50万吨/年延迟焦化装置液态烃运行故障分析及预防措施
张培杰
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张培杰,. 50万吨/年延迟焦化装置液态烃运行故障分析及预防措施[J]. 装备技术研究,2021.4. DOI:10.12721/ccn.2021.157031.
摘要:
液态烃泵是把传统的机械能转化成动能并输送出去的设备,它是高速泵,运行期间转速高,压力高,在焦化装置的运行过程,液态烃泵故障后会导致液态烃无法外输,吸收稳定系统停运,带来较大的损失,所以在实际工作中,要对容易发生故障的液态烃泵进行深入的研究,找出产生故障的原因,并提前采取预防措施进行解决,从而保证液态烃泵的安全运行。本文对液态烃泵运行的故障进行了分析,并提出了预防的具体措施。
关键词: 高速泵;轴承;故障;原因;措施
DOI:10.12721/ccn.2021.157031
基金资助:

为了保证延迟焦化装置的安全稳定长周期运行,装置设备的稳定运行时至关重要的,一旦故障停机,可能会有液态烃泄漏,装置将面临降量或者停产,因此做好延迟焦化液态停泵的维护保养工作是装置安全稳定长周期运行的关键点。该液态泵自投运以来一直运行良好。

1.液态停泵故障经过

2020年6月16日,当班按车间规定季度泵,倒泵结束后发现机泵振动值为4.2mm/s,且机泵发热,泵体温度升高至90℃,并持续升高,汇报车间设备技术人员,车间技术人员现场分析,高速泵可能存在气蚀、抽空、减速箱冷却水可能不畅、机泵轴承可能故障,立即停泵待修。

2020年6月17日,联系机修车间解体机泵检修,机泵解体后,检查机泵轴承,高速轴和低速轴各轴承正常,清理减速线循环水污渍,疏通换热器,高速轴和低速轴啮合正常,检查高速泵叶轮,叶轮正常,无堵塞,无磨损变形,检查泵进口,发现进口稳流器有腐蚀点坑,机修车间将稳流器上机床切削打磨,消除点坑,机泵回装,回装正常,进行机泵灌泵,开机后,机泵振动,流量达到正常指标,恢复正常生产。

2.故障原因分析

机泵在运转过程中会发生不同程度的振动、发热,在设计标准范围内的振动、发热是允许的。如果振动值、发热超出标准不及时处理,将会对电机产生严重危害,主要表现在:(1)加速设备轴承的磨损,缩短使用寿命。(2)使振动的机械部分产生疲劳或磨损,造成紧固件松动甚至脱落,形成质量事故事故。(3)损坏电机绕组绝缘,降低绝缘性能,造成匝短或接地。(4)引发电机和管路的振动,造成机毁人伤。

根据现场拆卸的情况如图1分析,稳流器有冲刷腐蚀点坑,说明机泵本身气蚀、抽空,介质具有腐蚀性、液态烃带水等。

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造成液态烃泵稳流器损坏的原因:

(1)介质液态烃中腐蚀元素硫含量偏高造成稳流器腐蚀,形成点坑,造成进口流体湍流,致使机泵发热和振动;

(2)介质液态烃中含水较多,导致泵气蚀、抽空,导致稳流器冲刷形成点坑,加剧气蚀作用,最终导致机泵不能正常工作;

(3)液态停泵操作过程中,在启泵前灌泵不充分,泵体里可能残存水,未能排尽,导致基本抽空、振动增加、机泵泵体发热。

3.机泵气蚀、振动的原因分析及处理措施

3.1机泵气蚀原因分析和处理措施

液体在一定温度下,降低压力至该温度下的汽化压力时,液体便产生汽泡。把这种产生气泡的现象称为气蚀

3.1.1流体物理特性方面的影响:

流体物理特性对离心泵气蚀的影响主要包括:所输送流体的纯净度、pH值和电解质浓度、溶解气体量、温度、运动黏度、汽化压力及热力学性质。

(1)纯净度(所含固体颗粒物浓度)的影响。流体中所含固体杂质越多,将导致气蚀核子的数量增多。从而加速气蚀的发生与发展。

(2)pH值和电解质浓度的影响。输送极性介质的离心泵(如一般的水泵)与输送非极性介质的离心泵(输送苯、烷烃等有机物的泵),其气蚀机理是不同的。输送极性介质的离心泵的气蚀损伤可能包括机械作用、化学腐蚀(与流体PH值有关)、电化学腐蚀(与流体电解质浓度有关);而输送非极性介质的离心泵的气蚀损伤可能只有机械作用。

(3)气体溶解度的影响。国外研究表明流体内溶解的气体含量对气蚀核子的产生与发展起到促进作用。

(4)气化压力的影响。研究表明随着气化压力的增高,气蚀损伤先升高后降低。因为随着气化压力的升高,流体内形成的不稳定气泡核的数量也不断升高,从而引起气泡破裂数量的增多,冲击波强度增大,气蚀率上升。但如果气化压力继续增大,使气泡数增加到一定限度,气泡群形成一种“层间隔”的作用,阻止了冲击波行进,削弱其强度,气蚀的破坏程度反而会逐渐降低。

