DS 系列溶液循环泵振动超高原因探讨

2021-09-05林万洲

设备管理与维修 2021年13期

林万洲，李进，赵云

（1.中国石油西南油气田川东北作业分公司，四川达州 635000；2.中国石油西南油气田天然气净化总厂，重庆 400021）

0 引言

某处理量200×104m3/d 高含硫、高含碳天然气净化厂，脱硫单元溶液循环泵采用DS 系列卧式多级离心泵。溶液循环泵作为生产关键设备，其任务是将MDEA（甲基二乙醇胺）溶液分别送入MDEA 吸收塔和MDEA 闪蒸塔，完成整个脱硫单元MDEA 溶液的循环。该泵自投用以来运行较为平稳，但当连续运行时间超过6 个月时，就逐渐表现出轴承振动值异常超高现象，且振动值呈增大趋势，严重影响装置的平稳运行。对泵实施解体大修，从轴承、密封环、轴、平衡鼓（套）、轴承座调心定位等多方面影响因素进行分析和排查，但启运后不久又会再次出现轴承振动增大和超标的问题。经过对工艺状况、设备本体等多方面的综合分析和排查，在排除造成轴承振动超高的泵内部因素后，采取提高泵日常运行流量、降低MDEA 溶液中的固体颗粒杂质含量等一系列措施，最终解决了这一难题。

1 基本情况

该溶液循环泵为卧式多级离心泵，型号为DS100-260/10A，由国内某泵业公司生产。该泵由电机、泵体、密封系统、冷却系统等部件组成，用于输送介质为40 ℃的MDEA 贫液，其他性能特征见表1。

表1 溶液循环泵性能特征

工艺流程中，溶液循环泵用于完成天然气净化装置中脱硫单元的MDEA 贫液的循环，泵的流量大小由贫液流量调节阀FV-1201（位于贫液入吸收塔前管线）控制，MDEA 贫液中的固体颗粒杂质由贫富液换热器E-1201AB 贫液入口和溶液循环泵P-1201AB 入口的T 形过滤器进行过滤。

2 低流量工况泵振动分析

离心泵在正常的流量标准下，是不会产生振动的。但是，一旦流量出现明显的波动幅度，离心泵内的工作零件及管道就会出现振动。当流量回归到正常值时，振动和声响也会随之消失。离心泵的振动随流量变化而变化，通常在最佳效率点流量附近其值最小，并且随着流量的增大或减小而增加。从最佳效率点流量起，振动随流量的变化取决于泵的能量密度、比转速及汽蚀比转速，通常情况下振动的变化量随能量密度、比转速及汽蚀比转速的增加而增加。

离心泵除了有在性能曲线上标注的最小连续流量外，还有一个最小连续热流量。泵在小流量条件下运行时，部分液体的能量转变为热能，使进口处液体的温度升高，当液体温度使有效汽蚀余量等于或小于泵必须汽蚀余量时，就会产生汽蚀现象。

正常流量下，泵本身的自动平衡装置能很好地平衡转子轴向力。该溶液循环泵通过平衡鼓进行平衡（固定的平衡），平衡鼓基本能平衡90%～95%的轴向力[1]，其余轴向力由泵尾端的止推轴承平衡。但是，当流量过低时，由于轴向力的增大，自动平衡装置就不能完全平衡转子的轴向力，转子就会受到一个指向叶轮入口方向的轴向作用力，造成转子向前窜动，转子、平衡鼓、平衡鼓套等部件磨损。同时，轴向介质的入口冲角与转子叶片的安装角偏差较大，也会产生冲击，引起强烈振动。

据记录，溶液循环泵轴承振动超高时，其振动值最高达9.5 mm/s RMS（标准值4.5 mm/s RMS），振动超高后在对泵进行解体大修时，重点检查了平衡鼓与平衡鼓套间隙、转子跳动、轴弯曲度、密封环间隙、轴承磨损情况、轴承座调心定位、联轴器对中状况等，更换了平衡鼓套、密封环、轴承、叶轮、机械密封等易损件，但是试车时发现振动值仍超标约5.5 mm/s RMS，并且在后续的长期监测中发现，该振动值呈增大趋势。期间，溶液循环泵流量为80～100 m3/h，约为设计流量的44.4%～55.5%，偏离设计流量点较大。这进一步验证了，低流量工况促使泵的轴承振动超高。

3 固体颗粒对泵的振动分析

在天然气净化装置中，脱硫单元溶液中固体颗粒主要为再生塔、重沸器等设备和管线的腐蚀产物，以及上游原料天然气带来的未被过滤系统过滤除净的固体颗粒。

当含有固体颗粒的溶液进入泵后，固体颗粒随溶液进入叶轮与密封环间隙、平衡鼓与平衡鼓套间隙，叶轮、平衡鼓随主轴由电机驱动旋转，密封环镶嵌于导叶与蜗壳上处于静止状态，两者相对运动，位于间隙处的固体颗粒对密封环、平衡鼓套、平衡鼓、叶轮产生磨损。一般情况下，平衡鼓套、密封环材料硬度较平衡鼓、叶轮材料小，因此平衡鼓套和密封环磨损较严重。磨损后，密封环和叶轮间隙增大，平衡鼓和平衡鼓套间隙增大。

密封环间隙增大后，泄漏量增加，对离心泵的效率影响虽不大，但轴向力却成倍增加[2]，平衡鼓已无法起到平衡作用。当产生的轴向力超出平衡力部分大于止推轴承所能承受的力时，轴承达到疲劳负荷限值，泵轴承振动增大、运行寿命减短。

