柴油加氫進(jìn)料泵泵軸抱死原因分析及解決方案

文/陳文俊 李錦輝 何智文

本文作者供職于大連利歐華能泵業(yè)有限公司。

對(duì)多級(jí)離心泵轉(zhuǎn)軸抱死進(jìn)行了分析，并提出了維修方案——某化工廠柴油加氫進(jìn)料多級(jí)離心泵運(yùn)行過程中發(fā)生轉(zhuǎn)軸抱死故障，通過解體檢查抱死發(fā)生在平衡鼓位置。本文針對(duì)轉(zhuǎn)軸抱死原因進(jìn)行了分析，并提出了縮短平衡鼓軸向間隙長度和平衡鼓上開螺旋槽的維修方案。為同類裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性技術(shù)提升以及工程應(yīng)用提供一定的借鑒。

柴油加氫進(jìn)料泵是柴油加氫裝置關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備之一，在裝置中起著向反應(yīng)器輸送待加氫原料油，為最終生產(chǎn)出合格加氫柴油提供先決條件的重要作用。它的安穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)直接關(guān)系到柴油加氫裝置的安全高效運(yùn)行。某化工廠240萬t/a柴油加氫裝置于2010年10月投入使用，在2019年10月停泵重起后出現(xiàn)轉(zhuǎn)軸抱死故障。

泵工況參數(shù)

柴油加氫進(jìn)料泵為FLOWSERVE泵業(yè)有限公司生產(chǎn)的8BP-186型多級(jí)離心泵，結(jié)構(gòu)為內(nèi)芯節(jié)段式，共6級(jí)葉輪，采用強(qiáng)制潤滑軸承。泵輸送介質(zhì)為汽柴油，密度為772.78 kg/m3，工作溫度為105℃。其基本性能參數(shù)為：流量Q=407 m3/h，揚(yáng)程H=1 189 m，轉(zhuǎn)速n=2 991 r/min，軸功率P=1 358 kW，效率η=75%。泵軸和葉輪材質(zhì)均為C-6。泵裝置如圖1所示。

圖1 泵裝置

解體檢查情況

為了查明轉(zhuǎn)軸抱死原因，需要將柴油加氫泵進(jìn)行拆解，通過對(duì)各零部件進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸抱死位置發(fā)生在平衡鼓處。葉輪口環(huán)處均無刮蹭，拆卸后軸彎約0.2 mm。泵拆解如圖2所示。

圖2 泵解體

轉(zhuǎn)軸抱死原因分析

經(jīng)初步分析，導(dǎo)致泵轉(zhuǎn)軸平衡鼓處抱死的可能原因如下。

1. 流體中硬質(zhì)雜質(zhì)堵塞動(dòng)靜間隙。平衡鼓與平衡套之間的動(dòng)靜間隙內(nèi)有焦炭等硬質(zhì)雜質(zhì)顆粒進(jìn)入，引起轉(zhuǎn)軸抱死。

2.平衡鼓平衡軸向力作用減弱。由于平衡套與平衡鼓之間的間隙較小，一般為0.2~0.3 mm。隨著泵的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，在摩擦力的作用下，經(jīng)過一段時(shí)間間隙會(huì)逐漸變大。從而使得平衡鼓不能完全平衡軸向力，導(dǎo)致平衡鼓處發(fā)生抱死。

3.暖泵工作不到位，負(fù)荷驟然加快會(huì)引起泵軸抱死。如果機(jī)器處于冷狀態(tài)中，起動(dòng)時(shí)需要足夠的暖泵工作，因?yàn)榻橘|(zhì)溫度較高，如果暖泵不到位，介質(zhì)流動(dòng)中極有可能加大泵內(nèi)外的溫差，則出現(xiàn)膨脹不均的狀況。此外，泵的補(bǔ)給速度應(yīng)該均勻，如果驟然間加大補(bǔ)給流量，負(fù)荷過重，則會(huì)對(duì)泵轉(zhuǎn)軸形成較大沖擊，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸抱死的發(fā)生。

4.泵沒有定期盤軸，軸發(fā)生彎曲。由于泵長期的運(yùn)行，停泵后轉(zhuǎn)軸還處于熱態(tài)，如盤車不徹底，尚未處于冷態(tài)，一旦長時(shí)間停用，轉(zhuǎn)軸很容易發(fā)生彎曲變形，以至于重起時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)軸抱死。

