加氫裝置高溫屏蔽泵故障原因分析及改進(jìn)措施

陳巖

（中國(guó)石油大慶石化公司,黑龍江 大慶 163714）

0 引言

屏蔽泵是一種無(wú)泄漏泵，由于其無(wú)機(jī)封和軸承箱，電動(dòng)機(jī)與泵采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，泵軸完全封閉在屏蔽套內(nèi)，變動(dòng)密封為靜密封，全部的靜密封使得屏蔽泵完全無(wú)泄漏。在石油化工生產(chǎn)裝置中屏蔽泵適合于輸送易燃、易爆、易揮發(fā)、有毒、有腐蝕的流體介質(zhì)，徹底解決了化工生產(chǎn)過(guò)程中容易出現(xiàn)的“跑、冒、滴、漏”問(wèn)題，使得生產(chǎn)過(guò)程較為安全環(huán)保，因此被廣泛應(yīng)用于各類石油化工生產(chǎn)裝置，尤其是生產(chǎn)裝置中輸送易燃易爆流體介質(zhì)的場(chǎng)所。某石化公司裂解汽油加氫裝置在設(shè)計(jì)階段及泵選型過(guò)程中，充分考慮到介質(zhì)內(nèi)含有苯、汽油等有毒有害物質(zhì)，采用無(wú)泄漏泵可以很大程度上避免此類物質(zhì)泄漏造成的影響，因此主流程泵全部選用由大連梯克公司生產(chǎn)的屏蔽泵，其中一反循環(huán)液泵由于操作溫度、壓力較高（101 ℃，5.5 MPa）選用的是高溫外循環(huán)型屏蔽泵，此泵在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生多次損壞情況，本文對(duì)出現(xiàn)的故障進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出合理的改進(jìn)措施和維護(hù)要求，有效地保障了屏蔽泵的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，提高了生產(chǎn)效率。

1 高溫屏蔽泵的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

與普通屏蔽泵相比，高溫屏蔽泵最大特點(diǎn)為高溫屏蔽泵設(shè)立了獨(dú)立的循環(huán)冷卻系統(tǒng)，利用此系統(tǒng)內(nèi)的冷卻器保障電動(dòng)機(jī)與滑動(dòng)軸承在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量能及時(shí)被公用工程系統(tǒng)提供的冷卻水吸收、帶走并通過(guò)涼水塔將熱量散發(fā)出去。根據(jù)運(yùn)行時(shí)溫度的高低不同，泵本體分成兩大部分，即高溫部分與低溫部分。如圖1所示，泵體與電動(dòng)機(jī)定子通過(guò)中間體連接，葉輪與泵體組成“高溫腔”，副葉輪、熱交換器與電動(dòng)機(jī)組成“低溫腔”，高低溫兩腔的溫度不同，流通的介質(zhì)相同。“高溫腔”靠主葉輪將工作介質(zhì)從泵的入口經(jīng)葉輪輸送到泵的出口;“低溫腔”靠副葉輪進(jìn)行循環(huán)[1]。

圖1 泵循環(huán)冷卻系統(tǒng)剖面圖

2 加氫裝置高溫屏蔽泵的故障分析

2.1 泵的故障表現(xiàn)

車間技術(shù)人員在生產(chǎn)裝置日常巡檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)反應(yīng)循環(huán)液A泵后側(cè)壓蓋處有汽油呈小股噴出，現(xiàn)場(chǎng)有毒氣報(bào)警器報(bào)警，機(jī)泵振值較高且有異響，隨機(jī)通知操作人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處置，組織操作人員進(jìn)行機(jī)泵切換，并對(duì)A泵進(jìn)行倒空、氮?dú)庵脫Q等操作，隨后交由動(dòng)設(shè)備檢維修人員進(jìn)行解體檢修，同時(shí)聯(lián)系電氣專業(yè)人員對(duì)該泵電動(dòng)機(jī)線圈進(jìn)行絕緣測(cè)試，發(fā)現(xiàn)對(duì)地阻值為零，結(jié)果為測(cè)試未通過(guò)，說(shuō)明電動(dòng)機(jī)線圈已損壞，根據(jù)屏蔽泵結(jié)構(gòu)可以初步判斷泵輸送的介質(zhì)已經(jīng)進(jìn)入到線圈內(nèi)，致使線圈損壞，而介質(zhì)一旦進(jìn)入到線圈就說(shuō)明用于封閉介質(zhì)的定子屏蔽套已經(jīng)出現(xiàn)泄漏。

