爪型干式真空泵的國產(chǎn)化改進(jìn)應(yīng)用

周 強(qiáng)，張勝飛，胡 錦，涂 運(yùn)

（寧波巨化化工科技有限公司，浙江 寧波 315204）

在氯堿化工行業(yè)經(jīng)常采用減壓蒸餾方法提取更多的輕質(zhì)組分，通過降低蒸餾系統(tǒng)壓力，使被蒸餾的原料沸點(diǎn)范圍降低，從而降低精餾塔的能耗[1]。減壓蒸餾的核心設(shè)備是減壓塔和塔頂?shù)某檎婵障到y(tǒng)，抽真空系統(tǒng)使塔頂?shù)膲毫档偷截?fù)壓狀態(tài)，將塔內(nèi)的不凝氣連續(xù)抽走以保證減壓蒸餾塔的真空度要求。目前常用的抽真空設(shè)備主要有水噴射真空機(jī)組、水環(huán)真空機(jī)組、干式羅茨真空機(jī)組、爪型干式真空泵等。而真空設(shè)備運(yùn)行過程中易出現(xiàn)的轉(zhuǎn)子表面結(jié)焦結(jié)碳累積卡死、內(nèi)部金屬材料構(gòu)件腐蝕、軸封機(jī)械密封泄漏和系統(tǒng)運(yùn)行時產(chǎn)生廢水難以處理等問題。尤其是氯堿化工行業(yè)因物料中存在游離氯，在泵體內(nèi)金屬材料發(fā)生氯離子腐蝕生成氯化亞鐵、氯化鐵等無機(jī)鹽造成設(shè)備內(nèi)堵塞、機(jī)械密封泄漏與轉(zhuǎn)子表面磨損、軸承損壞等，解決這些問題方可保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

某公司精餾系統(tǒng)為四塔負(fù)壓精餾，系統(tǒng)負(fù)壓需要控制在-93 kPa以下，為減少廢水處理費(fèi)用，最初選用了干式羅茨真空機(jī)組，在使用過程中因尾氣中攜帶的有機(jī)氣體在泵體內(nèi)結(jié)焦造成真空泵經(jīng)常性卡死、軸封磨損泄漏等問題，造成檢維修費(fèi)用急劇增加，后經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研與論證選擇某合資品牌進(jìn)口爪型干式真空泵替代。因工況比較惡劣，物料較為特殊易結(jié)碳、腐蝕等，在近幾年裝置運(yùn)行過程中，進(jìn)口爪型干式真空泵也出現(xiàn)運(yùn)行溫度控制不穩(wěn)定、泵體內(nèi)部腐蝕嚴(yán)重、機(jī)械密封經(jīng)常性磨損導(dǎo)致氣相物料串入潤滑油系統(tǒng)、真空度達(dá)不到系統(tǒng)要求等一系列問題。在分析原進(jìn)口爪型干式真空泵的運(yùn)行現(xiàn)狀后，結(jié)合設(shè)備費(fèi)用成本綜合考慮，采用國產(chǎn)爪型干式真空泵代替原進(jìn)口爪型干式真空泵，并在設(shè)備更新改造過程中進(jìn)行一系列的工藝流程優(yōu)化和關(guān)鍵部件安全提升，改造后實(shí)現(xiàn)了長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行及節(jié)能減排的目標(biāo)。

1 爪型干式真空泵工作原理

爪型干式真空泵主要有泵腔內(nèi)無油、無介質(zhì)污染、單泵真空度高等優(yōu)點(diǎn)，理論上爪型干式真空泵內(nèi)不會有水存在，酸性氣體無法形成酸液，對設(shè)備無腐蝕，且設(shè)備內(nèi)有少量顆粒雜質(zhì)能排出泵體，減少在設(shè)備內(nèi)發(fā)生累積造成設(shè)備卡死故障發(fā)生。這是其他類型的真空設(shè)備無法比擬的，其工作原理如下。

當(dāng)電機(jī)開始工作時，電機(jī)通過電機(jī)齒輪傳遞給介輪轉(zhuǎn)動扭矩，再由介輪傳遞給主動齒輪帶動同步從動齒輪做同步反方向運(yùn)轉(zhuǎn)，主動軸、從動軸便帶動一級轉(zhuǎn)子、二級轉(zhuǎn)子、三級轉(zhuǎn)子、四級轉(zhuǎn)子進(jìn)行連續(xù)吸排氣做功，被抽氣體通過進(jìn)氣口進(jìn)入進(jìn)氣通道，在一級轉(zhuǎn)子對的壓縮下，一級泵腔內(nèi)的氣體通過一級排氣道進(jìn)入二級泵腔，二、三、四級泵腔內(nèi)的氣體做同樣的運(yùn)動，經(jīng)四級排氣道進(jìn)入冷凝緩沖區(qū)，液體流向排液道，通過液體收集口可直接回收，殘存氣體通過消聲器經(jīng)排氣口排出泵外，從而達(dá)到抽真空以及氣液分離的效果。

