林萬洲，李 進，趙 云

（1.中國石油西南油氣田川東北作業(yè)分公司，四川達州 635000；2.中國石油西南油氣田天然氣凈化總廠，重慶 400021）

0 引言

某處理量200×104m3/d 高含硫、高含碳天然氣凈化廠，脫硫單元溶液循環(huán)泵采用DS 系列臥式多級離心泵。溶液循環(huán)泵作為生產關鍵設備，其任務是將MDEA（甲基二乙醇胺）溶液分別送入MDEA 吸收塔和MDEA 閃蒸塔，完成整個脫硫單元MDEA 溶液的循環(huán)。該泵自投用以來運行較為平穩(wěn)，但當連續(xù)運行時間超過6 個月時，就逐漸表現出軸承振動值異常超高現象，且振動值呈增大趨勢，嚴重影響裝置的平穩(wěn)運行。對泵實施解體大修，從軸承、密封環(huán)、軸、平衡鼓（套）、軸承座調心定位等多方面影響因素進行分析和排查，但啟運后不久又會再次出現軸承振動增大和超標的問題。經過對工藝狀況、設備本體等多方面的綜合分析和排查，在排除造成軸承振動超高的泵內部因素后，采取提高泵日常運行流量、降低MDEA 溶液中的固體顆粒雜質含量等一系列措施，最終解決了這一難題。

1 基本情況

該溶液循環(huán)泵為臥式多級離心泵，型號為DS100-260/10A，由國內某泵業(yè)公司生產。該泵由電機、泵體、密封系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等部件組成，用于輸送介質為40 ℃的MDEA 貧液，其他性能特征見表1。

表1 溶液循環(huán)泵性能特征

工藝流程中，溶液循環(huán)泵用于完成天然氣凈化裝置中脫硫單元的MDEA 貧液的循環(huán)，泵的流量大小由貧液流量調節(jié)閥FV-1201（位于貧液入吸收塔前管線）控制，MDEA 貧液中的固體顆粒雜質由貧富液換熱器E-1201AB 貧液入口和溶液循環(huán)泵P-1201AB 入口的T 形過濾器進行過濾。

2 低流量工況泵振動分析

離心泵在正常的流量標準下，是不會產生振動的。但是，一旦流量出現明顯的波動幅度，離心泵內的工作零件及管道就會出現振動。當流量回歸到正常值時，振動和聲響也會隨之消失。離心泵的振動隨流量變化而變化，通常在最佳效率點流量附近其值最小，并且隨著流量的增大或減小而增加。從最佳效率點流量起，振動隨流量的變化取決于泵的能量密度、比轉速及汽蝕比轉速，通常情況下振動的變化量隨能量密度、比轉速及汽蝕比轉速的增加而增加。

離心泵除了有在性能曲線上標注的最小連續(xù)流量外，還有一個最小連續(xù)熱流量。泵在小流量條件下運行時，部分液體的能量轉變?yōu)闊崮?，使進口處液體的溫度升高，當液體溫度使有效汽蝕余量等于或小于泵必須汽蝕余量時，就會產生汽蝕現象。

正常流量下，泵本身的自動平衡裝置能很好地平衡轉子軸向力。該溶液循環(huán)泵通過平衡鼓進行平衡（固定的平衡），平衡鼓基本能平衡90%～95%的軸向力[1]，其余軸向力由泵尾端的止推軸承平衡。但是，當流量過低時，由于軸向力的增大，自動平衡裝置就不能完全平衡轉子的軸向力，轉子就會受到一個指向葉輪入口方向的軸向作用力，造成轉子向前竄動，轉子、平衡鼓、平衡鼓套等部件磨損。同時，軸向介質的入口沖角與轉子葉片的安裝角偏差較大，也會產生沖擊，引起強烈振動。

據記錄，溶液循環(huán)泵軸承振動超高時，其振動值最高達9.5 mm/s RMS（標準值4.5 mm/s RMS），振動超高后在對泵進行解體大修時，重點檢查了平衡鼓與平衡鼓套間隙、轉子跳動、軸彎曲度、密封環(huán)間隙、軸承磨損情況、軸承座調心定位、聯(lián)軸器對中狀況等，更換了平衡鼓套、密封環(huán)、軸承、葉輪、機械密封等易損件，但是試車時發(fā)現振動值仍超標約5.5 mm/s RMS，并且在后續(xù)的長期監(jiān)測中發(fā)現，該振動值呈增大趨勢。期間，溶液循環(huán)泵流量為80～100 m3/h，約為設計流量的44.4%～55.5%，偏離設計流量點較大。這進一步驗證了，低流量工況促使泵的軸承振動超高。

