于杰鵬
(中海石油華鶴煤化有限公司,黑龍江鶴崗 154100)
中海石油華鶴煤化有限公司(簡(jiǎn)稱華鶴煤化)300kt/a合成氨裝置采用托普索工藝,合成冷凍工段液氨罐區(qū)共有2臺(tái)冷氨泵(A/B,一開一備),其作用是將氨罐區(qū)2臺(tái)常壓液氨貯罐(單壁貯罐,單臺(tái)容積5000m3)中-33.9℃的低溫液氨連續(xù)送出,并經(jīng)氨加熱器加熱至25℃后送520kt/a尿素裝置。
華鶴煤化冷氨泵為大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司生產(chǎn)的LDB-A80-65X8-7型立式懸吊泵,為立式、兩層殼體、(多級(jí)部分)徑向剖分結(jié)構(gòu)離心泵,外殼體直徑800mm、深3850mm,外殼(筒袋)只承受泵入口壓力,外殼長(zhǎng)度以及泵的安裝深度取決于對(duì)NPSHa汽蝕性能的要求;中軸為三段軸套連接形式,多級(jí)部分葉輪為單吸徑向式,配有單級(jí)殼體,第一級(jí)葉輪為雙吸式葉輪;軸向力主要由平衡盤平衡,向心推力球軸承承受殘余軸向力,軸承依靠軸承箱內(nèi)潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑,并有獨(dú)立的內(nèi)循環(huán)自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng);流體動(dòng)力潤(rùn)滑徑向滑動(dòng)軸承位于泵的多級(jí)部分入口端,軸端密封為雙端面機(jī)械密封,并帶有沖洗液封及冷卻系統(tǒng)。冷氨泵原動(dòng)機(jī)為佳木斯電機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的三相異步電機(jī),其型號(hào)為YB3-315-2。冷氨泵主要性能參數(shù)見表1,其結(jié)構(gòu)如圖1。
表1冷氨泵主要性能參數(shù)
圖1 冷氨泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
2020年3月26日冷氨泵B整體大修結(jié)束后,于當(dāng)日09:33啟動(dòng),各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)均正常,電機(jī)電流190A(正常運(yùn)行指標(biāo))。2020年3月29日白班操作人員發(fā)現(xiàn)冷氨泵B電機(jī)電流緩慢增大,當(dāng)日23:33電流增至211A,備用冷氨泵A投用,當(dāng)即停運(yùn)冷氨泵B,檢修人員在線檢查冷氨泵B機(jī)械密封、止推軸承,復(fù)查對(duì)中后試泵,問(wèn)題得不到解決。2020年4月7日在線調(diào)整冷氨泵B平衡盤間隙,試泵電流仍超高,接近230A的聯(lián)鎖值,且泵盤車伴隨有剮蹭。鑒于當(dāng)時(shí)冷氨泵B運(yùn)行存在較大風(fēng)險(xiǎn),如果葉輪口環(huán)抱死(即動(dòng)、靜部分剮蹭),將會(huì)對(duì)葉輪、泵軸、導(dǎo)葉等造成不可逆的損傷,且短時(shí)間內(nèi)難以修復(fù),系統(tǒng)有減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。本著保障設(shè)備本體安全的原則,決定對(duì)冷氨泵B解體大修,以便查找其電機(jī)電流增大的原因,消除設(shè)備運(yùn)行隱患。隨后對(duì)冷氨泵B進(jìn)行隔離置換,解體發(fā)現(xiàn)其多級(jí)葉輪口環(huán)出現(xiàn)剮蹭、泵體石墨軸襯磨損嚴(yán)重。
