數(shù)據(jù)的對比與差值說明軸承箱內(nèi)圈已磨損成橢圓，且此處配合間隙為0.04～0.08 mm，說明軸承外圈已跑套，這是造成該泵振速高的另一主要原因。

3.4 葉輪、殼體口環(huán)沖刷、腐蝕嚴(yán)重，間隙汽蝕引起泵體振速升高

水解給料泵解體大修時發(fā)現(xiàn)葉輪口環(huán)間隙超標(biāo)，一級、二級、三級口環(huán)間隙實(shí)測為2 mm，標(biāo)準(zhǔn)為0.55～0.65 mm；二級殼體口環(huán)因汽蝕沖刷而脫落，平衡鼓磨損嚴(yán)重，間隙達(dá)到0.65 mm，而且圓周有2～3 mm 的深槽（見圖1），這些間隙超標(biāo)造成間隙汽蝕在轉(zhuǎn)子動靜摩擦部位發(fā)生，從而造成泵振速的升高。

圖1 沖刷磨損的葉輪口環(huán)及平衡鼓摩擦副

4 水解給料泵振速高的改造措施

4.1 提高對中精度，消除吊腳對機(jī)泵振速產(chǎn)生的影響

提高水解給料泵的找正精度就是要保證泵軸的中心線與電機(jī)的中心線重合。如果泵和電機(jī)不對中，則會引起機(jī)泵振速的升高，并影響軸、軸承、機(jī)封、葉輪及軸上其他零件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至?xí)鹫_機(jī)器的振動；該泵在現(xiàn)場安裝過程中存在吊腳現(xiàn)象，即泵肩的四個支點(diǎn)與基座存在間隙。如果泵出入口管路與泵連接應(yīng)力過大，或者管路支架強(qiáng)度不夠都會造成管路對泵體產(chǎn)生下壓或者上拉的應(yīng)力，從而破壞泵與電機(jī)的同心度，造成泵體產(chǎn)生振動。該泵用三表找正法檢查電機(jī)與泵的對中，找正過程中執(zhí)行膜片聯(lián)軸節(jié)徑向小于0.08 mm，端面小于0.05 mm 的標(biāo)準(zhǔn)；同時用0.20 mm 不銹鋼墊消除驅(qū)動端面朝泵方向右側(cè)0.06～0.12 mm 的支腳間隙（見圖2），從而徹底消除找正精度不高和吊腳引起機(jī)泵振速高的隱患。

圖2 不銹鋼墊片消除吊腳位置圖

4.2 改造軸承裝配方式，消除角接觸球軸承間隙過大引起的振動

水解給料泵止推軸承原始安裝是兩盤SKF7312BAU 角接觸球軸承，安裝形式為面對面裝配（見圖3）。面對面裝配的軸承可承受作用于兩個方向上的軸向載荷，但每個方向上的載荷只能由一個軸承承受，而且在實(shí)際裝配過程中軸承外圈和壓蓋的間隙調(diào)整比較困難。當(dāng)軸承外圈和壓蓋的軸向間隙過大時，泵運(yùn)行時泵軸的徑向晃動很大，造成葉輪口環(huán)等動靜部件的碰磨；當(dāng)軸承外圈和壓蓋的軸向間隙過小時，在泵沒有運(yùn)行時軸承就已經(jīng)承載一定的預(yù)載荷，當(dāng)泵啟動后軸承壓蓋與軸承外圈之間摩擦易造成軸承溫度和振速升高，從而損壞軸承。為了降低振速和更易調(diào)整軸承外圈和壓蓋的膨脹間隙，將面對面原始安裝的兩盤SKF7312B-AU 角接觸球軸承改造成背對背安裝的角接觸球軸承NSK7312BDB。背對背角接觸球軸承的裝配形式軸系剛性高，轉(zhuǎn)子不僅能承受較大傾覆力矩，而且可承受雙向軸向載荷。改造后的角接觸球軸承按照背對背軸承裝配要求將軸的工作竄量調(diào)整至0.10～15 mm，轉(zhuǎn)子的膨脹間隙調(diào)整到0.15～0.20 mm，泵軸抬量調(diào)整到0.08～0.12 mm。這一技術(shù)的改動徹底解決了原始軸承安裝方式的不同造成泵振速高的問題；同時裝配間隙標(biāo)準(zhǔn)的提高，也為該泵長周期運(yùn)行打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