3 固體顆粒對泵的振動分析

在天然氣凈化裝置中，脫硫單元溶液中固體顆粒主要為再生塔、重沸器等設備和管線的腐蝕產物，以及上游原料天然氣帶來的未被過濾系統(tǒng)過濾除凈的固體顆粒。

當含有固體顆粒的溶液進入泵后，固體顆粒隨溶液進入葉輪與密封環(huán)間隙、平衡鼓與平衡鼓套間隙，葉輪、平衡鼓隨主軸由電機驅動旋轉，密封環(huán)鑲嵌于導葉與蝸殼上處于靜止狀態(tài)，兩者相對運動，位于間隙處的固體顆粒對密封環(huán)、平衡鼓套、平衡鼓、葉輪產生磨損。一般情況下，平衡鼓套、密封環(huán)材料硬度較平衡鼓、葉輪材料小，因此平衡鼓套和密封環(huán)磨損較嚴重。磨損后，密封環(huán)和葉輪間隙增大，平衡鼓和平衡鼓套間隙增大。

密封環(huán)間隙增大后，泄漏量增加，對離心泵的效率影響雖不大，但軸向力卻成倍增加[2]，平衡鼓已無法起到平衡作用。當產生的軸向力超出平衡力部分大于止推軸承所能承受的力時，軸承達到疲勞負荷限值，泵軸承振動增大、運行壽命減短。

平衡鼓與平衡鼓套的泄漏量隨著間隙的增大而增大，平衡鼓的平衡效果隨著間隙的增大而降低[3]，進而導致平衡失效，軸承振動增大。溶液循環(huán)泵密封環(huán)（導葉）、密封環(huán)（中段）、密封環(huán)（進口段）以及平衡鼓套材料均為ZQPb12-8，首級葉輪、次級葉輪和平衡鼓材料均為ZG0Cr18Ni12Mo2，相比而言ZQPb12-8 硬度更小。一般情況而言，密封環(huán)和平衡鼓套均較葉輪和平衡鼓更易磨損。以某次溶液循環(huán)泵軸承振動大、解體大修檢查為例，各級密封環(huán)間隙及平衡鼓間隙尺寸如表2 所示。

表2 溶液循環(huán)泵解體各處配合間隙值

4 整改措施及效果

4.1 循環(huán)泵流量優(yōu)化及效果

大修期間，對脫硫單元可能限制溶液循環(huán)量提升流程的所有設備進行詳細排查，發(fā)現脫硫再生塔C-1202 內部第一層塔盤降液板與升氣帽環(huán)板間距僅為19 mm，限制了循環(huán)量的提升。后經設計核算，需將該間距調整為120 mm，才能將脫硫系統(tǒng)溶液循環(huán)量提升至設計值。整改時，對降液板部分材料進行氣割切除，增大兩者之間間隙和溶液流通面積。

該處間距的調整，直接影響了溶液循環(huán)泵的運行情況。整改前，因該處間距較小，造成溶液流通不暢，日常脫硫單元MDEA 溶液流量最高僅能達到130 m3/h（將再生酸氣壓力控制在100 kPa，超出設計值80 kPa），一般情況下流量均小于100 m3/h（最低時僅80～90 m3/h）。整改后，MDEA 溶液流量一般控制在140 m3/h 以上。與此同時，在對貧液空冷器入口管線降低后，循環(huán)量能長時間維持到泵的額定值180 m3/h。循環(huán)量提升后，解體大修后的泵（更換新密封環(huán)，平衡鼓套，軸承，機封等）振動值能從5.5 mm/s RMS 以上降低至3.0 mm/s RMS 以內，低于標準4.5 mm/s RMS。

