方雅欣 余鑫剛 王建業(yè) 楊國安

（1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；2.中國石油烏魯木齊石化分公司煉油廠）

近年來，隨著環(huán)保力度的不斷加大，漿液泵作為核心脫硫設(shè)備之一，在電力、石化行業(yè)有著舉足輕重的地位。 區(qū)別于清水泵，漿液泵能夠?qū)幸欢ò俜直鹊墓虘B(tài)顆粒的漿液進(jìn)行抽排［1］。某石化公司重油催化裝置煙氣脫硫循環(huán)漿液泵機(jī)組及管線存在強(qiáng)烈的振動問題。 其中，漿液泵機(jī)組由A、B兩泵并聯(lián)構(gòu)成， 作為煉油廠核心重催煙氣脫硫裝置的重要設(shè)備，泵體及葉輪采用具有良好抗腐蝕、 抗磨損性的Cr30A不銹鋼制成。 自2011年投產(chǎn)以來， 該漿液泵及其管線振動劇烈，嚴(yán)重超標(biāo)。 筆者依據(jù)現(xiàn)場振動分析和流場模擬結(jié)果提出了綜合解決方案。

1 漿液泵運(yùn)行存在的問題

某石化公司重油催化裝置煙氣脫硫循環(huán)漿液泵是兩端支撐式單級單吸徑向剖分式離心泵，其基本參數(shù)如下：

流量 1 500 m3/h

輸送介質(zhì) 漿液

介質(zhì)密度 980 kg/m3

介質(zhì)溫度 56 ℃

必需汽蝕余量 6 m

揚(yáng)程 106.7 m

效率 72%

入口壓力 0.1 MPa

出口壓力 1.2 MPa

葉輪直徑 830 mm

電機(jī)功率 800 kW

額定轉(zhuǎn)速 990 r/min

該漿液泵的運(yùn)行介質(zhì)為脫硫漿液，在介質(zhì)的長期沖刷作用下，其葉輪、耐磨板、殼體磨損嚴(yán)重，在檢修拆卸后發(fā)現(xiàn)存在葉輪表面汽蝕沖蝕嚴(yán)重、葉輪流道減薄的現(xiàn)象（圖1），機(jī)組效率嚴(yán)重下滑。耐磨板密封腔內(nèi)部臺階處，沖蝕深度達(dá)15 mm（總厚度25 mm）， 泵殼沖蝕造成表面分布大小不均的凹坑，最大直徑10 mm左右，出口流道處沖蝕深度最深達(dá)10 mm。

圖1 漿液泵配件受損情況

泵進(jìn)出口管線振動烈度過大，在對現(xiàn)場進(jìn)行振動分析之后，考慮到葉輪的過度汽蝕和流體長期偏離標(biāo)準(zhǔn)工況的湍流流動，判斷該設(shè)備振動問題使泵內(nèi)流體存在不穩(wěn)定的壓力波動［2］。圖2為管道支撐和振動測點(diǎn)圖，表1為測量振動數(shù)據(jù)，測量結(jié)果表明： 入口管道振動烈度水平方向最大為16.5 mm/s，垂直方向最大為14.1 mm/s，出口管道振動烈度水平方向最大為12.5 mm/s，垂直方向最大為11.2 mm/s， 泵體振動數(shù)據(jù)也超過了ISO 10816［3］所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，振動烈度嚴(yán)重超標(biāo)。 由現(xiàn)場拆檢情況可知，泵體內(nèi)部出現(xiàn)點(diǎn)形蜂窩坑狀損傷，運(yùn)行時產(chǎn)生“噼啪”的噪音，符合典型的汽蝕表征現(xiàn)象，初步判定汽蝕是運(yùn)行故障的主要原因［4］。

圖2 管道支撐及振動測點(diǎn)圖

表1 管道改造前測量振動數(shù)據(jù)

（續(xù)表1）

2 汽蝕機(jī)理及故障原因分析

2.1 汽蝕機(jī)理

汽蝕現(xiàn)象是指在離心泵進(jìn)口壓力小于該溫度下流體的汽化壓力時， 流體汽化形成小氣泡，當(dāng)氣泡流經(jīng)葉輪高壓區(qū)時潰滅導(dǎo)致局部壓力變小形成空穴，周圍液體快速涌向空穴中心，產(chǎn)生高頻高壓的撞擊使得葉輪及泵體形成大小深淺不一的點(diǎn)坑［5］。

