锅炉减温水泵失效分析及改进

宁皓(中海壳牌石油化工有限公司，广东 惠州 516086)

0 引言

某厂设有4台锅炉，配有2台BB4型单壳径向剖分多级两端支承式的减温水泵为蒸汽系统中的减温减压器提供减温水。减温减压器通过减温水的汽化吸热把较高压力等级的饱和蒸汽变成较低压力等级的饱和蒸汽，因此这就需要减温水泵来满足减温减压器在不同负荷下的减温水稳定供应。但是由于下游的化工装置为了满足工艺生产需求和应对工艺生产波动，所以对工用工程装置生产出来的不同压力温度等级的饱和蒸汽需求量在不同工况下也不一样：可能有时下游的化工装置需要高压蒸汽多一些，低压蒸汽少一些；过一段时间对中亚蒸汽需求又要多一些，高压蒸汽又要少一些。因此，此时就需要减温减压器的工作负荷随外界化工装置的需求变化而变化，而减温减压器的负荷调节是靠进入减温减压器的减温水流量变化而实现的，因此减温水泵的出口流量就会随减温减压器的负荷调整而变大或变小。而根据离心泵的性能曲线图可知，离心泵的扬程是随着流量的变化而变化的，并且离心泵的振动是随着流量变化而变化，通常在离心泵的最佳效率点附近运行时振动值最小。如果偏离最佳效率点，不论是流量增大还是减小都会引起离心泵振动增加。长时间在偏离离心泵最佳效率点工况下运行，会增加泵的磨损，降低离心泵的运行可靠性，为生产装置的平稳运行埋下隐患[1]。

1 减温水泵现状及失效时间线

(1)根据工艺日常需求，现场的2台减温水泵平常是一用一备，泵本体两端轴承没有设计用于可在线监测离心泵运行状态的温度探头、振动探头、位移探头，只是在泵的驱动电机本体上有在线监测电机两端轴承和电机转子的温度探头。泵的驱动端轴承箱装配有用于径向支撑轴的径向轴瓦，非驱动端轴承箱也装配有用于径向支撑轴的轴瓦和承受轴向推力的推力轴承，轴承箱润滑方式是带有甩油环的自润滑并且带有外部循环冷却水来降低轴承运行温度。该减温水泵共有7级叶轮，泵体内部有平衡盘和平衡板的设计来平衡轴向力[2]。

(2)在2020年的3月22日早上5:34分减温水A泵的电机电流开始出现波动并且电机转子温度也开始上升；在5:37分时泵的出口压力突然下降随后又恢复正常；在5:41分时电机电流波动且上升到19 A(额定电流为15 A)；在6:48分时工艺操作员现场巡检检查发现A泵两端机械密封失效并大量泄漏，随后操作员现场停下A泵，此时电机转子温度升到最高的96 ℃。

2 维修解体检查及发现

(1)机械密封拆解后发现动环弹簧座内有很多杂质，这些杂质限制了动环弹簧的浮动补偿性。同时机封轴套和机封压盖之间有很明显的机械摩擦痕迹，动静环主密封面有因摩擦而产生的高温变黑，并且驱动端的机械密封动静环已损坏剥落。

(2)驱动端和非驱动端的径向轴瓦在拆下后检查发现，上下瓦都严重磨损且轴瓦表面的附着的巴氏合金层已脱落。非驱动端的推力轴承也严重损坏，轴承内部的保持架和滚动体因磨损脱落，轴承内外圈滚道上也有严重的磨损痕迹。轴承内部的润滑油也因高温而变黑变黏稠[3]。

(3)泵体内部拆解发现每一级的叶轮基本完好，没有肉眼可见的损伤，但是在每一级的中段泵壳上都发现了明显且严重的工艺流体冲蚀磨损的痕迹，同样减温水泵每一级的扩压器也因叶轮口环的摩擦而磨损严重。扩压器磨损照片如图1所示。

图1 扩压器磨损照片

(4)减温水泵泵体内部平衡系统中的平衡盘和平衡板的配合面上也发现有明显肉眼可见的严重磨损。

3 失效原因分析

3.1 工艺数据分析

从本文前面的失效时间线中的DCS参数可知，泵在失效前的运行状态是正常的，直到事件当天2020年3月22日。首先是A泵电流波动且上升，然后电机转子温度也开始逐渐升高，这就说明泵体内部的转动部分和静止部分之前可能发生了接触摩擦，后续的拆解发现也证实了这一点。

