方德全,呼立紅,王新凱
(1.中國(guó)石油撫順石化公司,遼寧 撫順 113008;
2.沈陽(yáng)中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110180)
脫硫塔塔底循環(huán)泵葉輪失效原因分析
方德全1,呼立紅2,王新凱2
(1.中國(guó)石油撫順石化公司,遼寧 撫順 113008;
2.沈陽(yáng)中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110180)
某石化公司重油催化裝置煙氣脫硫單元的脫硫塔塔底循環(huán)泵,其葉輪出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象,通過(guò)宏觀觀察、材質(zhì)分析、金相檢驗(yàn)、電鏡觀察及能譜分析等檢測(cè)手段,發(fā)現(xiàn)葉輪的失效形貌主要為魚(yú)鱗狀或者海綿狀的形貌,葉輪口環(huán)的失效原因主要為汽蝕,加之催化漿液中的催化劑顆粒導(dǎo)致的沖蝕,整體為三相流的磨損過(guò)程。
脫硫塔;循環(huán)泵;葉輪;空蝕
某石化公司重油催化裝置煙氣脫硫單元的脫硫塔塔底循環(huán)泵,其葉輪出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象,為了分析失效原因,特進(jìn)行了檢測(cè)分析。該機(jī)泵為六流道雙吸泵,葉輪口環(huán)的設(shè)計(jì)材質(zhì)為Cr30A,設(shè)計(jì)溫度為120℃,設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa。實(shí)際進(jìn)口壓力0.15MPa,出口壓力為1.2MPa,實(shí)際運(yùn)行流量為2300m3/h,服役時(shí)間為2014年10月至2016年6月大修。
(1)宏觀觀察從失效葉輪的宏觀和低倍形貌可以看出,葉輪邊緣與葉片損毀嚴(yán)重,葉片磨損成刀刃狀。葉片的壓力面和吸力面均可見(jiàn)大量的蝕坑。蝕坑整體呈現(xiàn)出魚(yú)鱗狀形貌,并可見(jiàn)具有明顯方向性的溝槽,與流體的走向相關(guān)。葉輪失效部位的低倍形貌可見(jiàn),蝕坑內(nèi)局部有少量腐蝕產(chǎn)物堆積,大多數(shù)蝕坑內(nèi)呈現(xiàn)光亮的金屬光澤,如圖1所示。
(2)材質(zhì)分析。利用直讀光譜儀,對(duì)葉輪材質(zhì)進(jìn)行了檢測(cè),結(jié)果如表1所示,葉輪設(shè)計(jì)材質(zhì)為Cr30A,檢測(cè)含量與Cr30A的標(biāo)準(zhǔn)含量對(duì)比,可見(jiàn)葉輪含碳量不足,鉻含量偏低,鎳和銅含量偏高,說(shuō)明葉輪的材質(zhì)并不是Cr30A,而更接近于CD4MCuN的成分,但鉻高于標(biāo)準(zhǔn)含量,鎳低于標(biāo)準(zhǔn)含量,銅含量也低于標(biāo)準(zhǔn)含量。
圖1 失效葉輪宏觀形貌
(3)金相檢驗(yàn)。從圖2所示的金相組織結(jié)果可見(jiàn),可見(jiàn)葉輪為鑄態(tài)結(jié)構(gòu),組織主要為奧氏體基體中分布著條狀或者塊狀的碳化物。
(4)電鏡及能譜分析。從葉輪凹坑內(nèi)的成分分析可見(jiàn),凹坑內(nèi)除了金屬本體金屬外,主要還含有O、Al、Si和S元素,主要來(lái)源為接觸介質(zhì)。其中O和S為腐蝕性元素,而Al和Si則應(yīng)來(lái)源于催化劑中的固體粒子Al2O3和SiO2(圖3)。
通過(guò)宏觀和微觀觀察可見(jiàn),葉輪主要呈現(xiàn)魚(yú)鱗狀或者海綿狀的形貌,能譜檢測(cè)到腐蝕坑底部有大量O元素,并有腐蝕現(xiàn)象,以上均是汽蝕的典型特征,因此初步判斷失效機(jī)制之一為汽蝕;其次,宏觀上觀察,葉輪的失效形貌上均帶有與運(yùn)動(dòng)方向相關(guān)的溝槽,因此判斷失效機(jī)制之二可能有沖蝕磨損,即葉輪和口環(huán)的失效整體上是三相流的綜合磨損過(guò)程。離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),液體在葉輪中流動(dòng),由于葉片形狀和液流在其中突然改變方向等流動(dòng)特點(diǎn),決定了液流在葉道中分布是不均勻的。液體的壓力隨著從泵入口到葉輪入口而下降。在葉片附近的非工作面上存在著某些局部低壓區(qū)。蝕坑底部能譜分析結(jié)果見(jiàn)表2。
表1 材質(zhì)分析結(jié)果
表2 蝕坑底部能譜分析結(jié)果
圖2 金相組織檢驗(yàn)
圖3 葉輪蝕坑底部微觀形貌