平衡鼓与平衡鼓套的泄漏量随着间隙的增大而增大，平衡鼓的平衡效果随着间隙的增大而降低[3]，进而导致平衡失效，轴承振动增大。溶液循环泵密封环（导叶）、密封环（中段）、密封环（进口段）以及平衡鼓套材料均为ZQPb12-8，首级叶轮、次级叶轮和平衡鼓材料均为ZG0Cr18Ni12Mo2，相比而言ZQPb12-8 硬度更小。一般情况而言，密封环和平衡鼓套均较叶轮和平衡鼓更易磨损。以某次溶液循环泵轴承振动大、解体大修检查为例，各级密封环间隙及平衡鼓间隙尺寸如表2 所示。

表2 溶液循环泵解体各处配合间隙值

4 整改措施及效果

4.1 循环泵流量优化及效果

大修期间，对脱硫单元可能限制溶液循环量提升流程的所有设备进行详细排查，发现脱硫再生塔C-1202 内部第一层塔盘降液板与升气帽环板间距仅为19 mm，限制了循环量的提升。后经设计核算，需将该间距调整为120 mm，才能将脱硫系统溶液循环量提升至设计值。整改时，对降液板部分材料进行气割切除，增大两者之间间隙和溶液流通面积。

该处间距的调整，直接影响了溶液循环泵的运行情况。整改前，因该处间距较小，造成溶液流通不畅，日常脱硫单元MDEA 溶液流量最高仅能达到130 m3/h（将再生酸气压力控制在100 kPa，超出设计值80 kPa），一般情况下流量均小于100 m3/h（最低时仅80～90 m3/h）。整改后，MDEA 溶液流量一般控制在140 m3/h 以上。与此同时，在对贫液空冷器入口管线降低后，循环量能长时间维持到泵的额定值180 m3/h。循环量提升后，解体大修后的泵（更换新密封环，平衡鼓套，轴承，机封等）振动值能从5.5 mm/s RMS 以上降低至3.0 mm/s RMS 以内，低于标准4.5 mm/s RMS。

4.2 改善系统溶液质量，减少溶液中的固体颗粒含量

为改善脱硫单元溶液系统质量，以下从4 个方面提出整改措施。

（1）优化过滤系统。溶液循环泵P-1201AB 入口和贫富液换热器E-1201AB 贫液入口共设置了4 台T 形过滤器，但该过滤器滤芯两端面密封不严，导致溶液通过过滤器时形成“短路”，无法有效过滤溶液中的杂质，导致过滤效果不佳。通过对T 形过滤器加工支撑圈，再将其焊接至过滤器内部；将过滤器原密封端面重新处理，增大密封面和台阶深度，重新制作滤芯，并在滤芯端面设置PTFE（聚四氟乙烯）平面密封垫，进一步保证过滤滤芯的端面密封性能。整改后，当过滤器前后压差达到50 kPa 时打开检查滤网，可以观察到滤网表面几乎完全被固体颗粒杂质覆盖，说明杂质基本上能被有效拦截，过滤效果显著（图1）。

图1 过滤器拦截的杂质

（2）溶液更换。为保证溶液系统的洁净度，更换脱硫系统新鲜MDEA 溶液83 t。

（3）设备升级更换。从脱硫系统溶液循环的工艺流程上来看，MDEA 贫液与原料气在吸收塔C-1201 内接触后，上游原料气带来杂质以及吸收塔内的腐蚀产物随MDEA 富液被带走，并在MDEA 预过滤器F-1201AB、活性炭过滤器F-1202、MDEA 后过滤器F-1203AB 内完成过滤。但是由于MDEA 富液具有腐蚀性，在之后的流程中会对管线和设备产生腐蚀，再次形成腐蚀产物。从历年大修设备打开检查的情况来看，存在严重腐蚀的设备主要有再生塔重沸器、再生塔和部分溶液管线。其中，再生塔的主要腐蚀部位为重沸器半贫液返回口附近区域筒体内壁，重沸器主要腐蚀部位为气液两相区的管束外壁和筒体内壁，重沸器返回再生塔的半贫液管线也存在严重腐蚀减薄。针对存在腐蚀的设备和管线，主要采取以下3 个措施：①将热虹吸式重沸器更换为釜式重沸器，顶部设置有一个蒸发空间[4]，使得气液两相的彻底分离在壳程内完成，换热管束完全浸没在溶液内，能有效避免管束发生空泡腐蚀；②将再生塔主体材料由20R 升级为不锈钢复合板Q245R+316L 材料，日常运行时，仅覆层材料316L 与半贫液、酸性气体接触，抗腐蚀性能提高，有效改善了再生塔筒壁的腐蚀状况；③将部分腐蚀严重的半贫液管线、富液管线材料由20G 升级为304 或316L 奥氏体不锈钢材料。

（4）系统性化学清洗。有计划地在装置大修时安排专业团队对脱硫单元溶液系统进行化学清洗，彻底清除系统中人工无法清洗的管线和其余死角中的杂质。

4.3 整改效果

在通过提高溶液循环泵日常运行时的流量，降低MDEA 溶液中的固体颗粒杂质含量两种方式整改后至今，溶液循环泵前后轴承振动值均在标准范围内，一般低于3.0 mm/s RMS，运行情况良好。经统计，整改前溶液循环泵年平均检修11 次，其中大修7 次、中修4 次；整改后，除日常的例行维护保养和预防性检修外，尚未出现任何故障。