(5)温度的影响。在流体中温度的改变将导致气化压力、气体溶解度、表面张力等其他影响气蚀的物理性质出现较大改变。由此可见,温度对气蚀的影响机制较为复杂,需结合实际情况进行判断。

(6)表面张力的影响。当其他因素保持不变,降低流体表面张力可以减少气蚀损伤。因为随着流体表面张力的减小,气泡溃灭所产生冲击波的强度减弱,气蚀速率降低。

(7)液体黏度的影响。流体黏度越大,流速越低,达到高压区的气泡数越少,气泡破灭所产生冲击波的强度就减小。同时,流体黏度越大,对冲击波削弱也越大。因此,流体的黏度越低,气蚀损伤越严重。

(8)材料的硬度。以AISI304材质的叶轮为例,气蚀会造成叶轮材料的加工硬化和相变诱发马氏体钢,这种变化将反过来阻止材料的进一步气蚀。而加工硬化和相变诱发马氏体钢的抗气蚀性主要依赖于叶轮材质的硬度。加工硬化与抗疲劳性能。材料加工硬化指数越高,抗疲劳性能越好,则材料抗气蚀性能越好。

由于泵的气蚀损伤主要体现为对过流部件材质的损坏。因此,过流部件的材料性能也将在一定程度上对离心泵的气蚀产生影响,采用抗气蚀性能良好的材料制造过流部件是减少离心泵气蚀影响的有效措施。

3.1.2离心泵结构设计方面的影响

在离心泵结构设计方面对泵气蚀特性起主要影响的可以分为泵体设计和叶轮设计两个方面。研究表明影响离心泵气蚀性能的直接因素是叶轮进口的局部流动均匀性,因此叶轮结构设计比泵体的设计对离心泵气蚀的影响大,是主要影响因素。

(1)叶轮结构对离心泵气蚀性能的影响离心泵叶轮结构对泵的气蚀性能有着重要的影响,合理的叶轮结构可以改善泵的气蚀性能。

(2)叶轮进口流道表面粗糙度。离心泵的叶轮进口流道的表面粗糙度可以分为二类:

(3)叶轮进口直径。在流量恒定的情况下,叶轮进口处液流的绝对速度和相对速度都是吸入管径的函数。因此,对于提高离心泵的抗气蚀特性,叶轮进口直径存在一个最佳值。当叶轮进口直径小于此最佳值时,随着叶轮直径的增大,进口处的流速减小,离心泵气蚀性能不断提高。但当叶轮直径的取值超过最佳值之后,对于给定流量来说,随着进口直径的增大,在叶轮进口部分将形成停滞区和反向流,使离心泵气蚀性能逐渐恶化。

(4)叶片进口流道宽度。在离心泵的工况不变的情况下,增大叶片进口处流道的宽度会使液流绝对速度的轴面分速度减小,从而改善离心泵的气蚀特性,并且对离心泵的水力效率和容积效率影响较小。

3.1.3其他方面的影响:

(1)参数的相互影响。到目前为止,对离心泵气蚀影响因素的研究都只是针对某个参数进行的,对各个参数间的相互影响则很少研究。但结构参数的影响是一个统一的整体,它们是互相制约、互相影响的,今后的研究应该向综合影响因素方向发展。

(2)离心泵的运行工况影响。离心泵在实际使用过程中,由于操作条件极为复杂,泵入口流量、压力随之不断改变。因此,离心泵的实际工况往往与实验、设计的工况存在较大的偏差。其发生气蚀的可能远远超出实验的预计,需要按操作规程操作。

3.1.4预防措施

(1)适当加大泵入口直径和叶轮入口直径,降低泵入口液体流速,降低NPSHr。或者直接采用双吸叶轮,因双吸叶轮相当于两个单吸叶轮的入口面积,同样流量条件进口流速可降低一倍。

(2)将叶片头部背面修薄,改善叶片入口排挤,降低NPSHr。或加装诱导轮,使液体进入叶轮前增加了一定压力能。

(3)泵选型时,遇到装置气蚀余量低或介质易汽化时,泵尽可能采用低转速。

(4)管路系统设计时,泵的吸上高度尽可能低,条件许可就采用倒灌。配管时,适当缩短吸入管长度、增大吸入管径,在吸入路尽量减少不必要的阀门、弯头数量,以减少吸入管的管路损失。

(5)泵在接近气蚀的状态下工作,如采用组织致密的抗气蚀材料(铜合金、不锈钢等) 制造泵叶轮可以延长叶轮寿命。如用压延的钢板焊接的叶轮较铸造的叶轮抗气蚀能力强。也可以利用非金属涂料采用环氧树脂、尼龙、聚胺脂等对叶轮进行涂层处理。

