潘其文 賈赟強(qiáng) 謝秀蘭

（中國(guó)石油蘭州石化維達(dá)公司 蘭州）

一、簡(jiǎn)介

丁苯橡膠（SBR）是由1、3-丁二烯和苯乙烯在低溫下進(jìn)行自由基乳液無(wú)規(guī)共聚而制得的淺黃褐色彈性固體。在丁苯橡膠共聚反應(yīng)過(guò)程中，其中一部分沒(méi)有參加聚合反應(yīng)的丁二烯和苯乙烯混合單體，通過(guò)閃蒸將丁二烯分離出來(lái)，然后經(jīng)過(guò)冷卻回收進(jìn)入V408丁二烯受槽中，再由P403A/B泵將其輸送到原料崗位的單體丁二烯貯槽中。由于丁二烯為無(wú)色氣體，有芳香味，有毒，易燃燒，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇明火、高熱或與氧化劑接觸，易引起燃燒爆炸。接觸高熱時(shí)還會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)，放出大量熱量而引起容器破裂和爆炸事故。丁二烯氣體比空氣重，能在較低處擴(kuò)散到相當(dāng)遠(yuǎn)的地方，遇明火會(huì)引起回燃，因此為減少丁二烯的泄漏，裝置在設(shè)計(jì)和設(shè)備選型時(shí)，將丁二烯輸送泵選為立式逆向循環(huán)屏蔽泵。

二、屏蔽泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

P403A/B屏蔽泵由泵體、葉輪、誘導(dǎo)輪、前后端蓋、石墨軸承、軸套、推力盤(pán)、定子、轉(zhuǎn)子、屏蔽套等組成，大連帝國(guó)屏蔽電泵有限公司生產(chǎn)，型號(hào)RW42-416H4BM-0406U1B1-K，全揚(yáng)程80m，設(shè)計(jì)流量10m3/h，出口壓力0.727MPa，電機(jī)輸出功率11kW，額定電流24A，其轉(zhuǎn)子、定子屏蔽套都選用0.5mm厚SUS316L加工而成，定子與轉(zhuǎn)子間有效間隙為0.9mm。葉輪、泵體材料SCS13，泵軸材料SUS304，軸承采用石墨材料制成，軸套和推力盤(pán)選用SUS304+司太立合金（Stellite），泵主體設(shè)計(jì)壽命為20年，石墨軸承使用壽命一般可達(dá)15 000h。

三、逆向循環(huán)冷卻方式

P403A/B屏蔽泵為了電機(jī)和軸承進(jìn)行冷卻與潤(rùn)滑，丁二烯逆向循環(huán)冷卻液從葉輪排出口通過(guò)泵前端蓋的小孔進(jìn)入定子屏蔽套與轉(zhuǎn)子屏蔽套之間的間隙，然后經(jīng)過(guò)后端軸承與軸套之間的間隙，再?gòu)暮蠖松w進(jìn)入回流管線回到吸入罐中；另外通過(guò)前端蓋小孔的其中一小部分逆向循環(huán)冷卻液，由前端軸承與軸套的間隙通過(guò)前端蓋與葉輪的輪轂之間的間隙進(jìn)入葉輪的入口處。特別值得注意的一點(diǎn)是，逆循環(huán)管路一定要接向吸入液罐的汽相區(qū)。

四、故障與原因分析

1.故障情況

P403A/B屏蔽泵軸承、軸套、推力盤(pán)等易損件燒毀或爆裂損壞；葉輪發(fā)生嚴(yán)重的汽蝕和電化學(xué)腐蝕損壞；泵體汽蝕也比較嚴(yán)重。因故障頻發(fā)，生產(chǎn)極不穩(wěn)定，常使V408回收丁二烯槽液面升高處于反竄的危險(xiǎn)狀況，同時(shí)造成工藝前系統(tǒng)的生產(chǎn)波動(dòng)與減量。統(tǒng)計(jì)該泵2011年和2012年間的故障情況，軸承、軸套、推力盤(pán)損壞8次，轉(zhuǎn)子3次、定子2次、葉輪2次，目前泵體汽蝕嚴(yán)重（圖1）。