經(jīng)解體發(fā)現(xiàn)以下情況：泵定子線圈接線端子處存有介質(zhì)，絕緣層橡膠失效金屬線裸露在外，如圖2所示；轉(zhuǎn)子兩側(cè)碳化硅軸承、金屬軸套磨損嚴(yán)重，碳化硅軸承碎裂，推力盤推力片（非金屬）斷裂,如圖3所示。定子屏蔽套存在磨損裂紋，非驅(qū)動(dòng)側(cè)磨損嚴(yán)重，與之對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子屏蔽套同樣存在嚴(yán)重磨損痕跡，葉輪及副葉輪無(wú)明顯磨損，如圖4所示?；瑒?dòng)軸承組件中的支撐軸承發(fā)生碎裂，如圖5所示。在副葉輪入口及前蓋板表面有大面積坑點(diǎn)狀情況,初步認(rèn)為存在汽蝕現(xiàn)象，如圖6所示。

圖2 絕緣層橡膠失效金屬線裸露在外

圖3 滑動(dòng)軸承組件（推力盤）斷裂

圖4 定子屏蔽套產(chǎn)生裂紋

圖5 滑動(dòng)軸承組件（支撐軸承）碎裂

2.2 屏蔽泵故障原因分析

由圖6可以看出，副葉輪入口及前蓋板存在輕微汽蝕，證明此處介質(zhì)存在極其微量汽化的可能性，由于根據(jù)泵的結(jié)構(gòu)原理可以得出此處壓力高于泵入口壓力，按照飽和蒸氣壓定義可以推斷出，此處理論上沒(méi)有存在介質(zhì)汽化的可能，那么此處氣體有可能為經(jīng)過(guò)一段反應(yīng)器加氫后介質(zhì)內(nèi)存在過(guò)量的氫氣，這部分氫氣隨著壓力及溫度的變化緩慢析出。析出的氫氣進(jìn)入低溫腔，由于低溫腔介質(zhì)獨(dú)立循環(huán)，氫氣會(huì)隨著介質(zhì)在腔內(nèi)循環(huán)并不斷累積，無(wú)法排出，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致軸承潤(rùn)滑不良造成軸承損壞。下面對(duì)屏蔽泵發(fā)生故障的原因進(jìn)行具體分析。

圖6 副葉輪前蓋板表面有氣蝕

2.2.1 排除泵缺少介質(zhì)引起的故障

在生產(chǎn)過(guò)程中，工藝操作方面對(duì)高溫屏蔽泵運(yùn)轉(zhuǎn)影響的最大因素是缺少相應(yīng)的潤(rùn)滑介質(zhì)，而潤(rùn)滑介質(zhì)就是泵所輸送的介質(zhì)，泵用輸送的介質(zhì)對(duì)電動(dòng)機(jī)和軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的高溫進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑，一旦出現(xiàn)缺液現(xiàn)象，將直接造成軸承的溫度過(guò)高和過(guò)度磨損，甚至造成屏蔽套的泄漏[2]。而造成缺液現(xiàn)象的原因主要有以下兩種：

1）機(jī)泵入口過(guò)濾器發(fā)生堵塞或者供料不足。而這種情況從工藝流程上可以直接否定，因?yàn)樵谘b置正常運(yùn)行時(shí)泵入口緩沖罐為滿液位操作，而且在泵損壞后清理入口過(guò)濾網(wǎng)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部無(wú)任何雜質(zhì)。

2）泵體內(nèi)介質(zhì)存在汽化現(xiàn)象。在裝置設(shè)計(jì)之初設(shè)計(jì)人員就根據(jù)介質(zhì)的性質(zhì)、工況等考慮選擇哪種構(gòu)造的泵，避免介質(zhì)在泵體內(nèi)汽化是所要考慮的主要情況，并且不論是從介質(zhì)溫度還是壓力都未達(dá)到額定參數(shù)，加之泵出口流量一直非常穩(wěn)定。因此，在正常情況下，介質(zhì)不會(huì)在泵體內(nèi)汽化[3]。