4.2 改善系統(tǒng)溶液質量，減少溶液中的固體顆粒含量

為改善脫硫單元溶液系統(tǒng)質量，以下從4 個方面提出整改措施。

（1）優(yōu)化過濾系統(tǒng)。溶液循環(huán)泵P-1201AB 入口和貧富液換熱器E-1201AB 貧液入口共設置了4 臺T 形過濾器，但該過濾器濾芯兩端面密封不嚴，導致溶液通過過濾器時形成“短路”，無法有效過濾溶液中的雜質，導致過濾效果不佳。通過對T 形過濾器加工支撐圈，再將其焊接至過濾器內部；將過濾器原密封端面重新處理，增大密封面和臺階深度，重新制作濾芯，并在濾芯端面設置PTFE（聚四氟乙烯）平面密封墊，進一步保證過濾濾芯的端面密封性能。整改后，當過濾器前后壓差達到50 kPa 時打開檢查濾網，可以觀察到濾網表面幾乎完全被固體顆粒雜質覆蓋，說明雜質基本上能被有效攔截，過濾效果顯著（圖1）。

圖1 過濾器攔截的雜質

（2）溶液更換。為保證溶液系統(tǒng)的潔凈度，更換脫硫系統(tǒng)新鮮MDEA 溶液83 t。

（3）設備升級更換。從脫硫系統(tǒng)溶液循環(huán)的工藝流程上來看，MDEA 貧液與原料氣在吸收塔C-1201 內接觸后，上游原料氣帶來雜質以及吸收塔內的腐蝕產物隨MDEA 富液被帶走，并在MDEA 預過濾器F-1201AB、活性炭過濾器F-1202、MDEA 后過濾器F-1203AB 內完成過濾。但是由于MDEA 富液具有腐蝕性，在之后的流程中會對管線和設備產生腐蝕，再次形成腐蝕產物。從歷年大修設備打開檢查的情況來看，存在嚴重腐蝕的設備主要有再生塔重沸器、再生塔和部分溶液管線。其中，再生塔的主要腐蝕部位為重沸器半貧液返回口附近區(qū)域筒體內壁，重沸器主要腐蝕部位為氣液兩相區(qū)的管束外壁和筒體內壁，重沸器返回再生塔的半貧液管線也存在嚴重腐蝕減薄。針對存在腐蝕的設備和管線，主要采取以下3 個措施：①將熱虹吸式重沸器更換為釜式重沸器，頂部設置有一個蒸發(fā)空間[4]，使得氣液兩相的徹底分離在殼程內完成，換熱管束完全浸沒在溶液內，能有效避免管束發(fā)生空泡腐蝕；②將再生塔主體材料由20R 升級為不銹鋼復合板Q245R+316L 材料，日常運行時，僅覆層材料316L 與半貧液、酸性氣體接觸，抗腐蝕性能提高，有效改善了再生塔筒壁的腐蝕狀況；③將部分腐蝕嚴重的半貧液管線、富液管線材料由20G 升級為304 或316L 奧氏體不銹鋼材料。

（4）系統(tǒng)性化學清洗。有計劃地在裝置大修時安排專業(yè)團隊對脫硫單元溶液系統(tǒng)進行化學清洗，徹底清除系統(tǒng)中人工無法清洗的管線和其余死角中的雜質。

4.3 整改效果

在通過提高溶液循環(huán)泵日常運行時的流量，降低MDEA 溶液中的固體顆粒雜質含量兩種方式整改后至今，溶液循環(huán)泵前后軸承振動值均在標準范圍內，一般低于3.0 mm/s RMS，運行情況良好。經統(tǒng)計，整改前溶液循環(huán)泵年平均檢修11 次，其中大修7 次、中修4 次；整改后，除日常的例行維護保養(yǎng)和預防性檢修外，尚未出現任何故障。

5 結束語

目前，該天然氣凈化廠處理量日趨下降，脫硫單元溶液循環(huán)量隨之減小；同時，高含硫、高含碳凈化廠脫硫單元設備設施腐蝕嚴重，腐蝕產物的形成增加了溶液中固體顆粒的含量。這些問題的出現導致溶液循環(huán)泵振動值超標。

通過總結工廠實際整改措施，認為優(yōu)化溶液運行系統(tǒng)，提高溶液循環(huán)量使其盡量接近泵的額定流量，是減少溶液循環(huán)泵振動的有效措施之一。同時，通過清潔系統(tǒng)溶液，整改、更換溶液過濾設備設施，降低溶液中固體顆粒含量，提高溶液潔凈度，也是減少溶液循環(huán)泵振動的有效途徑。