圖1 泵體汽蝕圖

2.原因分析

（1）逆向循環(huán)管路根據(jù)RW型屏蔽泵配置要求，將帶有汽化的逆向循環(huán)冷卻液返回到吸入罐的汽相區(qū)，然而P403A/B回收丁二烯輸送泵的逆向循環(huán)冷卻液卻返回到V408丁二烯受液槽中通過(guò)插底管直接進(jìn)入液相區(qū)（圖2中32），這是該類(lèi)屏蔽泵最致命的缺陷。因?yàn)?V408丁二烯槽去P403A/B泵的出口（圖2中1）距離逆向循環(huán)冷卻液插底管口只有3.24m，槽中液面高度0.89～1.39m，按平均液面1.14m高、丁二烯受槽的內(nèi)徑2m計(jì)算，實(shí)際槽內(nèi)有效液體量?jī)H為6m3，那么，以泵每7m3/h正常操作流量來(lái)計(jì)算，在沒(méi)有回收丁二烯補(bǔ)充的情況下，不到1h即可吸盡槽內(nèi)有效液體丁二烯，也就是說(shuō)，在泵正常工作時(shí)吸入的介質(zhì)約有1.5t/h流量即來(lái)自于35～60℃的逆向循環(huán)冷卻液和來(lái)自于E404A/B丁二烯氨冷卻器10～11℃的回收丁二烯，然而，回收丁二烯入口管也是插底管（圖2中31），且在距逆向循環(huán)冷卻液管350mm的外側(cè)，那么隨著回收丁二烯朝著出口管的流動(dòng)，逆向循環(huán)冷卻液中少量微小丁二烯氣泡也隨著液態(tài)丁二烯的流動(dòng)進(jìn)到泵的入口。

圖2 V408丁二烯受槽及其接管方位圖

（2）P403A/B泵在相互切換前，當(dāng)泵入口閥打開(kāi)之時(shí)，（丁二烯沸點(diǎn)-4.5℃，21℃時(shí)飽和蒸汽壓247.27kPa，低于該壓力值時(shí)丁二烯就會(huì)汽化），汽化的丁二烯氣體先充滿泵腔，使液體不能完全進(jìn)入泵腔內(nèi)，此時(shí)即使打開(kāi)泵出口閥和逆向循環(huán)管路閥門(mén)也不能將氣體排出，因?yàn)镻403A/B泵共用同一條出口管線和逆向循環(huán)管路（圖3），使泵內(nèi)氣液達(dá)到平衡，從泵啟動(dòng)到出口閥和逆向循環(huán)管路閥打開(kāi)這一時(shí)間內(nèi)實(shí)際泵轉(zhuǎn)子是在氣液混合狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3 泵出口管路和逆向循環(huán)管路圖

（3）當(dāng)P403A/B泵的用戶需要流量調(diào)節(jié)時(shí)，是通過(guò)泵出口總管路上的切斷閥后的流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，實(shí)際泵送流量是一個(gè)變量，然而流量調(diào)節(jié)閥前并無(wú)回流管路，被截流的丁二烯則通過(guò)逆向循環(huán)管路返回到V408槽中。因此造成逆向循環(huán)冷卻液通過(guò)過(guò)流區(qū)的流速過(guò)快，使逆向循環(huán)冷卻液產(chǎn)生汽化，并快速返回到V408槽中液相區(qū)，加速了汽化液向貯槽出口的流動(dòng)，同樣的，也增加了泵吸入液中的丁二烯蒸汽量。

（4）當(dāng)泵停車(chē)后，泵內(nèi)的丁二烯通過(guò)出口放空管路連接真空泵進(jìn)行氣相連續(xù)抽空，真空度-0.058MPa，在抽空過(guò)程中，泵內(nèi)壓力下降，使丁二烯汽化，由于葉輪靜止，使之與泵出口相對(duì)應(yīng)的葉輪流道內(nèi)壁出現(xiàn)嚴(yán)重的汽蝕和電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，產(chǎn)生偏蝕狀況，同時(shí)也使泵體及泵出口流道產(chǎn)生較為嚴(yán)重的汽蝕狀況（圖4）。

