魏旭東，石國(guó)乾，李貴新，姜海礁

（1.中國(guó)石油大慶油田試油測(cè)試公司，松原市138000）

（2.中國(guó)石油吉林石化分公司煉油廠(chǎng)，吉林市 132022）

（3.中國(guó)石油天然氣股份有限公司吉林石化分公司，吉林市 132022)

天然氣資源在我國(guó)整個(gè)能源結(jié)構(gòu)體系中占據(jù)著非常重要的位置，在改善民生、提升人民生活質(zhì)量和促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。開(kāi)采得到的天然氣資源通常需要進(jìn)行凈化后才能夠正常使用，天然氣凈化裝置中的尾氣處理工藝流程中需要使用急冷塔和急冷水泵。受工作環(huán)境的影響，急冷水泵工作時(shí)容易出現(xiàn)磨損問(wèn)題，影響急冷水泵運(yùn)行過(guò)程的可靠性和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響整個(gè)天然氣凈化裝置中尾氣處理工藝環(huán)節(jié)的連續(xù)性。基于此，有必要對(duì)天然氣凈化裝置急冷水泵工作時(shí)發(fā)生磨損的原因進(jìn)行深入分析，在此基礎(chǔ)上提出建設(shè)性的技術(shù)改進(jìn)措施。本文的研究對(duì)于提升急冷水泵的服役壽命和整個(gè)天然氣凈化工藝過(guò)程的穩(wěn)定性，具有一定的理論和實(shí)踐意義。

1 天然氣凈化中尾氣處理概述

在對(duì)天然氣資源進(jìn)行生產(chǎn)加工時(shí)，排出的尾氣中通常會(huì)包含有硫化物，如H2S、SO2等，如果直接對(duì)外排放，不僅會(huì)對(duì)周?chē)沫h(huán)境造成嚴(yán)重污染，還會(huì)造成資源的浪費(fèi)，所以還需要對(duì)尾氣進(jìn)行進(jìn)一步的處理，以降低尾氣中的各類(lèi)硫化物含量，避免對(duì)環(huán)境造成污染。如圖1所示為天然氣凈化中尾氣處理的工藝過(guò)程圖。

圖1 天然氣凈化中尾氣處理工藝過(guò)程

整個(gè)處理過(guò)程可劃分成三個(gè)階段，分別為還原段、急冷段和吸收再生段。其中，還原段是在反應(yīng)器中添加氫氣和還原劑，對(duì)尾氣中的各類(lèi)硫化物進(jìn)行還原處理。由于還原反應(yīng)會(huì)釋放大量熱量，使氣體溫度升高，急冷段的作用是對(duì)高溫氣體進(jìn)行冷卻處理，同時(shí)消除氣體中的水蒸氣?？紤]到氣體中包含有酸性成分，所以對(duì)冷卻水的pH值有一定的要求。吸收再生段的作用就是對(duì)硫磺進(jìn)行回收。

2 急冷水泵磨損問(wèn)題及其原因分析

2.1 急冷水泵磨損問(wèn)題

急冷水泵的主要作用是為冷卻塔提供循環(huán)水，對(duì)鍋爐中排出的高溫氣體進(jìn)行冷卻降溫，同時(shí)使內(nèi)部包含的水蒸氣進(jìn)行凝結(jié)。天然氣凈化裝置中使用的急冷水泵具體型號(hào)為2.5GC-6×8，水泵的出口壓力和流量分別可以達(dá)到2.5MPa和50m3/h。如圖2所示為急冷水泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖。水泵整體上為兩端支撐式結(jié)構(gòu)，基于內(nèi)裝式單端面大彈簧對(duì)水泵進(jìn)行機(jī)械密封，密封面中的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)分別通過(guò)碳化硅和石墨材料來(lái)生產(chǎn)加工。急冷水泵在運(yùn)行初期整體比較穩(wěn)定，但是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行以后，水泵的機(jī)械密封裝置經(jīng)常出現(xiàn)失效的現(xiàn)象，導(dǎo)致急冷塔的冷卻水流量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，使冷卻效果大打折扣，對(duì)生產(chǎn)工藝過(guò)程造成了嚴(yán)重的不良影響。對(duì)水泵進(jìn)行拆解后發(fā)現(xiàn)機(jī)械密封裝置存在明顯的磨損現(xiàn)象。

圖2 急冷水泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 磨損原因分析

(1) 固體顆粒物

由于天然氣凈化中尾氣處理工藝過(guò)程較為復(fù)雜，工作時(shí)急冷介質(zhì)中不可避免的會(huì)混入一些雜質(zhì)和固體顆粒物，如圖3所示為急冷介質(zhì)中固體顆粒物連續(xù)12個(gè)月的變化情況。從圖中可以看出，固體顆粒物的含量在4000～6000mg/L范圍內(nèi)變化。急冷介質(zhì)中包含的固體顆粒物，不僅會(huì)對(duì)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)件的表面造成嚴(yán)重的沖刷，更重要的是使機(jī)械密封結(jié)構(gòu)件之間的相互摩擦形成變成了顆粒磨損。與其他磨損形式相比較而言，顆粒磨損的速度最快。所以，急冷介質(zhì)中包含有大量的課題顆粒物是導(dǎo)致急冷水泵出現(xiàn)嚴(yán)重磨損的最主要原因。