2 設(shè)備運(yùn)行工況介紹及故障分析

原爪型干式真空泵在多個不同工況下運(yùn)行，主要物料工況均為有機(jī)溶劑氣體，在物料氣純凈的工況下能保證設(shè)備長周期穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到設(shè)計(jì)時的理論運(yùn)行周期。但由于該四塔負(fù)壓精餾工況的物料含氯離子和有機(jī)物溶劑，出現(xiàn)泵內(nèi)腐蝕無機(jī)鹽和有機(jī)物結(jié)碳累積造成轉(zhuǎn)子卡死、軸承安裝部位打滑磨損，導(dǎo)致軸徑向串動、機(jī)械密封結(jié)碳物在機(jī)封空間內(nèi)累積造成密封面磨損泄漏等，暴露出真空泵在該特殊工況下運(yùn)行的一些前期設(shè)計(jì)的缺陷，原真空泵采購成本、維修費(fèi)用較高且備件采購周期長等影響裝置穩(wěn)定運(yùn)行，因此提出通過國產(chǎn)化替代與結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造提升設(shè)備性能，具體包括以下幾個方面。

（1）原真空泵泵頭為原裝國外批量生產(chǎn)適合通用大眾化潔凈純凈的真空工藝系統(tǒng)，做不到針對不同工藝工況的特殊性采用針對性的密封或者材料，進(jìn)口品牌的經(jīng)銷商或者代理商也不能針對實(shí)際工況修改設(shè)備配置，針對泵頭的結(jié)構(gòu)不合理之處不能提出針對性的解決方案。原爪型干式真空泵剖析圖見圖1。

圖1 原爪型干式真空泵剖視圖

（2）生產(chǎn)物料中含碳成分較高的碳2、碳6等在泵體內(nèi)受溫度的影響，形成結(jié)碳物并累積，同時工藝氣中帶有的游離氯離子與設(shè)備金屬材料發(fā)生腐蝕形成了典型的晶間腐蝕和酸性介質(zhì)腐蝕體系，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中會造成轉(zhuǎn)子與殼體磨損、轉(zhuǎn)子表面與泵殼表面腐蝕間隙變大從而導(dǎo)致達(dá)不到系統(tǒng)所需的真空度。結(jié)碳物在軸封唇形密封與機(jī)械密封泄漏導(dǎo)致滾動軸承損壞，潤滑油污染失效最終導(dǎo)致設(shè)備卡死。

（3）真空泵在運(yùn)行過程中受載荷變化、振動、機(jī)械磨損等因素的影響，造成轉(zhuǎn)子軸承安裝部位因硬度不夠而磨損后發(fā)生串動，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子表面磨損，嚴(yán)重者導(dǎo)致真空泵卡死。

（4）外掛式換熱器通過溫包感應(yīng)周圍環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生體積變化，帶動調(diào)節(jié)閥閥芯產(chǎn)生位移，進(jìn)而調(diào)節(jié)冷卻水的水量來改變換熱器的散熱量。溫控閥設(shè)定溫度可以人為調(diào)節(jié)，溫控閥會按設(shè)定要求自動控制和調(diào)節(jié)冷卻水的流量，從而達(dá)到控制泵體溫度的目的，但也存在熱交換器結(jié)垢后導(dǎo)致泵運(yùn)行溫度持續(xù)過高的故障情況。

（5）原工藝流程比較簡單，塔頂尾氣直接進(jìn)入爪型干式真空泵，未進(jìn)行有效的分離、冷凝、過濾等，有機(jī)溶劑氣體和顆粒物直接帶入，易在泵內(nèi)累積、結(jié)焦、結(jié)碳等，通過外掛式換熱器進(jìn)行換熱，不易有效控制設(shè)備運(yùn)行溫度，造成設(shè)備轉(zhuǎn)子卡死磨損等故障的發(fā)生。