3.2 监测数据分析

由于泵体本身没有设置在线监测探头，只有在电机的前后轴承和电机转子设置有在线温度监测，事件发生时电机温度探头工作正常温度显示正确无误，这就说明当时电机轴承温度和电机转子温度是在升高的。后续该减温水泵检修完成后在现场试运行时，我们使用手持的测振仪对泵和电机的轴承进行测数，也发现了泵在偏离最佳运行工况时振动值明显上升，特别是泵的驱动端侧振动值升高最为明显，达到5 mm/s(正常该型号离心泵正常振动值应该在2.8 mm/s)。

3.3 泵零部件拆解检查分析

通过本文前面第3节的解体检查，可以知道泵体明显及严重的损坏如下：中段泵壳被严重冲刷；扩压器被严重磨损；平衡盘和平衡板磨损；推力轴承严重失效。因此，我们可以推测出以上部件的明显损坏是由于泵轴在运行过程中的明显位移造成的。

3.4 泵材料分析

该泵的设计材质是S-6(碳钢)，采用美标API610中的材料代号，现场拆解下来的泵壳用光谱仪测试后，证实材料和泵数据表上的一致。现场另外两台锅炉给水泵的泵壳也发现了同样缺陷，泵壳被工艺介质严重冲刷，且泵壳材质与本次失效的泵是一样的。现场泵内走的工艺介质是温度为133.5 ℃的锅炉给水。通过之前的拆解，我们发现减温水泵的失效是由于泵内部零部件被冲蚀磨损。正是由于泵内动静部件被冲蚀后才造成泵轴向力不平衡，最后造成轴瓦、推力轴承、机械密封损坏[4]。

冲蚀磨损通常是指流体与设备材料表面的互相作用而造成的设备材料质量缺失，一般指的流体可是多项流、固体粒子与液体。冲蚀磨损可以说是工程材料失效的最主要磨损形式之一。通常对冲蚀磨损的速度和程度影响的因素有：

(1)硬度。材料的硬度对冲蚀率的影响很大，一般而言耐磨损能力是随着材料强度与硬度的增加而增强。但并不是材料的硬度越大，它的抗冲蚀能力就越强。比如陶瓷这种材料，它的硬度就非常高，但它的抗冲蚀能力却很低。所以不同的材料虽然硬度相同，但它们的抗冲蚀能力会相差很多。

(2)冲蚀角度。其指的是工程材料表面和流体流束之间的夹角，通常也叫做攻角。冲蚀角度对工程材料的冲蚀速率也有很大的影响。对塑性材料的最大冲蚀速率对应的冲蚀角度在15°～30°之间，而对脆性材料的冲蚀速率的最大值通常在90°以上。

(3)环境温度。一般而言对于碳钢材料来说，它的磨损速率是始终随着温度的升高而增大。但是对于一些合金来说，当环境温度小于临界值时，磨损速率是不随温度的升高而变化的，只有在环境温度超高了临界温度后磨损速率会随温度升高而急剧上升。

在以上的3种因素中，工程材料是影响材料冲蚀磨损性能的最关键因素。所以对于本次失效的减温水泵来说，根本原因是泵体材料的选择不适合该工艺运行工况。碳钢材质泵壳的抗冲刷能力本身就不强，从现场拆解情况可以看出合金材质的叶轮(ZG1Cr13Ni)并没有发现被冲刷的痕迹，但碳钢材质的泵壳却是因冲蚀而磨损严重。其次进入该泵的工艺介质温度较高，这就更加剧了泵壳的冲蚀磨损，长此以往随着泵壳不断地被工艺介质给冲蚀磨损，最终导致泵的损坏失效。

4 后续改进

(1)将泵体材料从S-6升级到C-6，也即是将碳钢材料的泵壳升级到1Cr13的合金钢材料。这样材料的硬度提升后，对该工况下的抗冲蚀能力也相应增强，保证了泵的长期安全稳定运行。

(2)与泵厂家沟通，重新设计或升级泵体内部的流道，改变泵的性能曲线，使泵的最佳运行区间变大，或者使泵的最佳运行区间能包含目前的工艺工况所需求的流量范围。