萬 濤，麥篤志（中海石油化學(xué)股份有限公司，海南東方 572600）

雜醇油泵運(yùn)行故障分析及處理

萬 濤，麥篤志
（中海石油化學(xué)股份有限公司，海南東方 572600）

結(jié)合雜醇油泵在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，合理進(jìn)行故障原因分析研究，提出對雜醇油泵機(jī)械密封輔助系統(tǒng)進(jìn)行改良的建議，為同類甲醇裝置雜醇油泵檢修提供借鑒。

雜醇油泵；過載；旋轉(zhuǎn)噴射泵；沖洗方案；機(jī)械密封輔助系統(tǒng)

1 前言

中海石油化學(xué)股份有限公司年產(chǎn)80萬t甲醇裝置于2010 年10月建成并投產(chǎn)，該裝置是由Davy Process Technolog Limited（DPT）設(shè)計的，采用天然氣作原料，采用DPT改良低壓甲醇（ILPM）技術(shù)，利用DPT CRG（預(yù)轉(zhuǎn)化爐）和傳統(tǒng)蒸汽轉(zhuǎn)化爐生產(chǎn)合成氣；工藝采用裝有Johnson Matthey催化劑的DPT蒸汽發(fā)生反應(yīng)器進(jìn)行甲醇合成反應(yīng)，日產(chǎn)2 500t精甲醇。產(chǎn)品符合美國聯(lián)邦0-M-232K的AA 等級和中國GB338—2004標(biāo)準(zhǔn)?；A(chǔ)設(shè)計和詳細(xì)工程設(shè)計由成達(dá)設(shè)計院負(fù)責(zé)。其規(guī)模和技術(shù)均處于當(dāng)今國際先進(jìn)水平。

具備廢料回收能力是80萬t/a甲醇裝置的主要技術(shù)特點之一：甲醇合成精餾工序的工藝含醇水送去飽和塔飽和原料天然氣，同時含有微量甲醇、乙醇、丁醇的雜醇油也被送入飽和塔中進(jìn)行回收，既回收甲醇和高沸點物，又消除工藝廢水外排放。生產(chǎn)工藝采用旋轉(zhuǎn)噴射泵作為雜醇油泵針對雜醇油介質(zhì)進(jìn)行輸送，作為廢料回收工藝的核心設(shè)備，其對于成品甲醇質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用，為此我們針對該泵在日常運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)的故障進(jìn)行研究分析。

2 設(shè)備概況

2.1 結(jié)構(gòu)

80萬t/a甲醇裝置雜醇油泵由四川省機(jī)械研究設(shè)計院提供，型號為CJRPA（T）-07S-MB1型旋轉(zhuǎn)噴射泵。泵為電機(jī)驅(qū)動，型號為YBPT160L-2變頻電動機(jī)，由變頻電機(jī)直聯(lián)增速，泵與電機(jī)之間采用膜片式彈性聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)。泵由主軸、主軸箱、滾動軸承及過流部件、吸入室（泵進(jìn)、出口法蘭）、葉輪、集流管和轉(zhuǎn)子腔組成，在葉輪入口與吸入室之間設(shè)有機(jī)械密封，機(jī)械密封采用出口介質(zhì)冷卻后沖洗密封端面進(jìn)行冷卻降溫以及潤滑，軸承箱設(shè)置有循環(huán)冷卻水夾套進(jìn)行冷卻（見圖1）。主要特征參數(shù)如表1所示。

表1 旋轉(zhuǎn)噴射泵性能參數(shù)

2.2 特點

由此處工藝參數(shù)可知雜醇油介質(zhì)的輸送需要使用小流量高揚(yáng)程泵作為雜醇油泵。常用小流量高揚(yáng)程泵除旋轉(zhuǎn)噴射泵外還有多級泵、高速泵、齒輪泵、柱塞泵等。相比旋轉(zhuǎn)噴射泵，多級泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拆裝技術(shù)難度大、維修周期長，故障率高，檢修頻繁；高速泵轉(zhuǎn)速太高（一般 10 000r/min以上），效率低，且在運(yùn)行中需要強(qiáng)制潤滑、冷卻，裝置復(fù)雜，裝拆檢修難度非常大；齒輪泵、柱塞泵等小流量高揚(yáng)程泵輸出壓力有脈動，且組裝要求高，不便于維護(hù)和檢修，僅適用于輸送不含顆粒、腐蝕性不強(qiáng)、溫度不高的介質(zhì)。

