王小軍，高俊榮

（陜西延長中煤榆林能源化工有限公司，陜西榆林 718500）

1 概 述

陜西延長中煤榆林能源化工有限公司（簡稱榆林能化）甲醇裝置氣化系統(tǒng)采用多元料漿氣化工藝，配置3臺氣化爐（兩開一備，設計工作壓力6.5MPa、工作溫度1320℃），預熱水泵設計為2臺（A／B，一開一備）。

氣化爐原始開車和正常停車檢修后烘爐時，為防止激冷環(huán)遭受高溫熱蝕，需用預熱水泵供應預熱水對激冷環(huán)進行保護。預熱水工藝流程為：渣池中的水通過預熱水泵輸送到激冷水管線并進入激冷環(huán)中形成水膜 （以保護激冷環(huán)及下降管），激冷水沿下降管下降后進入激冷室，經(jīng)激冷室進入鎖斗，最后進入渣池，然后通過渣池泵送去704灰水處理工段自然散熱降溫，降溫后再通過低壓灰水泵輸送到渣池中循環(huán)利用。

2 預熱水泵斷軸問題及其影響

榆林能化甲醇裝置氣化系統(tǒng)自2014年7月開車以來，氣化爐烘爐時預熱水泵頻繁出現(xiàn)斷軸。例如：2018年9月，在備爐烘爐升溫期間，投用預熱水泵A輸送預熱水，當爐溫升至876℃時，預熱水泵A出現(xiàn)斷軸，當時操作人員及時發(fā)現(xiàn)并聯(lián)系現(xiàn)場人員啟動預熱水泵B供應預熱水，但當爐溫升至1189℃時預熱水泵B（運行不到1d）同樣出現(xiàn)斷軸，備爐被迫降溫，投用事故水在低溫區(qū)恒溫。預熱水泵斷軸后10min內支撐板溫度上升情況如圖1。

圖1 斷軸后10min內支撐板溫度上升情況

對投運以來氣化爐烘爐時預熱水泵斷軸情況進行統(tǒng)計：2014年斷軸2次、2015年斷軸4次、2016年斷軸3次、2017年斷軸2次、2018年斷軸4次、2019年斷軸3次、2020年斷軸2次，且發(fā)現(xiàn)每次斷軸前預熱水泵電流及輸送量均會出現(xiàn)波動，斷軸后拆開泵殼檢查發(fā)現(xiàn)軸斷裂位置多在軸與葉輪的鑲嵌處或者是軸的變徑處，計算得泵軸斷裂處的截面積為0.0011m2。

預熱水泵頻繁斷軸，不僅影響氣化爐烘爐的順利進行，影響氣化爐的正常熱備，而且影響到氣化爐激冷環(huán)的使用壽命。在低溫區(qū)（800℃以下）時，預熱水泵斷軸而致的預熱水供應中斷對激冷環(huán)及下降管的壽命影響較小，但在高溫區(qū)（800～1250℃），尤其是爐溫升至1000℃以上時，預熱水泵斷軸后，預熱水供應中斷、支撐板溫度開始快速上升，激冷環(huán)和下降管因突然斷水而遭受高溫熱蝕，其金屬材料性能受到影響，這對激冷環(huán)及下降管具有很大的損傷。因此，解決預熱水泵斷軸問題至關重要。

3 原因分析

3.1 泵軸材質

3.1.1 泵軸材料成分分析

榆林能化氣化系統(tǒng)所用預熱水泵泵軸材質為3Cr13，其化學成分分析數(shù)據(jù)見表1?？梢钥闯?，預熱水泵泵軸材料的化學成分符合國標要求，可以判定泵軸材質不是造成其斷軸的原因。

表1 預熱水泵泵軸材料化學成分分析數(shù)據(jù)%

3.1.2 泵軸材料力學性能分析

預熱水泵泵軸材質為3Cr13，屬馬氏體類型不銹鋼，經(jīng)過熱處理（920～980℃淬火，600～750℃回火）后，具有較好的抗腐蝕性和較高的強度。對預熱水泵泵軸斷裂位置進行取樣分析，其力學性能分析結果見表2?？梢钥闯?，預熱水泵泵軸材料的力學性能符合國標要求，再次判定泵軸材質不是造成其斷軸的原因。

表2 預熱水泵泵軸材料力學性能分析數(shù)據(jù)

