尿素裝置高壓甲胺泵的技術(shù)改造

席洪峰

(云南解化清潔能源開發(fā)有限公司 解化化工分公司，云南 開遠(yuǎn) 661600)

尿素裝置甲胺泵的主要作用是將甲胺液升壓(從 1.7 MPa 升壓至 20 MPa)后送入尿素合成塔。7V3甲胺泵是尿素裝置建廠時(shí)從廣州氮肥廠購入的二手設(shè)備，由英格索爾·蘭德公司(美國)制造，為立式往復(fù)泵。自投產(chǎn)以來，該泵運(yùn)行相對(duì)較為穩(wěn)定，處理量大，一直是尿素系統(tǒng)生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。因國外備件采購困難，自購入后，公司一直致力于備件的國產(chǎn)化。通過多年努力，液力端部分，除曲軸、機(jī)身外，備件已基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，但傳動(dòng)部分中液力變矩器、減速器一直為原裝進(jìn)口設(shè)備，并且因備件無法購買，相關(guān)技術(shù)資料不全，且液力變矩器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝配精度要求高等原因，兩設(shè)備一直未進(jìn)行拆卸檢修。此外，該泵出口設(shè)置有流體動(dòng)力型PDS排出緩沖器，用于降低由于柱塞式往復(fù)泵運(yùn)行產(chǎn)生超壓脈沖引起的振動(dòng)和噪聲。在運(yùn)行中，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)流量不穩(wěn)定，但因缺少相關(guān)資料，一直未能進(jìn)行徹底處理。2011年8月20日，甲胺泵減速器響聲異常、振動(dòng)大，工藝進(jìn)行緊急停車。在工藝處理過程中發(fā)現(xiàn)，該泵出口緩沖器介質(zhì)無法通過，經(jīng)多次嘗試，判斷為設(shè)備堵塞。隨后，經(jīng)檢修人員拆減速器側(cè)蓋發(fā)現(xiàn)，傳動(dòng)齒輪軸齒面斷裂、軸承內(nèi)圈損壞。因設(shè)備的特殊性給修復(fù)工作帶來較大困難，因此考慮對(duì)減速器及液力變矩器進(jìn)行改造，主要是實(shí)現(xiàn)減速器的國產(chǎn)化及取消液力變矩器。對(duì)于出口緩沖器，因資料不全，只能考慮解體檢查，并進(jìn)行修復(fù)使用。

1 設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)簡圖

主要設(shè)備的性能及技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 性能及技術(shù)參數(shù)

改造前傳動(dòng)簡圖見圖1。

圖1 改造前傳動(dòng)簡圖

2 改造方案

2.1 取消液力變矩器

液力變矩器[1]主要實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速以及恒轉(zhuǎn)矩輸出功能，它存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝配精度要求高、維護(hù)費(fèi)用高(主要是液壓油的損耗)等問題。加之為進(jìn)口設(shè)備，備件無法采購，一旦損壞將無法恢復(fù)，這些問題一直是甲胺泵的隱患?，F(xiàn)在通過電機(jī)變頻器可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速及恒轉(zhuǎn)矩輸出功能，所以完全可以取代液力變矩器，而且甲胺泵電機(jī)已經(jīng)更新為變頻電機(jī)，并配備了變頻器，故可以取消液力變矩器的使用，消除存在隱患。同時(shí)，取消液力變矩器可以減少占地面積，去除配套油冷器及附屬油路系統(tǒng)，改變現(xiàn)場環(huán)境。

2.2 減速器改造

因原減速器為進(jìn)口設(shè)備，而且資料不全，無相關(guān)圖紙及技術(shù)參數(shù)。若采取測繪加工齒輪軸的方式修復(fù)減速器，可能存在測繪誤差，從而導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定，造成更大的故障。如采取整體更新減速器的修復(fù)方案，在輸入與輸出中心距定位上可能存在一定誤差，并且非標(biāo)設(shè)備的加工價(jià)格也會(huì)較為昂貴，加工周期也會(huì)較長，給恢復(fù)工作帶來難度，在設(shè)備安裝的找平找正上也會(huì)帶來更多的麻煩。并且只更換減速器，液力變矩器的隱患將繼續(xù)存在，不利于日后設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。為此在取消液力變矩器的同時(shí)，決定實(shí)現(xiàn)減速器的國產(chǎn)化。

首先根據(jù)原減速器速比，選擇合適的國產(chǎn)減速器，經(jīng)過對(duì)比選擇硬齒面齒輪減速器ZLYS355-11.2，實(shí)際速比為11.098與原減速器 (11.653) 較為接近，此時(shí)泵速可達(dá) 133 r/min，流量為 25.2 m3/h。因速比降低，轉(zhuǎn)速加快，線速度升高，必須對(duì)軸功率進(jìn)行校核，驗(yàn)證是否能夠使用原電機(jī)及變頻器。

根據(jù)公式：

F=P·S

(1)