圖4 葉輪及泵體汽蝕影像圖

綜上分析，前3種狀態(tài)就是由于泵吸入液中丁二烯蒸汽的存在，當(dāng)通過(guò)過(guò)流部件時(shí)溫度進(jìn)一步升高而加速丁二烯的汽化，使泵轉(zhuǎn)動(dòng)件在瞬間產(chǎn)生空運(yùn)轉(zhuǎn)，常發(fā)生軸承、軸套和推力盤(pán)等部件的過(guò)熱損壞，更嚴(yán)重時(shí)使轉(zhuǎn)子和定子屏蔽套劃傷或損壞。第四種狀態(tài)是泵在運(yùn)轉(zhuǎn)中，若其過(guò)流部分的局部區(qū)域（通常是葉輪葉片進(jìn)口稍后的某處），當(dāng)含有大量氣泡的液體向前經(jīng)葉輪內(nèi)的高壓區(qū)時(shí)，氣泡周?chē)母邏阂后w致使氣泡急劇地縮小以至破裂。在氣泡凝結(jié)潰滅形成空穴的同時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)以很高的速度填充空穴，在此瞬間產(chǎn)生強(qiáng)烈的水擊作用，并以很高的沖擊頻率連續(xù)打擊金屬表面，沖擊應(yīng)力可達(dá)幾百至幾千個(gè)大氣壓，沖擊頻率可達(dá)每秒幾萬(wàn)次，于是金屬表面因沖擊疲勞而剝裂。同時(shí)丁二烯氣體又借助于氣泡凝結(jié)時(shí)放出的熱量（局部溫度200～300℃），還會(huì)形成熱電偶，產(chǎn)生電解，形成電化學(xué)腐蝕，更加速了金屬剝蝕的破壞速度。在產(chǎn)生汽蝕使過(guò)流部件遭受到破壞的過(guò)程就是造成葉輪流道和泵體損壞，同樣在離心力的作用下，沒(méi)有潰滅的氣體隨液體甩向泵體內(nèi)壁上而產(chǎn)生汽蝕。汽蝕也會(huì)造成軸承、軸套和推力盤(pán)等部件的損壞。

五、汽蝕余量計(jì)算

根據(jù)工藝流程和管路設(shè)計(jì)情況，從V408槽出口到P403A/B泵入口，有DN65球閥2個(gè)，過(guò)濾器1個(gè)、三通1個(gè)、彎頭5個(gè)，立管段7.74m，橫管段10m。有效管線長(zhǎng)度L=31.54m，流量Qs=166.67L/min。

當(dāng)吸入流量為167L/min時(shí)，每100m的管路損失由屏蔽泵安裝使用維護(hù)說(shuō)明書(shū)查得ΔH=1.4m（由屏蔽泵安裝使用維護(hù)說(shuō)明書(shū)查得）。吸入管路的管路損失h1=L×ΔH=0.44m，立管段高度HT=7.74m，液面最低高度HR=0.89m，則吸入高度HS=HT+HR=8.63m，從蘭州石化公司10萬(wàn)t/a丁苯橡膠裝置屏蔽泵交工資料查得NPSHR（必需汽蝕余量）=1.6m，當(dāng)NPSHA（有效汽蝕余量）≥1.3×NPSHR時(shí)不產(chǎn)生汽蝕。計(jì)算1.3NPSHR=1.3×1.6=2.08m；NPSHA=HS-h1=8.63-0.44=8.19m。顯然NPSHA≥1.3NPSHR，可以排除汽蝕余量不夠的疑慮。

六、解決措施

（1）將逆向循環(huán)冷卻液回流到V-408丁二烯受槽的汽相區(qū)，同時(shí)在入口處的橫管段配制套管式液氨冷卻器，降低循環(huán)冷卻液瞬間減壓閃蒸，使大量汽相丁二烯返回到閃蒸槽中，造成工藝生產(chǎn)的波動(dòng)。

（2）減少該泵的切換頻次或在兩泵都停車(chē)后再啟動(dòng)備用泵，這樣可以達(dá)到完全灌泵的目的，杜絕泵體中汽態(tài)丁二烯的存在。

（3）將流量調(diào)節(jié)閥前增設(shè)回流管路，并連接到原逆向循環(huán)冷卻液插底管上。

（4）為了防止泵停車(chē)備用期間丁二烯發(fā)生自聚造成泵損壞，當(dāng)泵停用時(shí)應(yīng)進(jìn)行抽空操作，在抽空操作過(guò)程中，不易連續(xù)抽吸，應(yīng)根據(jù)表壓的下降速度調(diào)節(jié)放空閥開(kāi)度，當(dāng)壓力接近于零時(shí)立即全關(guān)放空閥，可通過(guò)多次進(jìn)行抽空操作，達(dá)到完全排空的目的，切不可全開(kāi)放空閥連續(xù)抽空。

（5）選用型號(hào)CQB50-32-250磁力傳動(dòng)帶誘導(dǎo)輪的離心泵，可解決冷卻液回流產(chǎn)生的汽化問(wèn)題。