加氢反应进料泵流量偏低与轴位移偏大关联性及原因分析

2021-03-19王远光

石油化工设备技术 2021年2期

董飚，王远光

(中国石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

上海石化390×104t/a渣油加氢装置是该公司炼油改造工程中的主体装置，采用中国石化工程建设有限公司开发的固定床渣油加氢技术。为了提高渣油加氢装置的脱杂质率，选择石科院开发的脱硫催化剂RMS-30、脱金属催化剂RMS-35等新一代RHT系列渣油加氢催化剂。装置的反应部分设置A、B两个独立的系列，每个系列的流程都是：滤后渣油原料经反应进料泵升压后，与循环氢、新氢的混合氢混合；混氢油先后与热高分气、反应产物换热后，进入反应进料加热炉加热，再进入加氢反应器，在催化剂的作用下，进行加氢反应；反应产物进入热高分分离器【1】。两个系列都有独立的反应进料泵、循环氢压缩机、反应进料加热炉、加氢反应器、热高分分离器、热低分分离器，也都设置了液力透平，回收从热高分分离器到热低分分离器的能量，用于驱动反应进料泵。两个系列可以实现单开单停。

反应进料泵是渣油加氢装置的核心设备，是保证装置长期安全生产的关键【2】。两个系列的反应进料泵位号分别为P-1102A、 P-1802，共用1台备泵P-1102B。3台泵均为德国苏尔寿公司制造的BB5型双层壳体泵，型号为GSG150-360/6+6。其操作条件如下：介质为渣油，流量300 m3/h，入口压力0.6 MPa(表)，出口压力19.95 MPa(表)，扬程2 342 m，操作温度255 ℃，轴功率2 339 kW。

1 流量偏低、轴位移偏大的关系

2018年初发现反应进料泵P-1802流量偏低于P-1102A，但是仍能够维持处理量的要求，因此没有引起足够的重视。后来泵的轴位移开始偏大，约为0.33 mm左右(报警值为0.32 mm，联锁值为0.36 mm)。当时由于平衡管压力在0.7～0.8 MPa(正常为0.5～0.6 MPa)之间，因此怀疑为泵盖节流衬套磨损、间隙偏大所致。于2018年7月2日停泵检修，检查推力轴承、支撑轴承，结果显示，轴向总窜动量为0.33 mm，轴瓦间隙0.14 mm，节流衬套、轴套有一定磨损，故对其进行了更换处理。7月 6日投用后，轴位移仍然保持在0.35 mm以上，只能将轴位移联锁予以解除，维持运行。2018年6月2日～7月21日期间轴位移随时间的变化见图1。

图1 轴位移随时间的变化(2018/06/02～07/21)

该泵轴位移设计零位为副推力瓦贴紧，且由于泵的非驱动端安装有主油泵，轴位移探头与泵轴心成45°夹角，使得实际轴窜动量是探头显示值的1.414倍，也就是说，轴向总窜动量为0.33 mm的话，轴位移最大应显示为0.24 mm。因此怀疑仪表探头有问题，并在2018年10～11月B系列检修期间，又对轴承进行了检查，更换了轴位移探头。但是，11月开泵后，随着装置负荷的上升，轴位移依然保持在高位。2018年11月3日～12月1日期间轴位移随时间的变化见图2。

图2 轴位移随时间的变化(2018/11/03～12/01)

对P-1802泵的非驱动端轴承进行了检查，结果如下：

1) 总窜量为0.35 mm，DCS显示0.25 mm。这是安装了工装推出来的结果。

2) 转子向入口端即电机侧移动，轴位移为正。主推力也在这一侧。

3) 主推力瓦块的背后支撑确实存在弹性问题。因为安装了主推力轴承、轴承箱，且转子贴近主推力瓦后，向电机侧拉动转子，现场联轴器侧、非驱动端指针分别移动了0.11和0.06 mm；松开工装后，两端均回零。

4) 检查推力盘固定轴套斜面的跳动约0.02 mm(无法准确测量)，径向跳动0.03 mm，对轴位移的影响应该不会太大。

5) 联轴器开档距离存在偏大的问题，增加了1.4 mm的垫片。

通过对上述检查结果进行认真分析，才逐渐将泵流量偏低与轴位移偏大联系在一起，发现二者不是孤立的问题，而是有关系的。原因如下：

该泵有(6+6)个叶轮，分两段，背靠背布置。因其没有平衡鼓套，运行中产生的总轴向力全部由推力轴承承受，因此总轴向力应该不会太大。可以判断，两段的扬程差不多，轴向力大小也相近，但是方向相反，1段轴向力指向驱动端，2段轴向力指向非驱动端。

但是随着零部件的磨损，2段出口(即泵出口)向1段出口的回流增加，流量下降的同时，提高了1段出口压力和2段入口压力。1段出口压力的升高使得1段的轴向力增加，2段入口压力的升高使得2段轴向力减小，导致总的轴向力成2倍地增加。比如，1段的轴向力增加1 t，2段轴向力减小1 t，总的轴向力就会增加2 t。

图3为2017年10月12日～2018年8月10日期间流量与轴位移(×1 000)的变化情况。由图3可见，流量下降，轴位移上升，验证了轴向力增大的判断。

图3 流量与轴位移随时间的变化(2017/10/12～2018/08/10)

