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氣化爐烘爐時(shí)預(yù)熱水泵頻繁斷軸原因分析及解決

2021-12-24 02:49王小軍高俊榮
中氮肥 2021年4期
關(guān)鍵詞:軸徑榆林氣化爐

王小軍,高俊榮

(陜西延長(zhǎng)中煤榆林能源化工有限公司,陜西榆林 718500)

1 概 述

陜西延長(zhǎng)中煤榆林能源化工有限公司(簡(jiǎn)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(tái)氣化爐(兩開一備,設(shè)計(jì)工作壓力6.5MPa、工作溫度1320℃),預(yù)熱水泵設(shè)計(jì)為2臺(tái)(A/B,一開一備)。

氣化爐原始開車和正常停車檢修后烘爐時(shí),為防止激冷環(huán)遭受高溫?zé)嵛g,需用預(yù)熱水泵供應(yīng)預(yù)熱水對(duì)激冷環(huán)進(jìn)行保護(hù)。預(yù)熱水工藝流程為:渣池中的水通過預(yù)熱水泵輸送到激冷水管線并進(jìn)入激冷環(huán)中形成水膜 (以保護(hù)激冷環(huán)及下降管),激冷水沿下降管下降后進(jìn)入激冷室,經(jīng)激冷室進(jìn)入鎖斗,最后進(jìn)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(yù)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(shí)預(yù)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(yù)熱水泵A輸送預(yù)熱水,當(dāng)爐溫升至876℃時(shí),預(yù)熱水泵A出現(xiàn)斷軸,當(dāng)時(shí)操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并聯(lián)系現(xiàn)場(chǎng)人員啟動(dòng)預(yù)熱水泵B供應(yīng)預(yù)熱水,但當(dāng)爐溫升至1189℃時(shí)預(yù)熱水泵B(運(yùn)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(yù)熱水泵斷軸后10min內(nèi)支撐板溫度上升情況如圖1。

圖1 斷軸后10min內(nèi)支撐板溫度上升情況

對(duì)投運(yùn)以來氣化爐烘爐時(shí)預(yù)熱水泵斷軸情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì):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(yù)熱水泵電流及輸送量均會(huì)出現(xiàn)波動(dòng),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(jì)算得泵軸斷裂處的截面積為0.0011m2。

預(yù)熱水泵頻繁斷軸,不僅影響氣化爐烘爐的順利進(jìn)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(shí),預(yù)熱水泵斷軸而致的預(yù)熱水供應(yīng)中斷對(duì)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(shí),預(yù)熱水泵斷軸后,預(yù)熱水供應(yīng)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?zé)嵛g,其金屬材料性能受到影響,這對(duì)激冷環(huán)及下降管具有很大的損傷。因此,解決預(yù)熱水泵斷軸問題至關(guān)重要。

3 原因分析

3.1 泵軸材質(zhì)

3.1.1 泵軸材料成分分析

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

表1 預(yù)熱水泵泵軸材料化學(xué)成分分析數(shù)據(jù)%

3.1.2 泵軸材料力學(xué)性能分析

預(yù)熱水泵泵軸材質(zhì)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(qiáng)度。對(duì)預(yù)熱水泵泵軸斷裂位置進(jìn)行取樣分析,其力學(xué)性能分析結(jié)果見表2??梢钥闯?,預(yù)熱水泵泵軸材料的力學(xué)性能符合國標(biāo)要求,再次判定泵軸材質(zhì)不是造成其斷軸的原因。

表2 預(yù)熱水泵泵軸材料力學(xué)性能分析數(shù)據(jù)