圖1 旋轉(zhuǎn)噴射泵裝配圖

選用旋轉(zhuǎn)噴射泵用于此處工藝，相比上述其他同功能泵具備以下特點：

（1）單級葉輪，零部件構(gòu)成少，結(jié)構(gòu)簡單可靠，便于拆裝維護(hù)，使用更經(jīng)濟(jì)。

（2）機(jī)械密封設(shè)在泵入口處，壓力低，容易實現(xiàn)密封，且機(jī)械密封壽命長，更換容易，只需拆下進(jìn)（出）口法蘭即可。

（3）主軸不接觸介質(zhì)，不用考慮主軸的耐蝕問題，也不必?fù)?dān)心有介質(zhì)進(jìn)入軸承。

（4）旋轉(zhuǎn)噴射泵的結(jié)構(gòu)（見圖2）決定了其沒有圓盤摩擦損失，而且轉(zhuǎn)子幾乎不產(chǎn)生軸向力。

圖2 CJRPA（T）系列旋轉(zhuǎn)噴射泵Q-H曲線

（5）液體流出葉輪后進(jìn)入轉(zhuǎn)子腔，在轉(zhuǎn)子腔中具有一個穩(wěn)定的過程，避免了低比轉(zhuǎn)速離心泵Q—H曲線的駝峰現(xiàn)象；另外從旋噴泵的性能曲線（見圖2 CJRPA（T）-07S）上可以看到，它可以在從零流量到設(shè)計流量范圍內(nèi)任一流量點都可以穩(wěn)定運(yùn)行。而多級泵和高速泵只能運(yùn)行在設(shè)計參數(shù)點周圍的工況，就是流量小于或大于設(shè)計點太多都無法穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 原理

電機(jī)驅(qū)動主軸帶動轉(zhuǎn)子腔旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子腔中間的集流管靜止不動。在集流管的頂端，沿轉(zhuǎn)子腔的切線方向有一開口，即集流管入口。如圖1所示，箭頭標(biāo)明了泵內(nèi)流體的運(yùn)動方向，流體經(jīng)吸入室流入隨轉(zhuǎn)子腔旋轉(zhuǎn)的葉輪進(jìn)入轉(zhuǎn)子腔，再進(jìn)入集流管入口，集流管收集轉(zhuǎn)子腔中的高動能液體，將液體動能轉(zhuǎn)換為壓能輸出。

2.4 工藝

來自精餾界區(qū)預(yù)精餾塔（D232）塔底出來的液體含有甲醇、水和其它重組分雜質(zhì)的預(yù)餾后甲醇通過預(yù)精餾塔塔底甲醇泵（J432A/B）送到精餾塔（D233）中，甲醇蒸汽在精餾塔頂部冷凝，一部分作為回流，其余的作為采出甲醇送中間產(chǎn)品罐（G152A/ B），部分回流甲醇、水與重組分雜質(zhì)混合形成雜醇油沉積在底層塔盤，經(jīng)雜醇油泵（J434A/B）升壓至4.18MPa送入飽和塔（D201），飽和塔對雜醇油中的甲醇進(jìn)行回收，其工藝流程簡圖如圖3所示：

圖3 旋轉(zhuǎn)噴射泵J434工藝流程圖

3 故障現(xiàn)象

2016年11月1日，工藝操作人員在對雜醇油泵進(jìn)行倒泵操作（由J434A泵倒J434B泵運(yùn)行）時，發(fā)現(xiàn)變頻電機(jī)啟動電流驟然升高至39A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常運(yùn)行電流19A，并且啟動時長8min之久也未見電流下降，與此同時變頻電機(jī)直聯(lián)升速失敗，在這8min之內(nèi)電機(jī)一直處在428r/min低速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，遂停泵進(jìn)行盤車檢查，但未發(fā)現(xiàn)有明顯異常，10min之后再次啟動情況依然如此，為此判斷該泵出現(xiàn)故障，操作工立停止倒泵作業(yè)重新投J434A泵運(yùn)行，將J434B泵送至檢修。主控現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)如下：圖4為J434B故障啟動電流曲線，圖5正常啟動電流曲線，圖6為故障啟動轉(zhuǎn)速曲線，圖7為正常啟動轉(zhuǎn)速曲線，圖8為電機(jī)啟動電流-轉(zhuǎn)速曲線。

