屏蔽泵故障分析及處理

楊雨春

揚(yáng)州石化有限責(zé)任公司，中國·江蘇 金湖 211600

屏蔽泵因電機(jī)-泵一體化的密封結(jié)構(gòu)，具有安全無泄漏的特點(diǎn)，適合輸送易燃易爆和有毒等介質(zhì)，但其密封結(jié)構(gòu)也給故障分析及排除帶來了一定的難度。論文以揚(yáng)州石化烯烴分廠脫乙烷塔回流泵為例，對(duì)其故障原因及維修經(jīng)過進(jìn)行詳細(xì)分析，并針對(duì)屏蔽泵故障診斷和排除方法提出合理化建議，以提高屏蔽泵運(yùn)行穩(wěn)定性和使用壽命。

故障分析；維修；脫乙烷塔；屏蔽泵

1 引言

屏蔽泵因電機(jī)-泵一體化的密封結(jié)構(gòu)，全部采用靜密封，因此具有安全無泄漏的特點(diǎn)。此外，屏蔽泵適合輸送易燃、易爆、易揮發(fā)和有毒等介質(zhì)[1]，在揚(yáng)州石化烯烴分廠的氣分裝置和MTBE 裝置中應(yīng)用較為廣泛。其中，氣分裝置中脫乙烷塔回流泵P6004A 屬于標(biāo)準(zhǔn)型多級(jí)立式屏蔽泵，由大連海密梯克泵業(yè)有限公司于2011年5月制造，于當(dāng)年8月安裝并投入使用。近期由于該設(shè)備老化引起振動(dòng)上升等一系列問題，并且該泵在本廠屏蔽泵的應(yīng)用中具有代表性，因此從保障設(shè)備長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的角度，對(duì)該設(shè)備故障原因分析和故障消除研究很有必要。

2 設(shè)備運(yùn)行概況

P6004A 的主要參數(shù)如表1～表3 所示。

表1 P6004A 的離心泵參數(shù)

表2 P6004A 的電機(jī)參數(shù)

表3 P6004A 的工藝參數(shù)

P6004A 使用材質(zhì)為碳化硅的滑動(dòng)軸承，其壽命通?？蛇_(dá)3 年以上，正常運(yùn)行時(shí)振動(dòng)一般為1.5mm/s 左右。2016 年和2017 年該泵均有返廠檢修以消除振動(dòng)。2022 年10 月13 日，P6004A 由于振動(dòng)突增并居于高位，最高振動(dòng)值達(dá)到4.2mm/s（標(biāo)準(zhǔn)上限值為4.5mm/s），如圖1 所示。為保障屏蔽泵長(zhǎng)周期運(yùn)行，決定停泵檢修，外送至大連金石泵業(yè)有限公司維修。

圖1 P6004A 振動(dòng)值（2022.10.10—2022.11.22）

3 前期故障描述及分析處理

2022 年11 月25 日，P6004A 外送廠家解體檢查。解體發(fā)現(xiàn)問題及原因分析如下：

①葉輪全部“膩死”在泵軸上面，造成拆解難度大。說明P6004A 的葉輪存在較為嚴(yán)重的銹蝕，結(jié)垢現(xiàn)象嚴(yán)重。結(jié)垢不均勻往往會(huì)導(dǎo)致葉輪動(dòng)不平衡加劇，是導(dǎo)致泵體振動(dòng)增大的原因之一。P6004A 葉輪材質(zhì)為碳鋼，與之對(duì)應(yīng)的P6004B 的葉輪在2020 年8 月設(shè)備更新后，材質(zhì)由碳鋼升級(jí)為304 不銹鋼，在抗銹蝕方面取得更加良好的效果。由于該泵運(yùn)行的工藝環(huán)境較為復(fù)雜，原料液化氣經(jīng)上游脫硫醇裝置處理后如果不能將雜質(zhì)脫除干凈，如S-和OH-等具有腐蝕性的離子，從而對(duì)下游設(shè)備產(chǎn)生一定的腐蝕。葉輪銹蝕還可能由于泵在使用過程中曾經(jīng)發(fā)生過氣蝕，如灌泵不徹底、長(zhǎng)時(shí)間小流量運(yùn)行均會(huì)造成葉輪氣蝕。葉輪的氣蝕使得葉輪表面受損，會(huì)導(dǎo)致泵流量變少、揚(yáng)程降低、效率下降[2]。

②首級(jí)葉輪口環(huán)部位有明顯的缺肉現(xiàn)象（如圖2 所示）。說明除了葉輪腐蝕現(xiàn)象外，在首級(jí)葉輪入口還存在固體顆粒沖蝕現(xiàn)象。由于介質(zhì)流速很高，泵內(nèi)銹蝕顆粒掉落并被吸入葉輪內(nèi)部，與葉輪口環(huán)摩擦沖擊形成缺口。盡管泵入口的過濾網(wǎng)能有效阻擋來自上游的機(jī)械雜質(zhì)，卻無法有效阻止泵內(nèi)部機(jī)械雜質(zhì)形成的沖蝕。2023 年1 月28 日對(duì)P6004A 入口過濾網(wǎng)進(jìn)行拆檢，表面基本干凈無雜質(zhì)，可以基本排除來自上游裝置固體雜質(zhì)造成葉輪口環(huán)沖蝕的因素。