圖3 急冷介質(zhì)中固體顆粒物的變化情況

(2) 急冷介質(zhì)pH值

急冷水泵工作時(shí)，介質(zhì)中不僅會(huì)混入固體顆粒物，還會(huì)混入部分酸性物質(zhì)導(dǎo)致介質(zhì)整體的pH值降低。眾所周知，介質(zhì)的pH值越低對(duì)金屬的腐蝕作用越強(qiáng)，而急冷水泵機(jī)械密封裝置內(nèi)部包含有很多金屬物，如果介質(zhì)pH值控制不當(dāng)，會(huì)對(duì)機(jī)械密封裝置造成腐蝕，從而加速磨損過(guò)程。通常情況下，急冷介質(zhì)的pH值應(yīng)該控制在6～9范圍內(nèi)，使之保持中性。但是前期在對(duì)急冷介質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)急冷介質(zhì)的pH值普遍在4～7范圍內(nèi)，呈酸性。所以認(rèn)為急冷介質(zhì)的pH值偏低是導(dǎo)致機(jī)械密封磨損的重要原因之一。

3 急冷水泵磨損技術(shù)改進(jìn)措施

3.1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)

急冷水泵原有的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)中，各類(lèi)密封元件并沒(méi)有與急冷介質(zhì)進(jìn)行有效隔離，導(dǎo)致介質(zhì)中包含的固體顆粒物會(huì)在密封元件表面堆積。所以對(duì)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化改進(jìn)時(shí)，主要的思路是將急冷介質(zhì)與重要的密封元件進(jìn)行有效隔離，避免兩者發(fā)生接觸，從而加速機(jī)械密封磨損，影響急冷水泵的使用壽命。如圖4所示為優(yōu)化改進(jìn)后的急冷水泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖，最大的改進(jìn)是添加了隔離套，見(jiàn)圖中的紅線(xiàn)部分，可有效實(shí)現(xiàn)機(jī)械密封元件與冷卻介質(zhì)之間的隔離。另外，為了提升機(jī)械密封結(jié)構(gòu)中動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的耐磨性，將原有的碳化硅和石墨材料全部替換成為硬質(zhì)合金，此類(lèi)型材料具有很高的硬度和耐磨性，可有效緩解工作時(shí)的磨損問(wèn)題，提升急冷水泵使用壽命。

圖4 改進(jìn)后的急冷水泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 機(jī)械密封防腐控制

雖然通過(guò)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)使急冷介質(zhì)與重要密封元件產(chǎn)生了隔離，但為了進(jìn)一步提升急冷水泵的使用壽命，仍需要做好密封元件的防腐工作。為避免急冷水泵機(jī)械密封裝置工作時(shí)發(fā)生腐蝕進(jìn)而加速磨損現(xiàn)象的出現(xiàn)，需要強(qiáng)化機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的防腐工作，從被動(dòng)防腐和主動(dòng)防腐兩個(gè)方面著手：第一為被動(dòng)防腐，基于先進(jìn)的防腐涂層技術(shù)對(duì)所有的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)件表面全部涂上耐腐蝕涂層；第二為主動(dòng)防腐，在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，需要對(duì)急冷介質(zhì)的pH值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)pH值偏低，則立即向內(nèi)部添加適量的堿性調(diào)和劑，確保pH值控制在6～9范圍內(nèi)。

4 技術(shù)改進(jìn)實(shí)踐應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

基于上文所述的磨損問(wèn)題技術(shù)改進(jìn)措施對(duì)急冷水泵開(kāi)展技術(shù)改造工作，將改造后的急冷水泵應(yīng)用到天然氣凈化裝置中的尾氣處理中，并進(jìn)行連續(xù)12個(gè)月時(shí)間的觀察。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)觀察期間急冷水泵的運(yùn)行過(guò)程較為穩(wěn)定與可靠，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的故障問(wèn)題，出水壓力和流量均保持在設(shè)計(jì)要求的范圍以?xún)?nèi)，為整個(gè)工藝過(guò)程的順利推進(jìn)奠定了良好的基礎(chǔ)，同時(shí)還降低了急冷水泵的日常維護(hù)保養(yǎng)成本?？梢?jiàn)，此次針對(duì)天然氣凈化裝置急冷水泵磨損問(wèn)題的技術(shù)改造工作是成功的，取得了期望的實(shí)踐應(yīng)用效果，改善了整個(gè)工藝過(guò)程的可靠性，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

對(duì)天然氣凈化裝置急冷水泵的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)磨損問(wèn)題進(jìn)行了深入分析，并提出對(duì)應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)措施，所得結(jié)論如下：（1）急冷水泵中使用的介質(zhì)中混入了大量的固體顆粒物，使機(jī)械密封結(jié)構(gòu)件之間的摩擦形式變成了顆粒磨損，是導(dǎo)致水泵發(fā)生嚴(yán)重磨損的主要原因；（2）介質(zhì)的pH值偏低，整體上呈酸性，對(duì)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)件造成了一定程度的腐蝕，加劇了機(jī)械結(jié)構(gòu)的磨損；（3）對(duì)急冷水泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使介質(zhì)與重要的密封結(jié)構(gòu)元件進(jìn)行有效隔離，同時(shí)對(duì)機(jī)械密封進(jìn)行防腐控制，有效解決了急冷水泵磨損問(wèn)題，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。