李立(中石化廣州(洛陽)工程有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

某石化公司沸騰床渣油加氫裝置減壓塔過汽化油泵，即位號(hào)1203-P-8309A/B的減壓塔底泵，是H-oil、FRET等加氫工藝的關(guān)鍵設(shè)備[1-2]，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，該泵葉輪流道結(jié)焦塊堵塞嚴(yán)重，焦炭顆粒以及催化劑粉末對(duì)過流部件的磨損較大，這些故障嚴(yán)重影響了沸騰床渣油加氫裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

表1 模型泵主要幾何參數(shù)

1 減壓塔底泵結(jié)構(gòu)

1203-P-8309A/B型減壓塔底泵為兩級(jí)雙支撐小揚(yáng)程大流量離心泵，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為2 900 r/min。由于該泵運(yùn)行在高溫易燃區(qū)[3]，出于安全運(yùn)行考慮，對(duì)泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如下圖1所示。從圖中可以看出，該泵采用兩級(jí)背靠背旋流式結(jié)構(gòu)，葉輪采用開式葉輪。介質(zhì)經(jīng)首級(jí)旋流葉輪加壓，流經(jīng)過渡流道進(jìn)入次級(jí)葉輪再次加壓并最終流出。泵體及泵蓋上均設(shè)計(jì)有襯板，以保障泵裝置的耐磨性。

圖1 減壓塔底過汽化油泵結(jié)構(gòu)圖

2 故障與原因分析

2.1 故障形式

減壓塔底泵的故障形式多樣，前人多針對(duì)振動(dòng)異響展開研究。孫炯明[4]判定減壓塔底泵的振動(dòng)原因來自于水力不平衡，結(jié)合振動(dòng)頻譜圖判定該泵殘余徑向力較大，并基于該泵運(yùn)行工況點(diǎn)重新設(shè)計(jì)了葉輪得到了完全滿足生產(chǎn)需求的新葉輪。張士偉[5]根據(jù)GP-3108塔底泵裝置有效汽蝕余量計(jì)算結(jié)果，得出該泵異響原因是存在汽蝕現(xiàn)象，并提出了切割葉輪、增置誘導(dǎo)輪、采用正沖角等一系列解決措施。殷洪權(quán)[6]對(duì)比分析了葉輪優(yōu)化、雙吸葉輪和前置誘導(dǎo)輪對(duì)200YⅡ減壓塔底泵汽蝕性能的影響，試驗(yàn)和實(shí)踐結(jié)果表明擴(kuò)大首級(jí)葉輪進(jìn)口面積的同時(shí)增設(shè)誘導(dǎo)輪能夠最有效地提高該泵的汽蝕性能。

然而，對(duì)于沸騰床渣油加氫裝置減壓塔過汽化油泵而言，泵送介質(zhì)中存在大量的焦炭顆粒和催化劑粉末以及結(jié)焦塊，致使其葉輪流道堵塞或磨損，造成塔底泵運(yùn)行故障。據(jù)調(diào)查顯示，該泵運(yùn)行過程中普遍存在流道堵塞造成的停泵與葉輪破壞以及葉輪內(nèi)側(cè)面、流道隔舌部或泵蓋內(nèi)側(cè)面磨損現(xiàn)象。對(duì)此，胡敬寧[7]基于CFD數(shù)值計(jì)算方法提出了針對(duì)塔底泵次級(jí)葉輪及流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，結(jié)果表明減小蝸殼面積比，增大葉輪出口寬度可以有效減少回流現(xiàn)象。結(jié)合前人研究成果及該泵實(shí)際運(yùn)行問題與環(huán)境，本文提出了針對(duì)加氫裝置減壓塔底泵流道堵塞、振動(dòng)、磨蝕三類故障的誘導(dǎo)因素分析，并提出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

2.2 原因分析

2.2.1 流道堵塞因素

從該泵的運(yùn)行工況考慮，輸送介質(zhì)中瀝青雜質(zhì)含量較高，在高溫高壓的運(yùn)行條件下，容易發(fā)生結(jié)塊現(xiàn)象進(jìn)而造成葉輪流道堵塞。就過流部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，傳統(tǒng)的離心泵葉輪及蝸殼設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)壓水室內(nèi)前后腔體的貫通流動(dòng)，對(duì)固相顆粒尤其是團(tuán)狀或絮狀懸濁液的適應(yīng)性較差，容易造成該泵葉輪流道堵塞，引發(fā)停泵故障。

2.2.2 異常振動(dòng)因素

結(jié)合前人研究成果得出，水力不平衡及汽蝕現(xiàn)象是造成該泵振動(dòng)異響的主要原因?；诒仨毱g余量及裝置有效汽蝕余量計(jì)算的計(jì)算結(jié)果判定，葉輪設(shè)計(jì)及流道設(shè)計(jì)符合該泵空化性能要求，且該泵運(yùn)行入口壓力較大不易發(fā)生空化。此外，該泵葉輪采用背靠背安裝，正常運(yùn)行時(shí)，軸系基本處于平衡的狀態(tài)，只需對(duì)該泵剛性及轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡進(jìn)行計(jì)算校核即可。