通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的初步分析,判斷冷氨泵B運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件發(fā)生碰磨,即葉輪口環(huán)與泵體口環(huán)摩擦產(chǎn)生高溫,其表面金屬軟化、磨損,如此惡性循環(huán),加劇各部件的磨損;當(dāng)磨損達(dá)到一定程度后,泵效率會(huì)受到影響,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子平衡量改變、出現(xiàn)噪音及運(yùn)行電流增大,最終轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件抱死而致設(shè)備本體損傷。
進(jìn)一步分析,可能有以下五方面的原因:①各部件安裝間隙不合適,運(yùn)行時(shí)發(fā)生異常摩擦;②泵出現(xiàn)“抽空”,聚集的熱量增多使介質(zhì)溫度升高而致其內(nèi)部異常磨損;③口環(huán)間隙超標(biāo);④泵軸彎曲度過(guò)大,致口環(huán)徑向(累計(jì))間隙超過(guò)泵體口環(huán)間隙最小值;⑤轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡。
(1)經(jīng)查實(shí),在前一次大修安裝過(guò)程中冷氨泵B嚴(yán)格按照相關(guān)檢修規(guī)程及制造廠提供的數(shù)據(jù)表進(jìn)行安裝,各部位間隙均正確,檢修記錄可查,且解體檢查未發(fā)現(xiàn)安裝方面存在問(wèn)題,故基本可排除裝配方面的原因。
(2)泵運(yùn)行過(guò)程中如發(fā)生“抽空”,泵出口流量及壓力將會(huì)大幅波動(dòng),但查看冷氨泵B運(yùn)行曲線及泵出口流量、壓力,冷氨泵B電機(jī)電流升高前后整體運(yùn)行平穩(wěn),各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)均正常,故可排除“抽空”及工況方面的原因。
(3)結(jié)合前一次設(shè)備維修時(shí)口環(huán)間隙數(shù)據(jù)與口環(huán)跳動(dòng)量(表2)及軸彎曲度測(cè)量數(shù)據(jù)(入口軸襯0.03mm、一級(jí)葉輪安裝位0.02mm、下軸襯安裝位0.01mm、中軸襯安裝位0.01mm、下徑向軸承安裝位0.01mm、上徑向軸承安裝位0mm、多級(jí)入口軸封0.02mm、止推軸承安裝位0mm、聯(lián)軸節(jié)安裝位0mm),葉輪初裝到主軸上后,其口環(huán)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中存在徑向偏差,泵體的中段口環(huán)也存在徑向偏差。葉輪每完成一個(gè)圓周轉(zhuǎn)動(dòng),會(huì)有某個(gè)旋轉(zhuǎn)角度,局部出現(xiàn)葉輪與殼體口環(huán)徑向間隙的最小值或最大值,且旋轉(zhuǎn)的主軸會(huì)有輕微彎曲和變形,產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的最大撓度。當(dāng)這種徑向跳動(dòng)極限值與最大撓度值疊加后,某一級(jí)葉輪與殼體口環(huán)的徑向間隙局部動(dòng)態(tài)出現(xiàn)最小間隙;但有關(guān)數(shù)據(jù)表明,總體上冷氨泵B仍可滿足0.40~0.45mm[1]的口環(huán)間隙設(shè)計(jì)指標(biāo)。
表2 冷氨泵B的葉輪口環(huán)安裝間隙值與口環(huán)跳動(dòng)量mm
(4)冷氨泵B解體檢查中,發(fā)現(xiàn)其起到轉(zhuǎn)子徑向定位作用的軸襯(石墨滑動(dòng)軸承)磨損量嚴(yán)重超標(biāo)(設(shè)計(jì)值0.2~0.3mm),特別是多級(jí)部分進(jìn)口段及出口段軸襯磨損量達(dá)3.61mm,為此,問(wèn)題的分析方向轉(zhuǎn)為確定軸襯(石墨滑動(dòng)軸承)異常磨損的原因。
3.3.1 徑向滑動(dòng)軸承(軸襯)工作原理