3.2 預(yù)熱水泵在實(shí)際運(yùn)行工況下的性能

預(yù)熱水泵基本設(shè)計(jì)參數(shù)為:葉輪外徑550mm,流量(Q)117.6m3/h,揚(yáng)程(H)110m;配套電機(jī)功率110kW,滿載電流196.8A,正常運(yùn)行電流155A,電機(jī)額定轉(zhuǎn)速(n)1450r/min。預(yù)熱水泵在理論設(shè)計(jì)計(jì)算中是可以滿足運(yùn)行要求的,但是實(shí)際運(yùn)行中不能滿足工藝要求,其原因分析具體如下。

3.2.1 預(yù)熱水泵吸入口流量偏低

預(yù)熱水泵吸入口管徑為DN300、出口管徑為DN200,在正常運(yùn)行達(dá)到設(shè)計(jì)流量117.6m3/h時(shí),其入口流速僅為0.46m/s;當(dāng)氣化爐溫度升至800℃以上時(shí),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(yù)熱水進(jìn)入渣池中,在預(yù)熱水泵的抽吸下部分渣粒被吸入到入口處,在預(yù)熱水泵入口的低流速下,介質(zhì)中的煤渣極易沉淀,時(shí)間久了便對(duì)入口管路形成堵塞,預(yù)熱水泵會(huì)因吸入量不足而發(fā)生汽蝕,若泵在汽蝕狀態(tài)下運(yùn)行而巡檢人員未能發(fā)現(xiàn)并處理的話,預(yù)熱水泵就會(huì)因持續(xù)的振動(dòng)等而發(fā)生軸斷裂。

3.2.2 預(yù)熱水泵軸徑偏小

預(yù)熱水泵軸徑應(yīng)按其承受的外載荷(拉、壓、彎、扭)和剛度及臨界轉(zhuǎn)速條件來確定。因扭矩是泵軸的主要載荷,所以在原始設(shè)計(jì)時(shí)可按扭矩確認(rèn)泵軸的最小直徑,并根據(jù)泵的具體運(yùn)行工況和臨界轉(zhuǎn)速等因素對(duì)初步計(jì)算的軸徑適當(dāng)調(diào)整、修改并圓整到標(biāo)準(zhǔn)直徑。

按照預(yù)熱水泵的基本設(shè)計(jì)參數(shù),通過扭矩對(duì)泵軸的最小直徑進(jìn)行如下計(jì)算:預(yù)熱水泵軸功率

P=ρgQH/(1000·η)=1000×9.8×(117.6÷3600)×110÷(1000×0.5)=70kW,預(yù)熱水泵計(jì)算軸功率Pc=1.2P=1.2×70=84kW,預(yù)熱水泵泵軸扭矩Mn=9550Pc/n=9550×84÷1450=553N·m。預(yù)熱水泵泵軸材質(zhì)為3Cr13,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理(熱處理)后要求材料的HB=269~302、許用切應(yīng)力[τ] =53.9~68.7MPa,取預(yù)熱水泵泵軸材料許用切應(yīng)力[τ]=54MPa,則預(yù)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(shè)計(jì)中,預(yù)熱水泵軸徑為48mm,大于計(jì)算所得的最小直徑37mm,理論上可以滿足使用要求。但實(shí)際工況下通過計(jì)算可知預(yù)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(yùn)行中存在的其他不確定性因素,通過軸徑為48mm的軸帶動(dòng)外徑為550mm的葉輪高速旋轉(zhuǎn),當(dāng)遇到泵發(fā)生汽蝕時(shí),泵軸會(huì)因其直徑裕度偏小——?jiǎng)偠群涂箯澢鷱?qiáng)度局限而發(fā)生斷裂。

3.2.3 預(yù)熱水泵葉輪直徑過大

預(yù)熱水泵葉輪在電機(jī)高速驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn),電機(jī)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(dāng)預(yù)熱水泵入口灰水中煤渣沉淀導(dǎo)致泵吸入量不足時(shí),便會(huì)引發(fā)汽蝕,一旦泵發(fā)生汽蝕就會(huì)出現(xiàn)異響和振動(dòng),泵軸在較大的扭力矩下振動(dòng)運(yùn)行很容易發(fā)生斷裂。