3.2 預熱水泵在實際運行工況下的性能

預熱水泵基本設計參數(shù)為：葉輪外徑550mm，流量（Q）117.6m3／h，揚程（H）110m；配套電機功率110kW，滿載電流196.8A，正常運行電流155A，電機額定轉速（n）1450r／min。預熱水泵在理論設計計算中是可以滿足運行要求的，但是實際運行中不能滿足工藝要求，其原因分析具體如下。

3.2.1 預熱水泵吸入口流量偏低

預熱水泵吸入口管徑為DN300、出口管徑為DN200，在正常運行達到設計流量117.6m3／h時，其入口流速僅為0.46m／s；當氣化爐溫度升至800℃以上時，爐壁上的掛渣便開始熔化，熔化的掛渣通過渣口后降溫凝固并隨預熱水進入渣池中，在預熱水泵的抽吸下部分渣粒被吸入到入口處，在預熱水泵入口的低流速下，介質中的煤渣極易沉淀，時間久了便對入口管路形成堵塞，預熱水泵會因吸入量不足而發(fā)生汽蝕，若泵在汽蝕狀態(tài)下運行而巡檢人員未能發(fā)現(xiàn)并處理的話，預熱水泵就會因持續(xù)的振動等而發(fā)生軸斷裂。

3.2.2 預熱水泵軸徑偏小

預熱水泵軸徑應按其承受的外載荷（拉、壓、彎、扭）和剛度及臨界轉速條件來確定。因扭矩是泵軸的主要載荷，所以在原始設計時可按扭矩確認泵軸的最小直徑，并根據(jù)泵的具體運行工況和臨界轉速等因素對初步計算的軸徑適當調整、修改并圓整到標準直徑。

按照預熱水泵的基本設計參數(shù)，通過扭矩對泵軸的最小直徑進行如下計算：預熱水泵軸功率

P＝ρgQH／（1000·η）＝1000×9.8×（117.6÷3600）×110÷（1000×0.5）＝70kW，預熱水泵計算軸功率Pc＝1.2P＝1.2×70＝84kW，預熱水泵泵軸扭矩Mn＝9550Pc／n＝9550×84÷1450＝553N·m。預熱水泵泵軸材質為3Cr13，經(jīng)調質處理（熱處理）后要求材料的HB＝269～302、許用切應力［τ］ ＝53.9～68.7MPa，取預熱水泵泵軸材料許用切應力［τ］＝54MPa，則預熱水泵泵軸最小直徑d＝［Mn／（0.2·［τ］）］1／3＝［553÷（0.2×54×106）］1／3＝0.037m＝37mm。

原始設計中，預熱水泵軸徑為48mm，大于計算所得的最小直徑37mm，理論上可以滿足使用要求。但實際工況下通過計算可知預熱水泵泵軸的最大扭矩為724.6N·m、最大軸向力為1062N、最大彎矩為84.3N·m，加上運行中存在的其他不確定性因素，通過軸徑為48mm的軸帶動外徑為550mm的葉輪高速旋轉，當遇到泵發(fā)生汽蝕時，泵軸會因其直徑裕度偏小——剛度和抗彎曲強度局限而發(fā)生斷裂。

3.2.3 預熱水泵葉輪直徑過大

預熱水泵葉輪在電機高速驅動下旋轉，電機與葉輪之間的泵軸極易產(chǎn)生扭力矩，葉輪直徑越大，泵的輸出量越大，其產(chǎn)生的扭力矩也越大。當預熱水泵入口灰水中煤渣沉淀導致泵吸入量不足時，便會引發(fā)汽蝕，一旦泵發(fā)生汽蝕就會出現(xiàn)異響和振動，泵軸在較大的扭力矩下振動運行很容易發(fā)生斷裂。

4 技改措施

據(jù)以上分析可知，預熱水泵泵軸頻繁斷裂的原因不是泵軸材質方面的問題，而是預熱水泵設計選型與實際工況不符所致。找到癥結所在后，榆林能化會同預熱水泵生產(chǎn)廠家——江蘇雙達泵閥集團有限公司（簡稱江蘇雙達）對泵進行重新設計并計算后，對預熱水泵實施了如下技改。

4.1 提高泵入口管路的流速

據(jù)預熱水泵的特性曲線、電機額定電流、揚程及現(xiàn)場泵輸送的實際高度等情況，通過計算后確定將預熱水泵的揚程降低10m，同時將預熱水泵的流量由117.6m3／h提高到180m3／h。如此一來，預熱水泵入口流速由原來的0.46m／s提高至0.707m／s；預熱水泵入口流速提高后，進入預熱水泵入口的細渣便能隨預熱水一起進入泵內并被輸送出去，減少了預熱水泵入口細渣的沉積，泵吸入量不足的問題得到解決。