圖2 P6004A 首級(jí)葉輪

③前后滑動(dòng)軸承都有磨損，滑動(dòng)軸承套和軸套粘連在一起（如圖3 所示）。從圖中得知，滑動(dòng)軸承套表面存在較多且較深的劃痕，推測(cè)在泵運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，固體顆粒隨工作介質(zhì)進(jìn)入屏蔽泵，引起軸承套表面擦傷和產(chǎn)生條痕，嚴(yán)重者出現(xiàn)溝槽，最終導(dǎo)致軸承使用壽命縮短和失效。從泵群狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場(chǎng)巡檢測(cè)得的數(shù)據(jù)得出，P6004A 維修前的軸承溫度并無超高現(xiàn)象（不超過40℃），加上大連海密梯克制作的碳化硅滑動(dòng)軸承用軸套采用特殊的配合面（如圖4 所示），具有良好的熱變形及補(bǔ)償內(nèi)外膨脹量差異性能，不會(huì)對(duì)其外側(cè)的碳化硅軸承套產(chǎn)生巨大張力[3]。因此，排除超溫軸承燒傷的因素，滑動(dòng)軸承和軸套粘連仍與機(jī)械雜質(zhì)有很大關(guān)系。

圖3 P6004A 滑動(dòng)軸承套和軸套

圖4 P6004A 軸套示意圖

④轉(zhuǎn)子屏蔽套有明顯的劃痕，有局部地方比較深（如圖5 所示），軸葉輪端跳動(dòng)0.1mm。由圖5 可以看出，轉(zhuǎn)子屏蔽套表面的劃痕呈規(guī)則的環(huán)形，可排除氣蝕和機(jī)械雜質(zhì)沖蝕的因素（汽蝕或沖蝕會(huì)形成洞穴狀腐蝕破壞的坑點(diǎn)）。這主要是由于滑動(dòng)軸承磨損到一定程度后，轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中屏蔽套和電機(jī)定子屏蔽套之間發(fā)生了摩擦導(dǎo)致的。滑動(dòng)軸承磨損得越厲害，這種摩擦就會(huì)越加劇。軸跳動(dòng)量大于標(biāo)準(zhǔn)值0.05mm，說明軸存在彎曲現(xiàn)象，多由轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡引起，是對(duì)泵體振動(dòng)影響較大的因素之一，需對(duì)軸進(jìn)行校正處理。

圖5 P6004A 轉(zhuǎn)子屏蔽套

⑤后軸承體環(huán)和平衡盤環(huán)均受到磨損，平衡盤銹蝕（如圖6 所示）。后軸承體環(huán)和平衡盤環(huán)都屬于易損件，能夠一定程度保護(hù)軸承和平衡盤使其不被磨損，需及時(shí)進(jìn)行更換。圖中平衡盤表面銹蝕嚴(yán)重，其原因與葉輪相似，不再贅述。

圖6 P6004A 平衡盤

針對(duì)上述故障及問題，大連金石采用焊起拔螺母用拉馬拆解的方式進(jìn)行拆解，并進(jìn)行如下處理：

①更換首級(jí)葉輪，并修復(fù)其余葉輪；

②更換前后滑動(dòng)軸承，滑動(dòng)軸承套及推力盤；

③校正轉(zhuǎn)子組件，更換轉(zhuǎn)子屏蔽套；

④更換后軸承體環(huán)和平衡盤環(huán)；

⑤更換泵用密封墊一套；

⑥轉(zhuǎn)子組件動(dòng)平衡試驗(yàn)、整機(jī)性能及運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)；

⑦拆泵清洗、組裝、氣密檢驗(yàn)。

由于轉(zhuǎn)子屏蔽套和定子屏蔽套摩擦均受到一定程度損傷，而大連金石前期僅更換了轉(zhuǎn)子屏蔽套，導(dǎo)致最后打壓試水時(shí)電機(jī)定子屏蔽套破損進(jìn)水。

4 后期故障描述及分析處理

2023 年1 月5 日返廠后安裝并于1 月9 日進(jìn)行初試，但由于電氣綜合保護(hù)器故障未能正常投用。電氣工程師處理之后，于1 月10 日投入運(yùn)行后，初始振動(dòng)值1.5mm/s 左右。在1 月15 日P6004A 電流從20A 的正常電流突然迅速上漲，直至超電流自停。1 月16 日10 時(shí)許重啟該泵后振動(dòng)值緩慢上漲至最高3.0mm/s。1 月20 日、1 月26 日和1 月30 日P6004A 均出現(xiàn)超電流現(xiàn)象，與15 日情況類似。其中，1 月20 日的電流趨勢(shì)如圖7 所示。1 月28 日鉗工進(jìn)行盤車和進(jìn)出口管線拆檢，未能確定故障原因。