圖3 面對面安裝的軸承

4.3 提高軸承外圈與軸承箱內(nèi)孔的配合精度，消除軸承箱內(nèi)孔的跑套現(xiàn)象

滾動軸承內(nèi)圈和軸頸裝配方式通常為基孔制，過盈配合；滾動軸承外圈和軸承座裝配方式通常為基軸制，過渡配合。內(nèi)圈和軸之間，外圈和座孔之間不允許有相對滑動，當(dāng)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象時稱為跑套。跑套對設(shè)備正常運(yùn)行影響非常大，加速軸承、軸承箱、軸的磨損，甚至燒損軸承和軸。跑套造成軸承外圈與軸承箱內(nèi)孔相對滑動，把大量的能量轉(zhuǎn)化成了無用的熱能和噪聲，從而造成了泵體和軸承箱振速和溫度的升高。從設(shè)計、制造、溫差等方面對水解給料泵軸承外圈與軸承座的跑套現(xiàn)象進(jìn)行了分析和研究，得出造成跑套的主要原因是軸承外圈與其配合的軸承箱內(nèi)孔是間隙配合及裝配不當(dāng)造成的。為此將水解給料泵的軸承外圈與軸承箱裝配方式定為過渡配合，配合間隙為-0.015～0.015 mm。在實(shí)際修復(fù)軸承箱的過程中采用激光熔覆焊，將軸承箱內(nèi)圓加工到過渡配合尺寸Φ129.99 mm～Φ130.01 mm，而后與Φ130.0 mm 軸承外圈相配（見圖4），配合表面粗糙度為Ra0.8。這種改造大大提升軸承箱的穩(wěn)定性，徹底消除了間隙配合和跑套現(xiàn)象對振速升高的影響。

圖4 軸承箱內(nèi)圈跑套重新加工處理

4.4 調(diào)整動靜配合間隙，消除間隙汽蝕對轉(zhuǎn)子振速的影響

水解給料泵動靜配合間隙的設(shè)定因素包括軸的撓度、隔板止口間隙，溫升導(dǎo)致的熱膨脹、轉(zhuǎn)子的晃動量、前后軸承箱與轉(zhuǎn)子的同心度及汽蝕等。該泵拆檢復(fù)測葉輪與殼體口環(huán)間隙2 mm，平衡鼓與節(jié)流襯套間隙0.65 mm，且口環(huán)沖刷脫落，平衡鼓磨損嚴(yán)重，這主要是間隙汽蝕造成的（見圖5）。水解給料泵是三級離心泵，屬于多級離心泵的范疇，而多級離心泵對于口環(huán)摩擦副、級間摩擦副及平衡鼓摩擦副的間隙要求嚴(yán)格。而間隙汽蝕現(xiàn)象在高壓多級離心泵運(yùn)行中極易造成間隙破壞，表象就是離心泵的摩擦副嚴(yán)重磨損，平衡機(jī)構(gòu)出現(xiàn)汽蝕剝蝕的現(xiàn)象。間隙汽蝕的成因是由于多級離心泵轉(zhuǎn)子撓度的存在，導(dǎo)致動靜摩擦副沿圓周方向間隙不均勻，而設(shè)計過程中要保證泵軸撓度最低位置有一定間隙，以確保轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中不會接觸。然而在工作過程中，摩擦副沿圓周方向間隙不同，導(dǎo)致泄漏量及壓降不同。壓降的不同造成局部氣體析出，析出的氣體會隨著高速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致氣泡在小間隙位置高壓潰滅，對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生徑向沖擊，從而造成轉(zhuǎn)子軸心軌跡的改變。隨著沖蝕的積累，導(dǎo)致振動加大，尤其是摩擦副材料選擇不正確或表面硬化不合理時這種影響更大。在實(shí)際的裝配過程中，對口環(huán)和節(jié)流襯套表面進(jìn)行調(diào)質(zhì)滲碳改造（見圖6），間隙調(diào)整到0.60 mm；對平衡鼓表面進(jìn)行熔敷焊后上磨床將間隙加工調(diào)整到0.50 mm。這種表面硬化處理和間隙的調(diào)整徹底降低了間隙汽蝕對轉(zhuǎn)子振速的影響，從而大大提高該泵運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖5 間隙汽蝕造成葉輪口環(huán)沖刷

圖6 葉輪口環(huán)表面調(diào)質(zhì)滲碳處理

5 結(jié)語

國產(chǎn)化大化肥尿素裝置水解給料泵是關(guān)鍵設(shè)備，在前期試車和后期裝置滿負(fù)荷運(yùn)行中，多次出現(xiàn)振速高、溫度高而影響尿素裝置長周期運(yùn)行的隱患。針對該泵出現(xiàn)振速高的難題，經(jīng)過工藝、設(shè)備及制造廠家的工程技術(shù)人員分析原因和制定改造對策。在經(jīng)過多次技術(shù)改造后延長了該泵的檢修頻次，提高了尿素水解給料泵的運(yùn)轉(zhuǎn)周期，保證了國產(chǎn)大化肥尿素裝置的長周期穩(wěn)定運(yùn)行。同時也為解決同類設(shè)備出現(xiàn)的故障提供了一條技改之路，為大化肥關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化的推廣做出了貢獻(xiàn)。