3 國產(chǎn)化改進(jìn)方案及實(shí)施情況

結(jié)合原有真空泵的幾年使用經(jīng)驗(yàn)，尤其是既有有機(jī)溶劑又有酸性介質(zhì)的惡劣工況，通過分析原真空泵在生產(chǎn)過程遇到的各類故障問題，通過采用5Why分析法與運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，出于降低檢修故障率與檢修費(fèi)用、安全環(huán)保提標(biāo)、節(jié)能降耗的需求，并從設(shè)備結(jié)構(gòu)方面、材料選擇方面和實(shí)際工藝工況做優(yōu)化更新并增加適當(dāng)配置，解決了困擾在使用過程中的卡機(jī)現(xiàn)象、溫度過高、頻繁過載、設(shè)備內(nèi)部腐蝕、機(jī)械密封泄漏等諸多問題。主要改進(jìn)與優(yōu)化措施如下。

（1）現(xiàn)有國產(chǎn)爪型干式真空泵在原有球墨鑄鐵的基礎(chǔ)上把殼體材料重新升級為高鎳合金鑄鐵、轉(zhuǎn)子材料更換成了雙相鋼材質(zhì)、整機(jī)的加工制造使用刀具為瑞典專用刀具，車間均為最先進(jìn)的加工中心，并配備有三坐標(biāo)檢測儀等高端設(shè)備。在產(chǎn)品檢驗(yàn)方面擁有多種規(guī)格的專用轉(zhuǎn)子間隙調(diào)整檢測儀、多功能三坐標(biāo)儀，對原材料的機(jī)械性能試驗(yàn)也有專門的檢驗(yàn)檢測設(shè)備，現(xiàn)場產(chǎn)品零部件標(biāo)識齊全并有跡可循，產(chǎn)品加工單簽名和檢測數(shù)據(jù)均有效流轉(zhuǎn)，為零部件可靠性提供了有力保障。設(shè)計(jì)及制造按照API619執(zhí)行，采用變頻調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍（30%～100%）的節(jié)能調(diào)節(jié)。保證設(shè)備在某些有機(jī)溶劑和腐蝕性介質(zhì)工況下，使用壽命能顯著延長。

（2）現(xiàn)有國產(chǎn)爪型干式真空泵使用的機(jī)械密封采用定制的集裝式串聯(lián)式機(jī)械密封[2]，具有加工精度高、彈性回彈量均勻、更換動靜環(huán)方便等優(yōu)點(diǎn)。該機(jī)械密封也可以根據(jù)用戶需求定制，產(chǎn)品關(guān)鍵部件可根據(jù)實(shí)際工況定制。相比于原真空泵采用的普通單端面機(jī)封，不論是使用壽命還是防滲漏方面都有極大的改進(jìn)。改造后機(jī)封結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 改造后機(jī)封結(jié)構(gòu)圖

（3）冬季低溫天氣或長時間停機(jī)易造成軸承潤滑失效，在設(shè)備啟動時，容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸承安裝部位磨損、設(shè)備運(yùn)行振動逐漸增大。在設(shè)備國產(chǎn)化應(yīng)用改造中，轉(zhuǎn)子鍛鋼加工成型后在型線表面和軸頸部位采用激光熔覆技術(shù)[3]以提高表面硬度到HRC55以上，大大提高了軸承安裝部位的耐磨性能，確保降低軸承的徑向串動所引起的設(shè)備故障。

（4）原真空泵的冷卻方式為外掛式換熱器的間接冷卻形式，通過溫包感應(yīng)周圍環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生體積變化，帶動調(diào)節(jié)閥閥芯產(chǎn)生位移，進(jìn)而調(diào)節(jié)冷卻水的水量來改變換熱器的散熱量，現(xiàn)國產(chǎn)真空泵改造為泵體內(nèi)通工業(yè)水直接冷卻，換熱面積在原計(jì)算值的基礎(chǔ)上提高至150%，最大限度避免了夏季高溫天氣由于冷卻器換熱面積不夠而引起的運(yùn)行溫度高導(dǎo)致機(jī)組跳機(jī)現(xiàn)象。

（5）在生產(chǎn)工藝流程方面也進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化，增加相應(yīng)的泵前分離、冷凝、過濾等配置，并配備整機(jī)的在線清洗吹掃、停機(jī)前的溶劑清洗和氮?dú)獯祾叩容o助手段，并在泵后增加尾氣冷凝和吸收系統(tǒng)，這樣既保證了設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，又降低了尾氣VOC的排放、而且整機(jī)配備全智能化系統(tǒng)和恒壓變頻調(diào)節(jié)，既滿足了生產(chǎn)需求又大大降低了能耗、達(dá)到節(jié)能減排的目的。減壓蒸餾塔爪型干式真空泵工藝流程圖見圖3。