圖4 故障啟動電流曲線

圖5 正常啟動電流曲線

圖6 故障啟動轉(zhuǎn)速曲線

圖7 正常啟動轉(zhuǎn)速曲線

圖8 J434B啟動轉(zhuǎn)速-電流曲線

4 原因分析

根據(jù)轉(zhuǎn)速-電流曲線初步判定為電機(jī)過載導(dǎo)致泵啟動失敗，由此為切入點，我們從現(xiàn)場操作原因、電機(jī)故障、旋轉(zhuǎn)噴射泵自身故障三個方面進(jìn)行逐一排查：

1）現(xiàn)場操作原因：泵啟動時沒有關(guān)閉出口閘閥，按照正常操作，應(yīng)先將出口閘閥關(guān)閉（或者開度很?。?，然后啟動泵，待泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)后再緩慢打開閘閥，如果啟動時不關(guān)閉出口閘閥或者開度很大，電機(jī)的啟動負(fù)荷就會增大很多，從而導(dǎo)致啟動電流過高，引起過載現(xiàn)象發(fā)生。

排查：現(xiàn)場操作方面操作工確認(rèn)按照倒泵操作規(guī)程進(jìn)行，排除現(xiàn)場操作原因。

2）電機(jī)原因：缺相、電壓超出允許值等電氣原因使電機(jī)啟動電流很大；電機(jī)軸承磨損，轉(zhuǎn)動不靈活導(dǎo)致摩擦等機(jī)械故障都會導(dǎo)致電機(jī)過載。

排查：在啟動前對泵進(jìn)行盤車，盤車略微緊，但無明顯卡澀，出現(xiàn)故障后將泵與電機(jī)聯(lián)軸節(jié)斷開。針對電機(jī)進(jìn)行單試檢測，檢測結(jié)果變頻電機(jī)手動盤車、升速、電流、轉(zhuǎn)速、溫度等各項指標(biāo)均無異?，F(xiàn)象，為此排除電機(jī)故障可能。

3）泵自身原因：轉(zhuǎn)子軸彎曲在回轉(zhuǎn)過程中使得轉(zhuǎn)子腔、葉輪等轉(zhuǎn)動部件與泵殼發(fā)生摩擦；泵軸承磨損或損壞，機(jī)械密封動、靜環(huán)密封端面磨損，轉(zhuǎn)動摩擦大；電機(jī)與泵軸對中不良等導(dǎo)致電機(jī)啟動運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷過大。

排查：針對旋噴泵進(jìn)行盤車檢查，發(fā)現(xiàn)盤車略緊，盤車過程中無卡澀及異響發(fā)生，將軸承箱內(nèi)潤滑油排盡，觀察潤滑油潔凈無雜質(zhì)，初步排除軸承問題，為此對機(jī)泵進(jìn)行復(fù)查對中結(jié)果見圖9。

圖9 復(fù)查對中數(shù)據(jù)（泵→電機(jī)）

經(jīng)檢查對中數(shù)據(jù)良好，排除對中不良原因造成的電機(jī)過載；

因此旋轉(zhuǎn)噴射泵被送至檢修車間進(jìn)行解體全面檢查，依次拆下泵頭、機(jī)械密封、泵端蓋、葉輪、轉(zhuǎn)子腔、泵軸、軸承等零部件。在拆下機(jī)械密封后，轉(zhuǎn)子盤車緊的現(xiàn)象得到了改善，檢查機(jī)械密封發(fā)現(xiàn)：機(jī)械密封動、靜密封端面及密封腔體內(nèi)被黑色粘稠物質(zhì)覆蓋，動環(huán)密封面有環(huán)裝溝紋，靜環(huán)彈性補(bǔ)償卡澀（見圖10）。檢查泵軸、葉輪、軸承、轉(zhuǎn)子腔、集流管均未發(fā)現(xiàn)異常。

根據(jù)以上一系列分析檢查，可以初步確認(rèn)雜醇油泵機(jī)械密封出現(xiàn)異常導(dǎo)致泵啟動時電機(jī)電流值高，引起電機(jī)過載現(xiàn)象的發(fā)生。