2.2.2 低溫腔循環(huán)流程通暢

如圖1所示，低溫腔內(nèi)介質(zhì)經(jīng)副葉輪增壓后分別經(jīng)過(guò)前滑動(dòng)軸承組件、轉(zhuǎn)子定子屏蔽套之間、后滑動(dòng)軸承組件，然后經(jīng)過(guò)自身冷卻器與循環(huán)水換熱冷卻后進(jìn)入泵內(nèi)參與循環(huán)。循環(huán)過(guò)程中介質(zhì)作為泵體電動(dòng)機(jī)的冷卻和滑動(dòng)軸承自身潤(rùn)滑使用。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)冷卻器出入口及泵外側(cè)相關(guān)各管線進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)堵塞節(jié)流現(xiàn)象，所有管路通暢（另外泵體軸承部位測(cè)溫點(diǎn)均為50 ℃左右），可排除內(nèi)外循環(huán)管路堵塞造成的潤(rùn)滑不良的情況。

2.2.3 介質(zhì)溶解度的變化引起氣體的積聚

該泵輸送的介質(zhì)——反循環(huán)油主要由加氫汽油及加氫反應(yīng)過(guò)剩氫氣組成，在壓力與溫度一定的情況下介質(zhì)形態(tài)為液態(tài)，與其它液體介質(zhì)類似，一旦溫度或壓力發(fā)生改變，氣體在介質(zhì)內(nèi)的溶解度隨即發(fā)生改變，如圖7所示，氣體的溶解度隨著溫度是升高而減少，隨著壓力的升高而增加。

圖7 氣體在液體內(nèi)溶解度曲線示意圖

結(jié)合此高溫屏蔽泵的結(jié)構(gòu)可知，介質(zhì)由高溫腔流向低溫腔時(shí)需要經(jīng)過(guò)連接體內(nèi)的流道，而兩腔之間的流道為圓形的限流孔，通過(guò)限流孔進(jìn)入副葉輪前的介質(zhì)會(huì)在瞬間發(fā)生壓力降低的情況，介質(zhì)經(jīng)副葉輪后進(jìn)入到滑動(dòng)軸承組件及定子、轉(zhuǎn)子屏蔽套之間的間隙進(jìn)行潤(rùn)滑與降溫，使得介質(zhì)的溫度進(jìn)一步升高。經(jīng)過(guò)上述過(guò)程后介質(zhì)內(nèi)的氣體將有少量的析出并與介質(zhì)一同在低溫腔內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，長(zhǎng)周期運(yùn)行后低溫腔內(nèi)的氣體會(huì)逐漸累積。而累積的氣體將隨著介質(zhì)在低溫腔內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，這樣在流經(jīng)軸承間隙時(shí)就會(huì)使軸承部分位置產(chǎn)生缺液的情況，軸承也就會(huì)產(chǎn)生部分磨損，隨著時(shí)間的推移，軸承的磨損程度將隨之加大，由損壞程度可以看出非驅(qū)動(dòng)端軸承磨損較為嚴(yán)重，而非驅(qū)動(dòng)端軸承損壞后將破壞泵原有的軸向力平衡，造成向前的軸向力增大，潤(rùn)滑的液膜會(huì)被破壞，導(dǎo)致前軸承推力盤磨斷，當(dāng)磨損進(jìn)一步加劇，磨損產(chǎn)生的顆粒物進(jìn)入到屏蔽套間隙內(nèi)，造成屏蔽套損壞，阻礙了潤(rùn)滑介質(zhì)的流通通道，致使徑向軸承與軸套磨損加劇，一旦發(fā)生軸承磨損，如果沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)和采取防磨損措施，將會(huì)造成機(jī)泵很快損壞[4]。

3 改進(jìn)措施

3.1 增加氣體排放線，防止氣體聚集

此次泵損壞主要原因?yàn)檩斔徒橘|(zhì)內(nèi)有氣體析出，而從工藝方面無(wú)法進(jìn)行改進(jìn)，唯有將介質(zhì)內(nèi)析出的氣體及時(shí)排出，防止析出的氣體大量集聚，進(jìn)而降低軸承缺液的概率才能保障泵的長(zhǎng)周期運(yùn)行，由于從目前分析可以得出介質(zhì)內(nèi)氣體的析出量比較少，在低溫腔內(nèi)積聚成大量氣體的時(shí)間也會(huì)需要很長(zhǎng)，因此定期進(jìn)行人工排氣也是保證泵長(zhǎng)周期運(yùn)行的手段之一，目前現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)在低溫腔的冷卻器高點(diǎn)排放處配置了一條固定排放管線，規(guī)定操作人員每3個(gè)月進(jìn)行一次排氣操作，這樣可以最大程度上防止氣體的聚集，同時(shí)為防止在排氣過(guò)程中對(duì)泵運(yùn)行時(shí)的軸向力產(chǎn)生影響，故在管路上增加限流孔板以控制排放過(guò)程中的流量。