圖7 P6004A 電流趨勢(shì)（2023.1.20）

故障原因分析：通過分析電流數(shù)據(jù)判斷，P6004A 電流突升至超電流仍然是電氣方面原因。泵在停機(jī)后，電流指示在短期內(nèi)仍然有數(shù)據(jù)（0～5A 之間波動(dòng)），在1 月30 日的電流趨勢(shì)中尤為明顯（如圖8 所示）。

圖8 P6004A 電流趨勢(shì)（2023.1.30）

后經(jīng)電氣工程師檢查發(fā)現(xiàn)，P6004A 運(yùn)行時(shí)會(huì)間歇性地電流缺相，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)是由于綜合保護(hù)器老化發(fā)生故障，受熱到一定程度便會(huì)發(fā)生電流短路，以至于P6004A 每運(yùn)行一段時(shí)間便會(huì)電流迅速上升從而觸發(fā)保護(hù)開關(guān)。后期經(jīng)電工更換新綜合保護(hù)器后，P6004A 運(yùn)行正常，但運(yùn)行一段時(shí)間后振動(dòng)便會(huì)達(dá)到3mm/s 以上（如圖9 所示）。推測(cè)由于之前的幾次超電流事件，導(dǎo)致屏蔽泵較長(zhǎng)時(shí)間低轉(zhuǎn)速小流量運(yùn)行，軸承因潤(rùn)滑不足而受到損傷。3 月5 日，P6004A 振動(dòng)值達(dá)到3.5mm/s，切換至備用泵。

圖9 P6004A 振動(dòng)值（2023.2.24—2023.3.5）

5 結(jié)語

通過對(duì)揚(yáng)州石化烯烴分廠脫乙烷塔回流泵的故障原因分析，對(duì)將來更快更準(zhǔn)地判斷和排除屏蔽泵故障具有重要意義，可采取有針對(duì)性的措施提高屏蔽泵運(yùn)行穩(wěn)定性和使用壽命。為此，論文提出如下見解和建議：

①優(yōu)化設(shè)計(jì)選型，提升泵內(nèi)零部件材質(zhì)，以提高其抗腐蝕性能和使用壽命。屏蔽泵的種類較多，應(yīng)根據(jù)介質(zhì)特點(diǎn)選用合適的屏蔽泵類型。逆循環(huán)型屏蔽泵因其自身介質(zhì)流向的特點(diǎn)，適用于輸送易揮發(fā)液體，且抗氣蝕能力較普通型要強(qiáng)[4]，因此可作為重新選型的一個(gè)參考。此外，葉輪、平衡盤等易腐蝕部件宜選用高強(qiáng)度、高硬度和高韌性的不銹鋼材質(zhì)，葉輪的形狀設(shè)計(jì)宜采用“馬刀形”以減少流體阻力損失。

②通過故障現(xiàn)象及特征正確判斷出故障類型，對(duì)于后期的故障診斷及排除尤為重要。根據(jù)故障排查的難易程度，確定排查優(yōu)先級(jí)為：工藝＞電氣＞機(jī)械。對(duì)于屏蔽泵故障的機(jī)械原因，更多往磨損、腐蝕和潤(rùn)滑的角度去分析，并以此作為提高屏蔽泵運(yùn)行穩(wěn)定性和使用壽命的基點(diǎn)。而就如何提高泵體抗磨損和腐蝕能力，可以從升級(jí)材質(zhì)、增加表面處理工藝等角度進(jìn)行考慮。電氣原因，從電氣設(shè)備及線纜兩方面進(jìn)行排查；而工藝原因，則更多的是從上游裝置查找原因。

③對(duì)于重復(fù)出現(xiàn)相同故障現(xiàn)象時(shí)，一定要排查清楚故障原因，切忌頻繁啟停屏蔽泵，以防屏蔽泵損傷擴(kuò)大化。從之前分析的案例中可以推測(cè)，P6004A 二次維修后振動(dòng)值緩慢上漲跟1 月15 日—1 月30 日之間數(shù)次超電流事件有很大的關(guān)系。如果1 月9 日初試時(shí)就對(duì)綜合保護(hù)器故障引起重視并及時(shí)更換修復(fù)，就有很大概率避免頻繁低轉(zhuǎn)速小流量運(yùn)行而造成軸承損傷。電氣故障相對(duì)于機(jī)械故障而言具有較強(qiáng)的隱蔽性，因此在設(shè)備變更前均應(yīng)對(duì)電氣狀況做全面檢查，確保電氣設(shè)備及線路的完好性。