圖10 機(jī)械密封故障情況

繼續(xù)針對雜醇油泵機(jī)械密封出現(xiàn)的異常現(xiàn)象展開原因分析：

4.1 雜醇油泵機(jī)械密封系統(tǒng)簡介

80萬t/a甲醇裝置雜醇油泵機(jī)械密采用CHR-85集裝式單端面內(nèi)流式（介質(zhì)泄漏方向與離心力方向相反）機(jī)械密封，其靜環(huán)作為補(bǔ)償環(huán)，動環(huán)材質(zhì)為碳化硅（SiC），靜環(huán)材質(zhì)為石墨（EK2201），輔助O型圈采用丁腈橡膠（NBR），其余材質(zhì)均為不銹鋼，如圖11所示。

圖11 CHR-85機(jī)械密封裝配圖

雜醇油泵的結(jié)構(gòu)決定了泵的出口不存在介質(zhì)泄漏問題，因此機(jī)械密封設(shè)置在泵的入口處，針對入口介質(zhì)進(jìn)行密封，具有壓力低，容易實現(xiàn)密封的特點。

雜醇油泵機(jī)械密封的輔助系統(tǒng)采用了正向自沖洗結(jié)構(gòu)（API610 PLAN21方案 見圖12）即沖洗介質(zhì)由泵的出口端通過接管經(jīng)冷卻器引入密封腔，依靠泵本身產(chǎn)生的壓差使沖洗介質(zhì)通過密封腔形成閉合回路，對密封面進(jìn)行冷卻、潤滑并保持密封腔壓力始終高于飽和蒸氣壓，使腔體內(nèi)介質(zhì)不汽化，同時減少介質(zhì)結(jié)焦。沖洗后介質(zhì)直接進(jìn)入泵的入口跟入口介質(zhì)混合。

圖12 API610 PLAN21沖洗方案

4.2 機(jī)械密封異常原因分析

結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)工藝情況綜合分析，雜醇油泵輸送雜醇油介質(zhì)中除含有甲醇、乙醇、丁醇及其他高級醇外，還含有少量高級烴、石蠟等雜質(zhì)。泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，雜質(zhì)易在機(jī)封冷卻器內(nèi)堆積堵塞介質(zhì)流通管道，造成機(jī)封沖洗量不足，不足以帶走機(jī)械密封動、靜密封端面間因摩擦產(chǎn)生的高溫，使得此處介質(zhì)中的少量的高級烴等有機(jī)化合物在受熱的情況下發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致分子鏈斷裂或發(fā)生交聯(lián)使烴類化合物粘度增加，顏色改變，石蠟也在高溫環(huán)境下發(fā)生結(jié)焦，與烴類化合物形成混合油泥。其危害有以下兩點：

（1）機(jī)泵經(jīng)長時間運(yùn)轉(zhuǎn)，油泥在沖洗介質(zhì)流動緩慢的地方（如機(jī)械密封彈簧腔，密封腔體內(nèi)壁，沖洗孔兩側(cè)位置）不斷積聚，最終導(dǎo)致彈性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈簧間隙堵塞，補(bǔ)償密封環(huán)（靜環(huán)）不能正常浮動，泵在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，使得兩密封端面間不能形成穩(wěn)定液膜，而發(fā)生干摩擦或半干摩擦。由此長時間運(yùn)轉(zhuǎn)將導(dǎo)致作為軟環(huán)的石墨環(huán)承磨臺被磨掉，動環(huán)表面也出現(xiàn)較深的環(huán)狀溝紋（見圖13）。一般情況下，密封面表面較為光潔，如果彈性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)還能補(bǔ)償，那么動靜環(huán)還處于貼合狀態(tài)，隨著磨損增加，彈簧力減小，端面比壓則大大減小，泄漏量增大。當(dāng)石墨環(huán)磨損到彈簧不能補(bǔ)償時，機(jī)械密封的密封性喪失。

圖13 石墨環(huán)承磨臺被磨掉

（2）當(dāng)泵運(yùn)轉(zhuǎn)一段時間后，作為備機(jī)而處于停運(yùn)備用狀態(tài)時，密封腔內(nèi)長時間運(yùn)轉(zhuǎn)聚集的混合油泥由于溫度降低，逐漸發(fā)生凝結(jié)，使兩密封端面間被凝結(jié)的油泥粘合（見圖14），而且靜環(huán)座與隨轉(zhuǎn)子一同轉(zhuǎn)動的泵吸入套之間的間隙也被凝結(jié)的油泥所堵塞。因此轉(zhuǎn)子盤車時摩擦阻力大引起轉(zhuǎn)子盤車緊，泵在啟動時，阻力大，變頻電機(jī)啟動負(fù)荷增加，最終也就出現(xiàn)了泵啟動后，電機(jī)低轉(zhuǎn)速高電流運(yùn)行的過載現(xiàn)象發(fā)生。