3.2 增加軸向力在線監(jiān)測(cè)器

本次故障未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)的原因之一就在于沒(méi)有足夠有效的手段來(lái)提前預(yù)判軸承的磨損程度，泵體振速及溫度都無(wú)法直觀反映出泵在故障發(fā)生前的狀態(tài)，因此在泵內(nèi)部增加可以檢測(cè)軸向力的監(jiān)測(cè)器，如安裝機(jī)械式的軸承檢測(cè)器，該檢測(cè)器由感知危險(xiǎn)的測(cè)量表頭和封入壓力的探頭構(gòu)成，在泵運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，軸承發(fā)生異常磨損或轉(zhuǎn)子、定子屏蔽套發(fā)生腐蝕時(shí)探頭部分破損，封入的氣體放出，表頭的壓力下降，指針指向顯示危險(xiǎn)的紅色指示帶。這樣就可以直觀地發(fā)現(xiàn)泵內(nèi)部軸承存在的問(wèn)題。

3.3 合理優(yōu)化此類型泵的日常操作

根據(jù)該屏蔽泵的運(yùn)行特點(diǎn)及故障特點(diǎn)需注意以下幾點(diǎn)：一是嚴(yán)禁灌泵不合格啟泵，并使泵體溫度和輸送介質(zhì)溫度接近，高溫泵灌泵需要一段時(shí)間，開車前需點(diǎn)動(dòng)排氣，保證灌泵充分；二是嚴(yán)禁輸送介質(zhì)溫度超過(guò)允許的最高工作溫度值，泵體溫度超標(biāo)時(shí)，應(yīng)停車檢查，要充分考慮液體的氣化程度大小，否則作為冷卻循環(huán)的那部分液體一旦氣化，會(huì)形成氣堵，導(dǎo)致冷卻效果變差而損壞軸承及其它部件[5]。

3.4 屏蔽泵在使用過(guò)程中日常維護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)要求

在生產(chǎn)過(guò)程中，要加強(qiáng)屏蔽泵的日常維護(hù)，按照設(shè)備維護(hù)手冊(cè)進(jìn)行日常維護(hù)：1）在設(shè)備日常維護(hù)中要做到屏蔽泵設(shè)備標(biāo)牌清晰，屏蔽泵泵體表面沒(méi)有雜物、灰塵、油垢等，保持屏蔽泵周圍環(huán)境清潔干凈。2）要仔細(xì)查看屏蔽泵上面TRG表的指示值，確定其是否在工作允許范圍內(nèi)。3）在日常巡檢過(guò)程中要檢查屏蔽泵有無(wú)異常振動(dòng)情況，有無(wú)異常聲音，發(fā)現(xiàn)異常振動(dòng)問(wèn)題要立即上報(bào)設(shè)備管理部門。4）在巡檢過(guò)程中，要按時(shí)檢查流量、壓力和各部位的溫度是否正常，有無(wú)異常指示和劇烈波動(dòng)，并將各參數(shù)值做好檢查記錄，做好日常數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。5）檢查屏蔽泵冷卻系統(tǒng)管路和液體循環(huán)管路，確定管路是否暢通，有無(wú)管路堵塞問(wèn)題，確定其是否達(dá)到設(shè)計(jì)的使用要求。循環(huán)管對(duì)電動(dòng)機(jī)冷卻有著非常重要的作用，并輸送液體對(duì)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑與冷卻。6）要經(jīng)常檢查各緊固部位的螺栓，確定其是否有松動(dòng)現(xiàn)象，及時(shí)進(jìn)行緊固加固，避免螺栓松動(dòng)后產(chǎn)生振動(dòng)故障問(wèn)題。7）巡檢中要注意檢查屏蔽泵各個(gè)密封部位有無(wú)存在“跑、冒、滴、漏”的泄漏情況。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)裂解汽油加氫裝置中高溫屏蔽泵損壞故障的分析，綜合生產(chǎn)裝置影響因素，找到了高溫屏蔽泵發(fā)片故障的具體原因，最終提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施和維護(hù)要求。通過(guò)采取合理優(yōu)化高溫屏蔽泵的日常操作和改進(jìn)措施，降低了高溫屏蔽泵生產(chǎn)運(yùn)行的故障率，提高了高溫屏蔽泵的生產(chǎn)效率，保證了生產(chǎn)過(guò)程中高溫屏蔽泵維持長(zhǎng)周期運(yùn)行狀態(tài)，減少了檢維修費(fèi)用和降低生產(chǎn)成本，確保加氫裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行[6]。