5.平衡鼓間隙內(nèi)發(fā)生空化現(xiàn)象。平衡鼓前面是末級(jí)葉輪的后泵腔，后面是與吸入口相連通的平衡室。平衡鼓前后存在較高的壓差，介質(zhì)從高壓到低壓的降壓過程中易發(fā)生空化現(xiàn)象，而導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸抱死。

6.平衡鼓軸向長度過大。由于本文研究的多級(jí)離心泵泵軸為撓性軸，平衡間隙軸向長度過大，所以不利于控制轉(zhuǎn)子的抬量，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)平衡鼓與平衡套容易發(fā)生接觸，從而發(fā)生抱軸現(xiàn)象。

解決方案

針對(duì)以上可能導(dǎo)致平衡鼓抱死的情況逐一進(jìn)行排查。

1.解體過程中未發(fā)現(xiàn)泵流道內(nèi)有較大的硬質(zhì)雜質(zhì)，排除因硬質(zhì)雜質(zhì)進(jìn)入平衡鼓間隙導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸抱死的因素。

2. 解體后測(cè)量平衡鼓間隙值在公差允許范圍內(nèi)，不是因軸向力不平衡導(dǎo)致的平衡鼓抱死。

3.檢查泵運(yùn)行操作人員工作日志，暖泵過程按照泵廠家產(chǎn)品手冊(cè)要求執(zhí)行，且運(yùn)行過程中也沒有突然增加流量的操作。

4.查看值班人員運(yùn)行日志，每次停泵后均有徹底盤軸記錄，且每周都有進(jìn)行180°盤軸記錄。

5.針對(duì)平衡鼓間隙降壓過程可能存在空化現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬，模型為環(huán)形縫隙，直徑為223 mm，長度為265 mm，單邊間隙為0.2 mm。采用網(wǎng)格劃分軟件對(duì)間隙模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終生成網(wǎng)格數(shù)為2 523 504個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 587 745個(gè)，如圖3所示。

圖3 平衡鼓間隙CFD模型

采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，對(duì)流相使用二階迎風(fēng)格式離散，擴(kuò)散項(xiàng)選用中心差分格式。在計(jì)算域的進(jìn)口定義壓力為11.89 MPa，出口處壓力為常壓。壁面條件采用無滑移固壁條件，并使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理固體附近流動(dòng)。

流體介質(zhì)為105℃的汽柴油，先對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，得到穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果作為汽液兩相計(jì)算的初始條件。

平衡鼓間隙內(nèi)空泡體積分?jǐn)?shù)分布云圖如圖4所示。由圖4可知，間隙內(nèi)存在局部的空化區(qū)域，但區(qū)域范圍較小，不會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸抱死現(xiàn)象發(fā)生。

圖4 平衡鼓間隙空泡體積分?jǐn)?shù)分布云圖

6.應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)泵轉(zhuǎn)子部件進(jìn)行撓度計(jì)算，原平衡鼓位移分布云圖如圖5所示。由圖5可知，平衡鼓處最大位移值為0.10399 mm。

圖5 原平衡鼓位移分布云圖

將平衡鼓長度由265 mm縮短到150 mm，重新進(jìn)行泵轉(zhuǎn)子撓度計(jì)算，結(jié)果如圖6所示，平衡鼓處最大位移值降低到0.085177 mm，比原平衡鼓撓度減小了0.018813 mm。

圖6 平衡鼓改后位移分布云圖

根據(jù)平衡間隙泄漏量計(jì)算公式，減小軸向間隙長度會(huì)使泄漏量增大。在轉(zhuǎn)軸上開槽型密封，軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生泵送作用，它可以平衡因壓差產(chǎn)生的泄漏量，從而阻止泄漏。同時(shí)，當(dāng)流體中有硬質(zhì)顆粒時(shí)，可以通過螺旋槽流出，尤其是在泵試車階段，極大地降低了轉(zhuǎn)軸抱死的風(fēng)險(xiǎn)。所以采用在平衡鼓上開螺旋槽的方式降低泄漏量，通過理論計(jì)算，選用槽寬為2 mm，槽深為1 mm，頭數(shù)為2頭的螺旋槽方案。

改造后運(yùn)行情況

通過對(duì)8BP-186型柴油加氫進(jìn)料多級(jí)離心泵平衡鼓結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，泵重新起動(dòng)運(yùn)行至今狀態(tài)平穩(wěn)，未出現(xiàn)轉(zhuǎn)軸抱死等故障，證明了減小平衡鼓間隙長度和增加螺旋槽的方案是可行的。●