泵內(nèi)汽蝕發(fā)生與否取決于兩個重要參數(shù)：有效汽蝕余量NPSHa和必需汽蝕余量NPSHr。其中有效汽蝕余量定義為單位質(zhì)量流體經(jīng)從管路入口至泵入口處超出飽和蒸汽壓的富裕能量［6］，計(jì)算表達(dá)式為：

式中 p1——吸入液面壓力，Pa；

pv——輸送溫度下液體的飽和蒸氣壓，Pa；

ρ——輸送液體密度，kg/m3；

Hg——幾何安裝高度，m；

hw——吸入管路損失。

由式（1）知，有效汽蝕余量與吸入壓力、吸入管道流動阻力、安裝高度有關(guān)。 且有效汽蝕余量越大，流體能量流經(jīng)吸入管路損失越少，離心泵越不容易發(fā)生汽蝕，由于流體從吸入管路入口流過葉輪時流速不斷增加， 壓力必然二次下降，通常將葉輪壓力最低處設(shè)為K， 把單位重量的液體從泵吸入口流至葉片進(jìn)口壓力最低處K點(diǎn)的壓力降，稱為必需汽蝕余量，其表達(dá)式為：

式中 v1——葉片進(jìn)口前絕對速度，m/s；

w1——葉片進(jìn)口前相對速度m/s；

λ——葉片進(jìn)口壓降系數(shù)。

由式（2）知，必需汽蝕余量與吸入室的結(jié)構(gòu)、液體在葉輪進(jìn)口處的流速等因素有關(guān)，且必需汽蝕余量越小，泵越不容易發(fā)生汽蝕。

為了更好地說明有效汽蝕余量NPSHa、 必需汽蝕余量NPSHr與泵內(nèi)汽蝕間的關(guān)系， 列出汽蝕余量與汽蝕區(qū)的關(guān)系（圖3）［7］。 由圖3可知，NPSHa＝NPSHr為發(fā)生汽蝕臨界界限， 若要提高泵的抗汽蝕性能一方面可以提高NPSHa， 一方面可以減小NPSHr。

圖3 汽蝕余量與汽蝕區(qū)關(guān)系

2.2 故障原因分析

已知漿液泵吸入液面壓力p1=0.2 MPa， 輸送介質(zhì)密度ρ=980 kg/m3， 輸送液體溫度為56 ℃，查表得輸送溫度下液體的飽和蒸氣壓pv=17 kPa，由廠家提供的參數(shù)知該漿液泵的必需汽蝕余量NPSHr=6 m， 若要滿足有效汽蝕余量比必需汽蝕余量大0.5 m以上，即NPSHa≥NPSHr+0.5 m［8］的要求，在忽略吸入管路損失的情況下，將以上參數(shù)代入式（1），可得漿液泵幾何安裝高度：

由現(xiàn)場實(shí)地勘察情況可知，漿液泵的幾何安裝高度滿足設(shè)計(jì)要求，故不做出調(diào)整。 結(jié)合現(xiàn)場拆檢及振動測試數(shù)據(jù)，引起振動的原因可能是漿液泵入口壓力過小及蝸殼內(nèi)壁粗糙度導(dǎo)致的汽蝕現(xiàn)象和管路布置不合理，因此在后續(xù)改造措施中對上述問題做出優(yōu)化。

3 振動優(yōu)化措施

3.1 漿液泵優(yōu)化措施

3.1.1 漿液泵入口改造

參考汽蝕機(jī)理，本次優(yōu)化首先對漿液泵在額定入口壓力（p=0.1 MPa）進(jìn)行全流場空化數(shù)值模擬校核與壓力分析，其結(jié)果如圖4a所示，分析認(rèn)為入口過濾器濾網(wǎng)目數(shù)偏高，使得過濾器壓降損失過大，考慮到漿液組分和現(xiàn)場實(shí)際情況，決定減小濾網(wǎng)目數(shù)以減小過濾器壓降損失，提高泵體入口壓力改善吸入情況［9］。 圖4b、c分別為該型離心泵在額定工況下加壓0.025 0、0.037 5 MPa的汽蝕云圖，從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，泵入口壓力升高之后，泵內(nèi)氣相分布明顯減少。 因此對泵前過濾器進(jìn)行改造，增大過濾器的孔徑，使得漿液流經(jīng)過濾器時阻力損失大幅降低， 相較改進(jìn)前，過濾器兩側(cè)壓差變小， 漿液泵入口壓力變大，汽蝕情況好轉(zhuǎn)，大幅改善了泵體吸入性能［10］。