據(jù)立式多級(jí)筒袋泵的工作原理可知,其軸采用剛性軸設(shè)計(jì),需對(duì)插入深度較長(zhǎng)的軸增加輔助支撐以使軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中保證其剛性。冷氨泵泵軸分為三段,對(duì)應(yīng)三段流體動(dòng)力潤(rùn)滑徑向滑動(dòng)軸承(軸襯)提供徑向支撐,其材質(zhì)為滲硅石墨,是由碳、石墨基體材料經(jīng)硅化處理形成的,具有摩擦系數(shù)小、自潤(rùn)滑性能好、硬度高、耐磨蝕等優(yōu)點(diǎn)。石墨為層狀晶體結(jié)構(gòu),石墨晶體表面由解理面和棱面構(gòu)成,解理面是一個(gè)低粘附力的低能量表面,石墨與金屬摩擦的過(guò)程中,石墨晶體發(fā)生層間解理,分離出的碎斷石墨鱗片容易粘附在對(duì)磨(互相磨損)的金屬表面而形成薄層轉(zhuǎn)移膜,當(dāng)轉(zhuǎn)移膜完全形成后,石墨與金屬之間的對(duì)磨過(guò)程就變成了石墨與石墨之間的摩擦,摩擦因數(shù)顯著降低,其磨損速度也逐漸降至恒定值。
3.3.2 軸承(軸襯)異常磨損分析及結(jié)論
經(jīng)分析確認(rèn),由于冷氨泵主軸分為三段,每段由接軸套筒固定,最終形成一個(gè)細(xì)長(zhǎng)主軸,而保證三段軸同心度的除了泵軸自身的彎曲度,還有接軸套筒連接兩段軸的精度,如果其連接精度不好,就會(huì)造成三段軸在接合處形成夾角;冷氨泵運(yùn)行過(guò)程中,由于石墨軸襯間隙較小,就會(huì)不斷地受到擠壓力和復(fù)合機(jī)械力的作用,造成軸襯的磨損,間隙增大以后,轉(zhuǎn)子運(yùn)行中的振動(dòng)隨之增大,間隙不斷增大直至軸襯的直徑間隙接近葉輪口環(huán)動(dòng)態(tài)最小間隙而造成口環(huán)的碰磨,其直觀的現(xiàn)象就是冷氨泵電機(jī)電流增大,若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理,接下來(lái)很有可能會(huì)造成泵體口環(huán)抱死,帶來(lái)不可逆的設(shè)備損傷。
綜上,通過(guò)對(duì)可能原因的分析與排查,最終確認(rèn)本次故障的根本原因是冷氨泵B多段組合軸結(jié)合后同心度不良致主軸直線度無(wú)法保障,導(dǎo)致泵軸運(yùn)行中對(duì)石墨軸襯產(chǎn)生擠壓磨損,而解決問(wèn)題的根本辦法是提高三段軸結(jié)合的同心度。
檢修過(guò)程中,對(duì)冷氨泵B所有部件配合間隙及尺寸進(jìn)行確認(rèn)(符合設(shè)計(jì)要求),更換新的石墨軸襯及超差的葉輪口環(huán),確認(rèn)三段軸的彎曲度符合要求。其中,檢修中最關(guān)鍵的一點(diǎn)是需對(duì)三段軸的安裝方式進(jìn)行優(yōu)化:接軸套筒與軸端安裝位置的間隙(測(cè)量值)只有0~0.01mm,以往都是選擇熱拆裝,即采用乙炔火焰加熱接軸套筒使其膨脹,配合間隙增大后再安裝,但由于乙炔火焰加熱溫度無(wú)法精準(zhǔn)控制,且局部溫度不同(存在溫差),易導(dǎo)致接軸套筒各部位熱膨脹變形量不一致,即安裝后的三段軸軸向會(huì)形成一定的夾角,無(wú)法保證其同心度;經(jīng)分析與論證,本次檢修最終選用機(jī)械敲擊法安裝接軸套筒,即采用較長(zhǎng)的專用套管直接將力作用在接軸套筒上,且在端面上均勻用力,利用接軸套筒的彈性變形將接軸套筒安裝到位。
針對(duì)冷氨泵B(立式多級(jí)筒袋泵)電機(jī)電流增大問(wèn)題,初步分析發(fā)現(xiàn)其電機(jī)電流增大、口環(huán)剮蹭只是表象,深入分析后,精準(zhǔn)地找到了問(wèn)題的癥結(jié)所在——冷氨泵B多段軸結(jié)合后主軸的同心度不良。之后,通過(guò)檢修及安裝方式的優(yōu)化,冷氨泵B三段軸的軸向同心度得到保證,接合后主軸的直線度滿足了要求。2020年4月14日冷氨泵B檢修結(jié)束后,試泵及運(yùn)行正常,近6個(gè)月以來(lái)其運(yùn)行狀況良好,再未出現(xiàn)電機(jī)電流增大的現(xiàn)象。