新型碳纖維復合材料在磷酸裝置化工泵上的應用

張云川，廖 鵬

（云南天安化工有限公司 磷肥制造中心，云南 安寧 650309）

云南天安化工有限公司（以下簡稱公司）磷酸裝置物料（原料，磷礦漿、w（H2SO4）98%濃硫酸；產(chǎn)品，w（P2O5）28%稀磷酸、w（P2O5）47%濃磷酸、氟硅酸、w（H2SO4）8%稀硫酸等）均為液態(tài)介質，采用各類型化工泵進行輸送，機泵正常有效運行對整個磷酸生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)狀況有較大影響。因此，公司對化工泵的日常維護和檢修十分重視，更將萃取軸流泵、渣漿輸送泵、料漿輸送泵等關鍵設備的長周期運行作為攻關課題進行研究，以期取得更大的經(jīng)濟效益。

基于磷酸生產(chǎn)裝置化工物料易腐蝕、易磨蝕、易結垢的特性，現(xiàn)用機泵基本選用CD4MCu、Cr30、UHMWPE 等材質?，F(xiàn)隨著磷礦品質下降，只能在物料中添加各類化工輔劑以保證磷酸產(chǎn)品質量，但也造成機泵過流部件腐蝕、磨蝕加劇，運行時間短，機泵故障率增加的情況。為此，亟須尋求適應性更好的化工泵材料，以滿足生產(chǎn)使用要求。

1 新型碳纖維復合材料泵的應用

通過廣泛的市場調研，與各化工泵制造廠家進行技術交流探討，對比各生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)技術、生產(chǎn)情況及產(chǎn)品在磷酸行業(yè)的使用業(yè)績，結合公司實際情況，最終選定成都永益泵業(yè)股份有限公司研發(fā)的新型碳纖維復合材料泵作為試用突破點。該公司研發(fā)的新型碳纖維復合材料泵與介質接觸部分全部為非金屬材料，但仍采用與金屬泵一樣的高效扭曲葉片，效率高出直葉片的工程塑料泵7%以上，其結構如圖1所示。

圖1 新型碳纖維復合材料泵結構

1.1 新型碳纖維復合材料的性能

新型碳纖維復合材料采用美國ENECON 技術，將耐腐化覆、耐磨金覆與碳纖維組合在一起，具有以下特性：（1）較高的耐腐蝕性。與介質接觸的部件完全沒有金屬材料，杜絕了金屬離子污染，同時還“免疫”99%的酸堿介質腐蝕，耐受鹽酸、氟硅酸、氫氟酸、硝酸、磷酸、稀硫酸等腐蝕介質。（2）較高的抗磨蝕性。耐磨硬質相體積比≥70%，莫氏硬度為9.5，具有比高鉻耐磨合金更優(yōu)良的耐磨性能。（3） 耐高溫性。一般情況下能耐受160 ℃，介質為w（H2SO4）55%硫酸或w（H3PO4）85%磷酸時能耐受120 ℃，且耐受溫度范圍內不會軟化，解決了非金屬材料隨溫度升高軟化導致的密封泄漏和過流件腐蝕問題。

新型碳纖維復合材料的適用介質及條件見表1。

表1 新型碳纖維復合材料適用介質及條件

從表1可以看出，新型碳纖維復合材料可以適用于公司磷酸裝置磷酸、硫酸等介質。選取在磷酸料漿輸送和稀硫酸輸送兩個工況進行試用。

1.2 新型碳纖維復合材料泵的應用

1.2.1 磷酸料漿輸送泵的應用

1） 原磷酸料漿輸送泵技術參數(shù)

一期30萬t/a磷酸裝置P0105A磷酸料漿輸送泵原設備型號LC200/410，qV=300 m3/h，H=27 m，轉速990 r/min，功率75 kW，過流部件材質為Cr30。介質為含磷酸料漿，溫度80 ℃，w（固）50%，相對密度1.55?，F(xiàn)場配置：垂直高度差6～8 m，輸送管線長度25 m，管徑DN200，彎頭數(shù)量4個。

2） 新型碳纖維復合材料泵的選型

所需揚程：H=Hf+Hi+Z［1］。其中，高度差Z=8.0 m；沿程損失，損失系數(shù)f=0.02，管長L=（25+4×6.4）m=50.6 m（DN200彎頭當量管長為6.4 m），流速u=3.1 m/s（按qV=350 m3/h，管徑d=0.2 m 計算），沿程損失Hf=2.5 m。由于管路無突然管徑大小變化，管路短，法蘭密封少，局部損失很小，可忽略不計。所需揚程H=（8.0+2.5）m=10.5 m?？紤]一定的出口管壓及富余量，取最終揚程H=15.0 m。

泵型號及參數(shù)：流量qV=350 m3/h，揚程H=15.0 m，轉速980 r/min，過流部件材質為新型碳纖維復合材料，雙端面機械密封，沖洗方式為PLAN54；所選泵型為200DCS-350，配套電機利舊，型號為6P-75 kW。

3） 試用情況

原泵葉輪、泵體、泵蓋等過流部件使用壽命為3 個月，機封僅能使用1 個月。2022 年9 月裝置大修時將泵更新為新型碳纖維復合材料泵，運行至2023年4月未進行過檢修，5 月對泵進行常規(guī)檢查時發(fā)現(xiàn)，泵蓋完好，無明顯腐蝕、磨蝕現(xiàn)象。