圖14 靜環(huán)端面凝結(jié)油泥

5 處理措施

為避免現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備長時間處于無備機(jī)運(yùn)行的高危狀態(tài)，本次檢修在發(fā)現(xiàn)故障根源后，便立即對雜醇油泵機(jī)械密封進(jìn)行了更換，并對輔助系統(tǒng)管道進(jìn)行沖洗。檢修完畢后雜醇油泵試車情況完全符合工藝、機(jī)械要求，運(yùn)行工況穩(wěn)定，證實機(jī)械密封故障為雜醇油泵啟動失敗的根本原因。

6 改進(jìn)建議

根據(jù)以上一系列分析，針對雜醇油泵出現(xiàn)的此類故障，只有通過改善機(jī)械密封的工作條件，消除雜質(zhì)在密封腔內(nèi)形成的聚合，達(dá)到?jīng)_洗液對機(jī)械密封進(jìn)行沖洗、冷卻和潤滑的效果，才能延長機(jī)械密封的運(yùn)轉(zhuǎn)周期，降低機(jī)泵故障率。為此提出下列建議：

1）泵啟動前先使用蒸汽對泵體機(jī)械密封處進(jìn)行吹掃加熱，使內(nèi)部凝結(jié)油泥融化，降低摩擦阻力，確保泵在較長時間停泵后能順利啟動。

2）如具備條件可將雜醇油泵機(jī)械密封輔助系統(tǒng)API610 PLAN21沖洗方案更改為API610 PLAN41沖洗方案，從根源上消除存在問題，起到“治標(biāo)更治本”的作用。

API610 PLAN41密封沖洗原理及特點：

經(jīng)由泵出口引出的機(jī)封沖洗液先通過旋液分離器，含雜質(zhì)的沖洗介質(zhì)沿分離器的切線方向進(jìn)入，以一定的速度沿分離器旋轉(zhuǎn)，利用介質(zhì)中雜質(zhì)與輸送介質(zhì)的比重差，潔凈的液體從分離器頂部流出，繼續(xù)經(jīng)由冷卻器降溫，去沖洗密封；含有雜質(zhì)的液體從分離器底部流回泵的入口。（見圖15）

其相比API610 PLAN21沖洗方案的主要優(yōu)點有：從沖洗液和密封腔祛除易沉積雜質(zhì)，消除了輔助系統(tǒng)管線因雜質(zhì)沉積而降低沖洗液換熱效率及沖洗量不足的不良因素，避免密封腔內(nèi)介質(zhì)出現(xiàn)聚合結(jié)焦現(xiàn)象，改善機(jī)械密封冷卻、潤滑條件，延長使用壽命。

7 結(jié)束語

機(jī)械密封輔助系統(tǒng)的作用在于：通過沖洗、冷卻、過濾、分離等方式，實現(xiàn)對機(jī)械密封的潤滑、冷卻或調(diào)溫、沖洗、凈化稀釋和沖掉泄漏介質(zhì)，改善密封的工作環(huán)境。因此正確合理地選用機(jī)械密封輔助系統(tǒng)，不僅對機(jī)械密封的穩(wěn)定性、延長泵的使用壽命都有重要意義，而且對于安全生產(chǎn)以及對減少漏損、減少維修工作量和降低生產(chǎn)成本等都有重要影響。

Analysis and Treatment of Faults of Fusel Oil Pump

Wan Tao，Mai Du-zhi

The article combined with the fusel oil pump of the running in the fault phenomena，reasonable analysis of the cause of the problem.The article puts forward suggestion for the improvement of the Fusel oil pump mechanical seal auxiliary system，and provides reference for the overhaul of the same kind of methanol device fusel oil pump.

fusel oil pump；overload；Rotary jet pump；Flushing plan；The auxiliary system of mechanical seal

TE974.1

A

：1003-6490（2016）12-0004-04

2016-11-15

萬濤（1993—），男，四川南充人，化工檢修鉗工高級工，主要從事化工機(jī)械維護(hù)檢修作業(yè)。