當(dāng)液體的壓力降低到對(duì)應(yīng)液體的飽和蒸汽壓力時(shí),液體便開(kāi)始汽化而形成氣泡,這些氣泡在低壓區(qū)中增長(zhǎng)并形成空腔,當(dāng)氣泡被液流帶到高壓區(qū)時(shí),又瞬時(shí)潰滅。在氣泡潰滅的瞬間,氣泡周?chē)囊后w迅速?zèng)_入氣泡潰滅形成的空穴,并伴有局部的高溫、高壓水擊現(xiàn)象,從而在葉輪的表面造成侵蝕。氣泡的形成、增長(zhǎng)和潰滅以及造成侵蝕的過(guò)程稱(chēng)為汽蝕??梢?jiàn)泵發(fā)生汽蝕是由于入口附近某些低壓區(qū)處的壓力降低到液體飽和蒸汽壓力,導(dǎo)致部分液體汽化所致。所以,凡能使局部壓力降到液體汽化壓力的因素都可能誘發(fā)汽蝕。
設(shè)計(jì)的葉輪材質(zhì)為Cr30A,而實(shí)際應(yīng)用的葉輪口環(huán)材質(zhì)為CD4MCuN,兩種材料的硬度值相比,Cr30A要求的硬度HRC≥34,明顯高于CD4MCuNHRC≥26,因此從硬度角度的選材上,Cr30A的抗沖蝕性能會(huì)更好。從環(huán)境角度講,漿液中含有固相顆粒同時(shí)存在沖刷作用,會(huì)促進(jìn)氣蝕的發(fā)生和發(fā)展。
離心泵的汽蝕一般有三種情況:葉型汽蝕、間隙汽蝕和漩渦汽蝕。從葉輪和口環(huán)的失效情況來(lái)看,葉輪外緣和口環(huán)間隙處均由大量蝕坑,說(shuō)明存在間隙汽蝕。葉片正面和背面也存在大面積蝕坑,說(shuō)明葉面氣蝕也是存在的。發(fā)生葉面汽蝕主要是因?yàn)樗冒惭b過(guò)高或倒灌高度不夠,或流量偏離設(shè)計(jì)流量過(guò)大時(shí)產(chǎn)生的汽蝕現(xiàn)象,而間隙腐蝕一般發(fā)生在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)。因此若想削弱汽蝕現(xiàn)象,還需要從優(yōu)化設(shè)計(jì)和選材上考慮。
泵汽蝕發(fā)生的條件是泵本身的汽蝕性能和吸人裝置條件兩方面決定的。欲不使泵汽蝕,必須增大裝置汽蝕余量NPSHa,減小泵汽蝕余量NPSHr。影響泵汽蝕余量的主要因素是泵葉輪進(jìn)口的幾何形狀,如葉輪進(jìn)口直徑,葉片進(jìn)口安放角,葉片進(jìn)口邊的形狀、葉片數(shù)、葉輪進(jìn)口流道形狀等,因此提高泵的抗汽蝕性能必須從改進(jìn)泵入口的結(jié)構(gòu)參數(shù)人手。
(1)通過(guò)以上檢測(cè)分析,得出如下結(jié)論:
葉輪口環(huán)的設(shè)計(jì)材質(zhì)為Cr30A,實(shí)測(cè)材質(zhì)及硬度結(jié)果表明其材質(zhì)接近CD4MCuN,但鉻含量偏高,鎳和銅含量偏低,并不符合CD4MCuN的標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)規(guī)定;
葉輪口環(huán)的失效原因主要為汽蝕,加之催化漿液中的催化劑顆粒導(dǎo)致的沖蝕,整體為三相流的磨損過(guò)程;
金屬抗沖蝕的性能,與材料的硬度有較大關(guān)系,Cr30A的硬度較CD4MCuN的硬度高,因此將設(shè)計(jì)材質(zhì)Cr30A更換成“CD4MCuN”,本身就是降低了葉輪的耐汽蝕性能;
從汽蝕的類(lèi)型上分析,葉輪和口環(huán)主要發(fā)生的是葉面型和間隙汽蝕,說(shuō)明循環(huán)泵存在安裝過(guò)高或倒灌高度不夠,或流量偏離設(shè)計(jì)流量過(guò)大,或存在低負(fù)荷運(yùn)行等情況。
(2)針對(duì)以上失效現(xiàn)象,葉輪口環(huán)主要發(fā)生提出改進(jìn)建議如下:
尊重設(shè)計(jì)選材,葉輪材質(zhì)應(yīng)更換為Cr30A。
離心泵的汽蝕是一項(xiàng)技術(shù)難題,要想降低汽蝕磨損,需要重新評(píng)估離心泵的設(shè)計(jì)參數(shù),優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),以便達(dá)到減小泵汽蝕余量的目的。在設(shè)計(jì)泵站時(shí),要使裝置汽蝕余量NPSHa大于泵的允許汽蝕余量NPSHr,并且要留有余量。減小泵的幾何吸上高度或增加幾何倒灌高度同時(shí),應(yīng)充分考慮進(jìn)水裝置可能遇到的各種工作情況,以便正確地確定安裝高程。
可以向汽蝕區(qū)注入空氣,減緩汽蝕。
條件允許的情況下,可以加裝誘導(dǎo)輪和增加前置泵等。
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TG174.4
A
1671-0711(2016)11(上)-0099-02