式中：F為工作機(jī)阻力，P為泵出口壓力，S為柱塞截面積。

根據(jù)公式

v=ω·r=2πn·r

(2)

式中：n為泵轉(zhuǎn)速，133 r/min，r為曲軸半徑，98.2 mm。

帶入公式2可得v=1.36 m/s。

(3)

式中：PW為工作機(jī)所需功率，F(xiàn)為工作機(jī)阻力，v為工作機(jī)的線速度，ηw為工作機(jī)效率。

查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》[2]表1-7可知，ηw=0.98，將計(jì)算各值帶入公式(3)可得PW=171.5 kW。

因 171.5 kW<200 kW，所以原電機(jī)能夠滿足功率需求，無需更換電機(jī)及變頻器[3]。而改造時(shí)利用原有底座對(duì)減速器及電機(jī)底座進(jìn)行重新制作安裝，無需進(jìn)行基礎(chǔ)的澆灌，可降低檢修費(fèi)用和加快改造進(jìn)度。

2.3 改造后傳動(dòng)簡圖

改造后傳動(dòng)系統(tǒng)見圖2。

圖2 改造后傳動(dòng)簡圖

2.4 出口緩沖器修復(fù)

2.4.1 機(jī)加工解體

由機(jī)械廠利用鏜床或刨床(具體需機(jī)械廠根據(jù)夾具與刀具情況確定)從設(shè)備兩半球焊縫處將其解體。如因位置限制無法全部去除時(shí)，必須先鏜或刨出兩道足夠長的切口，能夠辨別設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，確認(rèn)內(nèi)部無殘余介質(zhì)及雜物，并且無損于內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，方能采用等離子方式等進(jìn)行解體[4]。

2.4.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)確認(rèn)

經(jīng)機(jī)械廠進(jìn)行解體后，該設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯現(xiàn)出來，而在球體內(nèi)部發(fā)現(xiàn)有損壞單向閥閥芯一件，正好堵住出口組件入口管，導(dǎo)致該泵在工藝處理過程中介質(zhì)無法進(jìn)入出口管道[5]。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3。

1.出口法蘭；2.出口接管；3.出口組件；4.球體；5.入口組件；6.入口接管；7.入口法蘭。

介質(zhì)經(jīng)5(入口組件)進(jìn)入球體后形成旋流，此時(shí)在球體能形成緩沖，可消除往復(fù)泵的脈沖影響，從而降低管道振動(dòng)，介質(zhì)在經(jīng)3(出口組件)流出進(jìn)入管道。

2.4.3 設(shè)備恢復(fù)

1)焊接工藝評(píng)定

施焊前由修復(fù)單位編制焊接工藝評(píng)定，該評(píng)定應(yīng)當(dāng)符合JB4708《鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定》的要求。

2)焊接方式選擇及焊絲

焊接采用手工氬弧焊。該設(shè)備材質(zhì)為 316 L(尿素級(jí)不銹鋼)，根據(jù)焊接標(biāo)準(zhǔn)，選擇H00Cr19Ni14Mo3焊絲，焊絲直徑 4.0 mm。

3)無損檢測

所有焊縫必須進(jìn)行無損檢測，檢測按照TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》及JB/T4730-2000相關(guān)要求進(jìn)行。球體采用多層多道焊接方式時(shí)，每層焊道厚度不得大于 3 mm，每層焊接完成進(jìn)行100%著色探傷。

4)焊后熱處理

焊接完成后進(jìn)行整體退火處理，以消除焊接應(yīng)力，退火溫度控制在680～720 ℃ 之間。

5)設(shè)備耐壓試壓

按照TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，耐壓試驗(yàn)的壓力應(yīng)當(dāng)符合設(shè)計(jì)圖樣要求，并且不小于公式(4)的計(jì)算值。

(4)

式中：PT為耐壓試驗(yàn)壓力，MPa；η為耐壓試驗(yàn)壓力系數(shù)，按照表2選用；p為壓力容器的設(shè)計(jì)壓力或者壓力容器銘牌上規(guī)定的最大允許工作壓力(對(duì)在用壓力容器為工作壓力)，MPa；[σ]為試驗(yàn)溫度下材料的許用應(yīng)力(或者設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度)，MPa；[σ]t為設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力(或者設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度)，MPa。

表2 耐壓試驗(yàn)的壓力系數(shù)η

壓力容器各元件(圓筒、封頭、接管、法蘭等)所用材料不同時(shí)，計(jì)算耐壓試驗(yàn)壓力應(yīng)當(dāng)取各元件材料[σ]/[σ]t比值中最小者。

查 316 L 在 20 ℃ 及 100 ℃ 時(shí)，許用應(yīng)力均為 115 MPa，最高工作壓力為 22 MPa，故PT耐壓試壓壓力應(yīng)為 27.5 MPa，試壓要求應(yīng)當(dāng)符合《容規(guī)》的相關(guān)規(guī)定。

3 改造運(yùn)行情況

1)改造完成后試車運(yùn)行穩(wěn)定，完全滿足工藝需求。

2)改造后備件實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)化。