4.2 增大預熱水泵的軸徑

預熱水泵揚程降低、流量增大后，依據(jù)前述泵軸最小直徑的計算方法，經(jīng)計算預熱水泵泵軸最小直徑為41mm。為提高軸的抗扭強度，并防止管路堵塞或磨損造成的葉輪不平衡等異常狀況的產(chǎn)生，江蘇雙達對預熱水泵泵軸進行了改造——將預熱水泵軸徑由48mm增至60mm，同時對與原預熱水泵配套的泵蓋、機封、軸套、壓蓋也作了相應的改造，并將泵體懸架由原來的LK4更改為LK5。

4.3 縮小葉輪外徑

原始設計中，預熱水泵葉輪外徑為550mm，在額定轉速1450r／min的電機驅動下，由于葉輪直徑過大，極易產(chǎn)生較大的扭力矩，導致預熱水泵泵軸斷裂。為此，將葉輪外徑由550mm縮小至525mm，同時為了防止因入口流量的增加造成汽蝕余量的降低，江蘇雙達對預熱水泵葉輪入口葉片進行了優(yōu)化設計。

5 技改效果

5.1 運行參數(shù)的變化

2020年8月20日，其中1臺預熱水泵順利完成技改，回裝完畢后進行單體試運行，與技改前相比，其運行參數(shù)變化如下：預熱水泵流量由約117m3／h增至約177m3／h，揚程由110m降至100m，泵出口壓力由約1.1MPa降至約1.0 MPa，配套電機運行電流由155A增至160A。可以看出，與原始設計參數(shù)相比，雖然配套電機的運行電流上漲約5A，但預熱水泵的出口流量增加約60m3／h。

5.2 技改效果檢驗

2020年8月24日，氣化爐C常規(guī)檢修完畢并正常烘爐，在低溫區(qū)（800℃以下）預熱水泵的供水量約120m3／h，配套電機運行電流為115A，到達高溫區(qū)（800～1250℃）后，預熱水泵供水量約170m3／h，配套電機運行電流為155A，持續(xù)烘爐至2020年9月15日，氣化爐C正常投運。此期間內預熱水泵運行很平穩(wěn)，主要運行數(shù)據(jù)記錄見表3。

表3 氣化爐C烘爐時預熱水泵的主要運行數(shù)據(jù)

2020年9月30日，氣化爐A檢修完畢并開始烘爐，在低溫區(qū)（800℃以下）預熱水泵的供水量約105m3／h，配套電機運行電流為110A，到達高溫區(qū)（800～1250℃）后，預熱水泵的供水量約160m3／h，配套電機運行電流為150A，持續(xù)烘爐至2020年10月22日，氣化爐A正常投運。此期間內預熱水泵主要運行數(shù)據(jù)記錄見表4。

由表3、表4可以看出，技改后預熱水泵運行期間的流量和配套電機的運行電流均比較穩(wěn)定，泵體振值（軸向／水平／垂直）在許可范圍之內，預熱水泵的供水量也滿足烘爐要求。此外，2020年9月17日拆開預熱水泵入口管線檢查也未發(fā)現(xiàn)細渣沉積。

表4 氣化爐A烘爐時預熱水泵的主要運行數(shù)據(jù)

至此，可以確認本次預熱水泵技改取得了預期效果，不僅滿足了氣化爐烘爐時的預熱水供應需求，而且成功地解決了預熱水泵斷軸的問題。

6 結束語

榆林能化的生產(chǎn)實踐表明，預熱水泵在氣化爐正常運行期間雖然不起任何作用，但在氣化爐運行前的熱備時其運行狀況的好壞卻至關重要。氣化爐熱備期間，只有預熱水供應不間斷，才能保證氣化爐激冷環(huán)及下降管免受高溫熱蝕，繼而才能保證氣化爐的正常投運和長周期穩(wěn)定運行，可以說，預熱水泵在多元料漿氣化裝置的運行中是“小功能起大作用”。希望上述榆林能化氣化爐烘爐時預熱水泵頻繁斷軸問題的分析及解決措施（對預熱水泵實施技改），能為業(yè)內類似問題的處理提供一些參考與借鑒。