2.2.3 部件磨損因素

從該泵的運(yùn)行工況考慮，輸送介質(zhì)中焦炭顆粒和催化劑粉末硬度較高，在葉輪離心旋轉(zhuǎn)作用下，容易造成內(nèi)殼體襯里沖擊磨損。此外，葉輪采用半開式結(jié)構(gòu)，后蓋板帶有背葉片，背葉片的離心力迫使催化劑等重物不流入葉輪側(cè)壁腔內(nèi)，因固體顆粒濃度增大或集聚，此處側(cè)壁存在加速磨損。綜上所述，介質(zhì)工況及流道水力設(shè)計(jì)原因造成的流道堵塞是加氫裝置減壓塔底泵故障的主要形式，可能造成停泵或葉輪破壞。同時(shí)，介質(zhì)中硬質(zhì)顆粒產(chǎn)生的磨蝕沖擊對(duì)該泵使用壽命及機(jī)械密封也存在一定影響。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 破碎輪設(shè)計(jì)

針對(duì)瀝青雜質(zhì)結(jié)塊造成的葉輪堵塞現(xiàn)象，提出了預(yù)破碎輪與破碎輪組合設(shè)計(jì)的介質(zhì)工況優(yōu)化方案，其結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

首先，在泵入口設(shè)計(jì)一個(gè)菱形的預(yù)破碎輪(如圖2(a)所示)，對(duì)泵入口的超大焦塊進(jìn)行破碎。其次，在預(yù)破碎輪后的葉輪前流道設(shè)計(jì)一個(gè)破碎輪(如圖2(b)所示)，該輪對(duì)進(jìn)入葉輪的較大焦塊進(jìn)行破碎，防止焦塊堵塞葉輪流道。破碎輪設(shè)計(jì)有4個(gè)破碎齒，齒面保留棱角，通過鍵連接實(shí)現(xiàn)與泵軸的同步轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)焦塊經(jīng)過葉輪入口流道時(shí)，由于破碎輪和固定板相互絞合的作用，實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)中較大焦塊的細(xì)化功能。此外，由于破碎輪位于泵裝置最前端，為了增加其使用壽命，對(duì)輪表面進(jìn)行硬化處理，提高其耐磨性。設(shè)計(jì)得到的破碎輪進(jìn)口直徑為108 mm，輪轂直徑為70 mm，進(jìn)口流速v=1.05 m/s，轉(zhuǎn)速n=2 950 r/min，破碎后的焦塊最大顆粒外徑在4.5 mm左右。

圖2 預(yù)破碎輪與破碎輪結(jié)構(gòu)圖

3.2 無堵塞流道水力設(shè)計(jì)

由于傳統(tǒng)葉輪水力設(shè)計(jì)不考慮流道堵塞的情況，文章采用旋流泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行葉輪設(shè)計(jì)(如圖3(a)所示)，旋流泵的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是葉輪退縮在壓水室后面的泵腔內(nèi)。當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉輪和前端壓水室空腔容易形成貫通流和循環(huán)流，減少固相顆?；蚪Y(jié)塊對(duì)于葉輪流道的堵塞作用。本文基于對(duì)葉輪與壓水室腔體流體域的三維不可壓湍流流動(dòng)數(shù)值計(jì)算(如圖3(b)所示)，驗(yàn)證了葉輪流道及葉片設(shè)計(jì)的合理性。經(jīng)實(shí)踐，該葉輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造，運(yùn)行平穩(wěn)；無堵塞，性能良好，磨損程度較小。

圖3 旋流泵泵腔設(shè)計(jì)與腔內(nèi)流體域數(shù)值計(jì)算

3.3 耐磨襯板及機(jī)械密封設(shè)計(jì)

由于焦炭顆粒和催化劑粉末對(duì)泵體的磨損作用主要集中在內(nèi)襯，設(shè)計(jì)采用易于更換和拆卸的耐磨襯板，以3～5年為一個(gè)周期進(jìn)行更換。同時(shí)，基于閉式葉輪結(jié)構(gòu)在前后蓋板處設(shè)置副葉片，副葉片的離心力迫使催化劑類重物不流入葉輪側(cè)壁腔內(nèi)，充分解決此處因固體顆粒濃度增大或集聚造成的側(cè)壁加速磨損現(xiàn)象。此外，為了阻止固體顆粒進(jìn)入機(jī)械密封腔和降低機(jī)械密封腔的介質(zhì)壓力，在機(jī)械密封腔和泵腔中間設(shè)計(jì)了一個(gè)平衡管，連通泵進(jìn)口與泵腔和機(jī)械密封腔，泵腔內(nèi)含有固體顆粒的介質(zhì)經(jīng)過節(jié)流襯套節(jié)流后進(jìn)入平衡管。

4 結(jié)語

文章通過對(duì)沸騰床渣油加氫裝置減壓塔過汽化油泵的運(yùn)行故障分析，得出了流道堵塞是該泵的主要故障，而顆粒磨損也對(duì)泵穩(wěn)定運(yùn)行和使用壽命存在一定影響的結(jié)論。綜合破碎輪組合設(shè)計(jì)方法、旋流泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及耐磨襯板與機(jī)械密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，文章設(shè)計(jì)得到了滿足現(xiàn)場(chǎng)使用需求的減壓塔底泵。該泵運(yùn)行安全穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)較大焦塊的破碎和較小顆粒的研磨，葉輪采用全開式旋流泵結(jié)構(gòu)進(jìn)而緩解流道堵塞現(xiàn)象。