(6)对易汽化介质,做好管路的保温降温,避免所输送液体的温度升高。

(7)泵出现气蚀又无法改变其工艺条件时,可在泵入口加装一个喷嘴,利用泵出口压力,使其高压液体回馈,以增大泵入口压力,减小气蚀的可能性。

(8)泵在运行过程中,应利用泵出口阀控制流量在合理的范围。泵偏大流量运行时最容易出现气蚀现象。操作中,不允许用吸入管路阀门来调节流量。

3.2机泵振动的原因分析及处理措施

3.2.1 转子不平衡

离心泵在运行了一段较长时间之后,会产生偏心量,在惯性的作用下,离心率剧增,影响到转子不平衡。转子不平衡的内在原因是产生偏心量,外在表现主要是叶轮不平衡。叶轮质量偏心和叶轮部件缺损是产生偏心量的原因,导致叶轮质量偏心的因素有:结构设计不合理,制造安装误差过大,材质不均匀;叶轮部件缺损是指由于叶轮局部的损坏、脱落、介质结垢、疲劳应力等因素导致转子出现不平衡故障。

3.2.2 转子不对中

转子不对中发生在由联轴器连接构成的轴系,该故障的表现形式主要有:离心泵在正常运转中,转子之间的连接对中超出标准范围;转子轴颈在轴承中的相对位置出现偏差,破坏了油膜,轴承负荷不均匀;在径向和轴向都产生振动;产生二倍频率振动,严重时产生类似松动的高谐波振动。发生该故障的主要原因是:安装时对中误差大于设计要求;连接在一起的不同转子在旋转受热后的中心线升高位移不一致,形成冷态对中不准;轴承架热膨胀系数不一致;泵壳变形或产生较大位移;地基沉降;管道牵引力作用;转子发生弯曲等。

3.2.3 转子弯曲

转子弯曲多发生于离心泵停止运行较长时间后重新启动的时候,该故障分作永久性弯曲和暂时性弯曲。该故障的表现特点是:转子热变形不均匀,横截面几何中心连线与旋转轴线不重合,产生偏心,激振力过大引起设备振动剧烈。永久性弯曲指转轴变形不可恢复,其主要原因是:设计安装制造存在缺陷;长期放置方法不当;热态停机时未及时盘车;使用凉水急冷设备。临时性弯曲指转轴变形可恢复的弯曲,其主要原因是:预负荷过大;开机时暖机不充分;提速太快。

3.2.4机泵气蚀和抽空引起振动

当介质入口压力低于相应温度汽化压力时,就会导致机泵气蚀,如果气蚀随着加重,介质汽化率升高,焦化导致严重抽空。

3.2.5 离心泵振动问题的解决方法分析

在分析离心本振动特征时多采用振动测试技术和故障诊断技术相结合的方式。借助传感器监测振动信号和噪音信号,利用计算机技术和数字图像转化技术,排除无用信息,提取离心泵故障信号,对照故障敏感参数,从而监测离心泵运行状态。发现振动故障时,首先检查该离心泵的泵体、泵轴及泵与电机的水平高度,是否达到规范要求;检查泵轴是否发生弯曲变形,如果发生弯曲,应该及时盘机调整;检查叶轮的磨损情况,包括是否断裂或是否有异物堵塞等,如果磨损严重或者断裂应及时更换叶轮。根据离心泵的工作状态或运作年限,对离心泵进行拆卸式的检查,对叶轮、轴承、联轴器、齿轮箱、支撑架、密封圈、润滑系统等部件逐一检测,更换存在安全隐患的零部件,对性能正常的零部件做保养。

4.结语

通过分析液态停泵故障机理,找到解决问题的关键,可以为装置长周期运行提供保证,最大限度确保生产设备正常安全运行,在日常维护中确定重点检查部位,根据设备外观、声音、振动情况来判断运行状况,全面提高设备管理质量。

对于离心泵气蚀、振动问题,解决办法主要是以试验数据为依据,由于气蚀、振动的机理非常复杂,影响的因素较多,且各种因素并不是孤立作用的,不同的影响因素之间存在相互作用、相互影响。因此在研究离心泵的气蚀性能时和振动规律应结合实际情况,对影响泵气蚀的机理与因素和机泵振动规律进行通盘的考虑。

参考文献:

[1]廖忠陶,何思辉,李兵朋,张东明.延迟焦化装置运行分析与优化对策[J].炼油技术与工程,2018,48(03):23-26.

[2]赵卫东,孙淑敏,杨万强.延迟焦化装置掺炼催化油浆工业试验[J].精细石油化工进展,2017,18(06):32-35+39.

[3]陈家祥. 延迟焦化吸收稳定系统的工艺优化及混合型降液管设计方法的研究[D].浙江工业大学,2017.

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