圖3 減壓蒸餾塔爪型干式真空泵工藝流程圖

4 改造后效益和性能對比

4.1 技術(shù)性能測試

爪型干式真空泵國產(chǎn)化改造后，設(shè)備運(yùn)行溫度基本保持在75℃上下，滿足運(yùn)行溫度上限90℃以內(nèi)，蒸餾系統(tǒng)塔內(nèi)的真空一直穩(wěn)定在-95 kPa以下，軸向與徑向振動值的線速度控制在2.8 mm/s以內(nèi)，滿足爪型干式真空泵穩(wěn)定運(yùn)行要求的指標(biāo)。

4.2 運(yùn)行維護(hù)成本效益

在負(fù)壓精餾惡劣工況下的爪型干式真空泵運(yùn)行周期由原來的4個月提高至可以穩(wěn)定運(yùn)行一年，由于原先的4個月為故障維修周期，解體后內(nèi)部腐蝕與磨損導(dǎo)致部件更換較多；而目前一年的計(jì)劃性拆檢僅為解體清理等一些常規(guī)性的維護(hù)保養(yǎng)。綜合日常檢修涉及到現(xiàn)場交出、檢修工器具、返修備件更換等費(fèi)用，該項(xiàng)目改造后能節(jié)省30萬～40萬元/a。爪型干式真空泵改造情況對比表見表1。

表1 爪型干式真空泵改造情況對比

5 改造經(jīng)驗(yàn)

在負(fù)壓蒸發(fā)精餾方面、氯堿化工、含有機(jī)溶劑物料工況等方面先后對原設(shè)計(jì)工藝做出如下改進(jìn)。

（1）泵腔與潤滑油腔室間的動密封原采用單一型唇形密封，改為復(fù)合型唇形密封，有效提升唇形密封使用壽命3倍以上。此唇形密封為爪型干式真空泵、羅茨真空泵等類型設(shè)備長期運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié)，直接影響到設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)周期?？刹捎酶鼮榭煽康募b式串聯(lián)式機(jī)械密封，加上隔離氮?dú)鈿夥饪蓮氐捉鉀Q該泄漏問題。

（2）新技術(shù)、新材料、新工藝、新設(shè)備的應(yīng)用徹底解決了以往通過改變裝置生產(chǎn)工藝工況無法解決的問題，如殼體材料重新升級為高鎳合金鑄鐵、轉(zhuǎn)子材料更換成雙相鋼材質(zhì)解決腐蝕問題；專用轉(zhuǎn)子間隙調(diào)整檢測儀、擁有多功能三坐標(biāo)儀保證轉(zhuǎn)子配合間隙等。

（3）改變傳統(tǒng)僵化的思維模式，外掛式冷卻器為目前市場上爪型干式真空泵一般常用的換熱方式，推翻原有的設(shè)計(jì)構(gòu)思將其改為直冷式換熱，換熱面積也在原計(jì)算值的基礎(chǔ)上提高至150%，最大限度避免了由于冷卻器換熱面積不夠或換熱效果不佳而引起高溫造成機(jī)組跳機(jī)現(xiàn)象。

6 結(jié)語

該公司在匯總分析原進(jìn)口爪型干式真空泵歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)與每次故障處理措施的基礎(chǔ)上，利用日常生產(chǎn)設(shè)備定期維護(hù)保養(yǎng)，有針對性對設(shè)備關(guān)鍵部件進(jìn)行了國產(chǎn)化應(yīng)用改造優(yōu)化或替換，從后期設(shè)備運(yùn)行效果看，國產(chǎn)化爪型干式真空泵的穩(wěn)定運(yùn)行周期、設(shè)備主體部件內(nèi)部腐蝕、冷卻換熱溫度控制效果、唇封與機(jī)械密封的密封效果、軸承使用壽命等，在惡劣工況下都取得了較為明顯的改善，極大地提高了生產(chǎn)裝置運(yùn)營績效。更重要的是，通過對運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析與總結(jié)，定期對設(shè)備返廠解體保養(yǎng)，將故障控制在可預(yù)見且可控范圍內(nèi)。

公司在設(shè)備改造過程中的“四新”技術(shù)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，如激光熔覆技術(shù)、殼體高鎳合金鑄鐵與轉(zhuǎn)子雙向鋼新材料、集裝式串聯(lián)式機(jī)械密封的應(yīng)用等，為氯堿化工行業(yè)其他相似工況也提供了借鑒，為爪型干式真空泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了較好的參考，同時也為降低羅茨真空機(jī)組運(yùn)行機(jī)封泄漏率積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。