1.2.2 稀硫酸輸送泵的應用

1） 原稀硫酸輸送泵技術參數(shù)

一期30萬t/a磷酸裝置P0131B稀硫酸輸送泵原設備型號LC125/405，qV=250 m3/h，H=25.5 m，轉速980 r/min，功率45 kW，過流部件材質為CD4MCu。介質為w（H2SO4）8%～10%的稀硫酸，溫度80 ℃，w（固）20%，相對密度1.3。

2） 新型碳纖維復合材料泵的選型

泵揚程和原泵一致，流量qV=250 m3/h，揚程H=25.5 m，所選泵型為125DCS-350，配套電機功率45 kW；轉速1 450 r/min，過流部件材質為新型碳纖維復合材料；雙端面機械密封，沖洗方式為PLAN54［2］。

3） 試用情況

原泵葉輪、泵體、泵蓋等過流部件使用壽命為2 個月，機封壽命1 個月。2022 年9 月裝置大修時將泵更新為新型碳纖維復合材料泵，2023年3月對泵進行拆檢時發(fā)現(xiàn)，葉輪完好，無明顯腐蝕、磨蝕現(xiàn)象。

1.3 新型碳纖維復合材料泵改造取得的成效

（1）備件費用：2臺泵原來每2～3個月需更換全套過流部件，每1 個月更換1 套機封，半年備件費用為87.62 萬元。2 臺泵更換為新型碳纖維復合材料泵，更新費用僅為31.20 萬元，試用半年未更換任何備件，目前不僅已收回了成本，而且節(jié)約備件費用56.42萬元。

（2）生產(chǎn)損耗：2021—2022年因磷酸料漿輸送泵故障導致系統(tǒng)非計劃停車8次，平均每次搶修時間2 h，按單套裝置過濾出酸130 m3/h計，因磷酸料漿輸送泵故障非計劃停車損失的磷酸產(chǎn)量約2 080 t，造成經(jīng)濟損失約43.6 萬元。而且在系統(tǒng)開停過程中，大量磷酸只能外排后再回收，造成的磷損失對生產(chǎn)影響較大。更新為新型碳纖維復合材料泵后半年未出現(xiàn)故障，減少經(jīng)濟損失約43.6萬元。

（3）人工消耗：改造前以2 臺泵半年共檢修5次計，每次檢修平均投入4名檢修工，平均每次檢修時間6 h。改造后，設備平穩(wěn)運行減少了頻繁的啟停操作及檢修，大大節(jié)約各方面的人力投入。

2 新型碳纖維復合材料泵的后續(xù)推廣

公司一/二期30萬t/a磷酸裝置磷石膏渣漿輸送泵備件使用壽命短、檢修頻率高。新型碳纖維復合材料泵在P0105A和P0131B兩個工位上試用已取得明顯效果，公司與成都永益泵業(yè)股份有限公司探討，針對磷石膏渣漿介質研發(fā)新型碳纖維復合材料泵。

2.1 現(xiàn)有磷石膏渣漿輸送泵及介質主要參數(shù)

設備型號300ZGB，設計流量1 400 m3/h，實際流量900 m3/h，揚程70 m，轉速980 r/min，電機功率450 kW，過流部件材質為A33。輸送管徑500 mm，輸送距離13 000 m，管道流速1.27 m/s，垂直高度105 m，體積流量1 450 m3/h，最大1 600 m3/h，采用兩級泵串聯(lián)，出口壓力1.85 MPa，葉輪直徑為?703 mm/?740 mm。磷石膏渣漿輸送泵介質參數(shù)見表2。

表2 磷石膏渣漿輸送泵介質參數(shù)

2.2 存在問題

（1）泵前護板、護套、葉輪等過流部件使用壽命短（1～3 個月），主要是因為隨著渣場渣壩逐漸升高，泵出口壓力也隨之升高，造成磨損加劇。

（2）因公司環(huán)保方面需要，機封使用渣場酸性回水作密封水，回水易結晶，導致機封彈簧失效，造成機封泄漏頻繁，平均使用壽命僅為10～25 d。

2.3 改造方案

（1）新型碳纖維復合材料泵型號為250ZJT-A73，電機功率450 kW，軸功率341.4 kW，揚程80 m，工作效率70%。

（2）渣漿輸送泵過流部件材質由A33改為新型碳纖維復合材料，正常使用壽命達到2年以上。

（3）新型碳纖維復合材料泵與在用渣漿泵安裝一致，輸送管道一致，整泵更換方便，費用較低。

（4）所用新型碳纖維復合材料備件內外表面粗糙度基本一致，過流面光潔，水力效率比金屬泵更高。

（5）機封采用防結晶自循環(huán)水設計，改善結晶狀況，延長使用壽命。自循環(huán)水只用于冷卻機封，不進入系統(tǒng)，單臺機封1 年的用水量小于5 m3，大大減少進入渣場的廢水量（按目前渣漿泵4 開4 備計算，機封1年的用水量為20 m3）。

3 結語

經(jīng)試用，新型碳纖維復合材料泵取得了很好的效果，不僅節(jié)約了備件消耗，節(jié)省了人力投入，而且實現(xiàn)了節(jié)能降耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本。新型碳纖維復合材料泵屬資源節(jié)約型和環(huán)境友好型項目，為全裝置正常穩(wěn)定生產(chǎn)創(chuàng)造了良好的條件，從長遠來看，具有很大的經(jīng)濟效益。