圖4 離心泵氣體分布云圖

3.1.2 漿液泵蝸殼改造

對于蝸殼內(nèi)壁的改造，先前是通過在內(nèi)表面噴涂抗沖蝕材料， 但涂層表面粗糙且噴涂不均勻，部分區(qū)域高矮不一。 為驗(yàn)證蝸殼內(nèi)壁粗糙度對汽蝕的影響，設(shè)計(jì)了粗糙度從3.2～1 600 μm的8組數(shù)值模擬，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同蝸殼內(nèi)壁粗糙度下離心泵氣體分布云圖

分析圖5所示結(jié)果得出， 隨著蝸殼內(nèi)壁粗糙度不斷增大， 泵殼內(nèi)氣體分布區(qū)域不斷增大，在粗糙度大于100 μm后，泵內(nèi)氣體分布面積幾乎布滿整個葉輪區(qū)域，氣體密度也不斷增大，汽蝕現(xiàn)象越嚴(yán)重。 在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于氣泡數(shù)量的增多，致使泵殼內(nèi)不平衡低壓區(qū)激增，氣泡破裂時形成的沖擊坑也越來越多，直接導(dǎo)致泵內(nèi)粗糙度增加，又加重汽蝕現(xiàn)象，惡性循環(huán)使得離心泵不斷偏離安全運(yùn)行工況。 故在二次改造時，蝸殼采用其他表面強(qiáng)化措施使得表面光潔度提高、內(nèi)壁粗糙度減小，水力損失大幅降低，汽蝕區(qū)域明顯減小。

3.2 漿液泵管路優(yōu)化措施

3.2.1 入口管線改造

為了降低漿液泵的管道振動，對入口管道進(jìn)行如圖6所示的調(diào)整。 在塔底豎直管段下彎頭處設(shè)置一段較粗的橫管，該橫管能對入口管道內(nèi)的流體激振起到緩沖作用；在橫管側(cè)面分別焊接向下傾斜5°和向下傾斜8°的A泵和B泵入口管道，利于氣體的回流；石油化工金屬管道布置設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定， 當(dāng)管道輸送含有固體介質(zhì)或漿液時，水平管段上的偏心異徑管應(yīng)底平安裝，因此本次改造將原有入口管道的同心異徑管更換為偏心異徑管； 石油化工金屬管道布置設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，對于水平吸入的離心泵， 當(dāng)進(jìn)口管有變徑時，偏心異徑管與泵的進(jìn)口間宜設(shè)置一段直管段［11］，因此本次改造在原來的偏心異徑管后增加一段直管段然后進(jìn)泵。

圖6 入口管道改造前后對比

3.2.2 出口管線改造

出口管道的改造如圖7所示。 將貼于地面布置的水平管段整體抬高并將泵的兩出口管道直接以45°水平斜接入該水平管道，消除管道的下U形結(jié)構(gòu)， 防止氣體在下U形結(jié)構(gòu)的上部產(chǎn)生積聚。 由于出口管道配管方式發(fā)生改變，因此需要為管道重新設(shè)置支撐，所有支撐的位置如圖7b所示。

圖7 出口管道改造前后對比

4 整改效果

為了檢驗(yàn)改造效果， 重新測量了改造后的出、入口管道振動測點(diǎn)，測量結(jié)果見表2。 由圖8可見，改造后管道水平、垂直方向振動明顯減小。 整改后機(jī)組開機(jī)運(yùn)行，減振效果明顯，達(dá)到廠方要求，且至今運(yùn)行良好。

圖8 管道改造前后振動數(shù)據(jù)對比

表2 管道改造后測量振動數(shù)據(jù)

（續(xù)表2）

5 結(jié)束語

結(jié)合現(xiàn)場拆檢和振動測試診斷可知，造成某石化公司重油催化裝置煙氣脫硫循環(huán)漿液泵振動的原因?yàn)闈{液泵汽蝕和管道布置不合理。 通過增大該漿液泵泵前過濾器孔徑、提高蝸殼內(nèi)表面平整度、 對進(jìn)出口管路及管線布局進(jìn)行改進(jìn)，有效抑制了漿液泵管道的噪音與振動，該設(shè)備至今運(yùn)行良好，這次改進(jìn)不僅解決了石化現(xiàn)場存在的問題，而且對于解決其他同類漿液泵機(jī)組振動較大問題也有著重要的指導(dǎo)作用。