当时采取的方案为：改变轴位移探头的零位，投用轴位移联锁。将转子放在离副推力瓦0.14 mm的位置，安装轴位移探头，调零位，根据推算，DCS显示会在0.25 mm左右。图4为2018年1217日开泵后轴位移的变化情况。由图4可见，轴位移仍在持续上升，达到0.32 mm。这说明泵内零部件冲刷、磨损仍在加剧，内部泄漏日严重。

图4 轴位移随时间的变化(2018/12/17～2019/01/28)

该期间轴的总窜动量应该为：

0.32×1.414+0.14=0.59 mm

主推力瓦块的背后支撑的变形量为：

0.59-0.35=0.24 mm

转子这么大的总窜动量是由转子的轴向力引起的，与转子的受热膨胀关系不大，因为转子的推力轴承、轴位移探头安装在同一侧，且探头就安装在轴承箱壳体上。由此可见，转子承受的轴向力是非常大的。

2019年1月25日，P-1802停止运行，切至P-1102B 运行。

2 泵内部回流的可能原因

为什么会发生2段出口(即泵出口)向1段出口回流持续增加的现象呢？要弄清楚这个问题，需要了解该泵的结构。泵的结构见图5，段间Ⅰ局部放大见图6。

1—轴头泵；2—联轴节；3—轴承螺母；4—推力轴承；5—支撑轴承；6—泵盖；7—泵盖垫片；8—泵壳体；9—泵芯组件；10—2段出口；11—泵出口；12—泵入口；13—联轴器；14—减压衬套；15—2段入口；16—机械密封；17—固定块；18—顶丝；19—支撑轴承；20—轴

图6 Ⅰ局部放大

泵分两段，每段6个叶轮，背靠背布置。在泵芯壳体有1段泵芯和2段泵芯。1段泵芯包括入口壳体、1～6级壳体、段间壳体，由螺栓连接在一起，在驱动端的固定块和顶丝的作用下，与泵壳体的入口端贴合在一起；2段泵芯包括7～12级壳体，由螺栓连接在一起；在1、2段泵芯之间的弹簧作用下，2段泵芯与泵盖贴合在一起，且在驱动端的固定块和顶丝的作用下，与泵壳体的入口端固定在一起。

介质在泵内的流动方向是：从驱动端的泵入口进入，经过6级叶轮的升压，从段间壳体的1段出口流出，而后经过2段与泵壳体间的空间流道、非驱动端的2段入口，再经过6级叶轮的升压，从段间壳体的2段出口流出到泵出口。

段间壳体既有6级叶轮出口的流道，又有12级叶轮出口的流道。两段泵芯之间，也就是图6中的段间壳体与级间壳体之间处于脱离的状态。图6中，段间壳体有3个地方要承受12级出口与6级出口之间近10 MPa的压差，具体为：与泵壳体之间通过C形密封圈2进行密封处；与级间壳体之间通过C形密封圈1进行密封处；与轴之间通过减压衬套进行减压处。C形密封圈1、2是非常关键的，其截面为C形，C的里面有弹簧，增加其弹性。C形密封圈利用C的上侧、下侧与零部件表面的紧密接触产生密封效果。C形密封圈1、2损坏或减压，导致衬套磨损严重，就会造成泵内部回流严重。

3 故障原因分析及措施

对泵P-1802进行泵芯拆卸、解体、清洗后，发现C形密封圈1损坏非常严重，有2/3完全被冲刷掉，剩下的1/3也处于碎的状态。与C形密封圈1 相配合的段间壳体的两个内圆、级间壳体的两个外圆冲刷严重，其冲刷情况分别见图7和图8。

图8 段间壳体两个内圆的冲刷情况(二)

图7 段间壳体两个内圆的冲刷情况(一)

C形密封圈2也有损坏，即将发生断裂，见图9。与C形密封圈2相配合的段间壳体的外圆、端面也有冲刷，见图10。

图9 C形密封圈2的损坏情况

图10 段间壳体外圆、端面的冲刷情况

检查了叶轮口环间隙(实际0.60～0.72 mm，要求0.50 mm)、级间口环间隙(实际0.87～1.38 mm，要求0.50 mm)、泵盖节流衬套与轴套间隙(实际0.62 mm，要求0.38 mm)、段间减压衬套与轴套间隙(实际0.71 mm，要求0.38 mm)，发现均有一定超标。

由此可见，该泵流量偏低的主要原因是:C形密封圈1损坏，相应的配合面冲刷严重；减压衬套、轴套磨损；口环磨损。而轴位移偏大的主要原因是：C形密封圈1损坏，减压衬套、轴套磨损，泵内回流加大，平衡了轴向力，导致推力轴承承受了比较大的轴向力。

C形密封圈1为什么损坏这么严重呢？原因分析如下：出现上述问题前，根据平衡管压力上升的情况，曾经在现场拆卸泵盖(见图5中的“6”)，更换减压衬套(见图5中的“14”)；泵盖拆卸后，2段泵芯会失去轴向的压紧力，轴向会向泵盖侧移动，特别是还会下沉，使得C形密封圈1发生扭曲变形，复位后，C形密封圈1与密封面的接触不可能恢复到原来的状态，造成损伤。正确的检修方法是：拆卸泵盖、更换减压衬套前，应该将泵拆除、直立，这样就可以避免对C形密封圈1的损伤。

根据零部件损坏的情况，更换了减压衬套、轴套、C形密封圈1和2、叶轮口环等。泵经过上述处理并重新投用后，流量、扬程恢复到出厂的状态，轴位移、振动等机械性能良好。