4 技改措施

據(jù)以上分析可知,預(yù)熱水泵泵軸頻繁斷裂的原因不是泵軸材質(zhì)方面的問題,而是預(yù)熱水泵設(shè)計(jì)選型與實(shí)際工況不符所致。找到癥結(jié)所在后,榆林能化會(huì)同預(yù)熱水泵生產(chǎn)廠家——江蘇雙達(dá)泵閥集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱江蘇雙達(dá))對(duì)泵進(jìn)行重新設(shè)計(jì)并計(jì)算后,對(duì)預(yù)熱水泵實(shí)施了如下技改。

4.1 提高泵入口管路的流速

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

4.2 增大預(yù)熱水泵的軸徑

預(yù)熱水泵揚(yáng)程降低、流量增大后,依據(jù)前述泵軸最小直徑的計(jì)算方法,經(jīng)計(jì)算預(yù)熱水泵泵軸最小直徑為41mm。為提高軸的抗扭強(qiáng)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(dá)對(duì)預(yù)熱水泵泵軸進(jìn)行了改造——將預(yù)熱水泵軸徑由48mm增至60mm,同時(shí)對(duì)與原預(yù)熱水泵配套的泵蓋、機(jī)封、軸套、壓蓋也作了相應(yīng)的改造,并將泵體懸架由原來的LK4更改為L(zhǎng)K5。

4.3 縮小葉輪外徑

原始設(shè)計(jì)中,預(yù)熱水泵葉輪外徑為550mm,在額定轉(zhuǎn)速1450r/min的電機(jī)驅(qū)動(dòng)下,由于葉輪直徑過大,極易產(chǎn)生較大的扭力矩,導(dǎo)致預(yù)熱水泵泵軸斷裂。為此,將葉輪外徑由550mm縮小至525mm,同時(shí)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(dá)對(duì)預(yù)熱水泵葉輪入口葉片進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5 技改效果

5.1 運(yùn)行參數(shù)的變化

2020年8月20日,其中1臺(tái)預(yù)熱水泵順利完成技改,回裝完畢后進(jìn)行單體試運(yùn)行,與技改前相比,其運(yùn)行參數(shù)變化如下:預(yù)熱水泵流量由約117m3/h增至約177m3/h,揚(yáng)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(jī)運(yùn)行電流由155A增至160A。可以看出,與原始設(shè)計(jì)參數(shù)相比,雖然配套電機(jī)的運(yùn)行電流上漲約5A,但預(yù)熱水泵的出口流量增加約60m3/h。

5.2 技改效果檢驗(yàn)

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(yù)熱水泵的供水量約120m3/h,配套電機(jī)運(yùn)行電流為115A,到達(dá)高溫區(qū)(800~1250℃)后,預(yù)熱水泵供水量約170m3/h,配套電機(jī)運(yùn)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(yùn)。此期間內(nèi)預(yù)熱水泵運(yùn)行很平穩(wěn),主要運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄見表3。

表3 氣化爐C烘爐時(shí)預(yù)熱水泵的主要運(yùn)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(yù)熱水泵的供水量約105m3/h,配套電機(jī)運(yùn)行電流為110A,到達(dá)高溫區(qū)(800~1250℃)后,預(yù)熱水泵的供水量約160m3/h,配套電機(jī)運(yùn)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(yùn)。此期間內(nèi)預(yù)熱水泵主要運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄見表4。

由表3、表4可以看出,技改后預(yù)熱水泵運(yùn)行期間的流量和配套電機(jī)的運(yùn)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(nèi),預(yù)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(yù)熱水泵入口管線檢查也未發(fā)現(xiàn)細(xì)渣沉積。

表4 氣化爐A烘爐時(shí)預(yù)熱水泵的主要運(yùn)行數(shù)據(jù)

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

6 結(jié)束語

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

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