尿素水解给料泵振速高的原因分析及改造措施

范天祥，郑明统，初保卫，范 利

（中国石油宁夏石化公司，宁夏银川 750026）

我国的国产化大化肥装置是2009 年中石油研发了合成氨、尿素工艺包后才具有自主知识产权的大氮肥工艺系统，且在中国石油宁夏石化公司第三套化肥装置45/80 关键设备完全实现自主国产化。该套设备自2018 年原始开车以来，关键设备尿素水解给料泵多次出现轴承箱振速高的问题，给装置的平稳运行带来隐患。本文针对水解给料泵出现的故障进行分析并提出改造措施，为今后同类国产设备的设计、维护、检修提供借鉴和帮助[1，2]。

1 工艺流程

水解给料泵将来自第一解析塔底部溶液浓度Ur：0.81wt.%、NH3：0.96wt.%、CO2：0.11wt.%升压至2.3 MPa后，与来自水解塔底部的溶液混合，然后通过水解塔换热器换热后进入水解塔顶部。再利用水解塔底部2.5 MPa（A）、325 ℃过热蒸汽将混合液水解，达到外排标准[1，2]。

2 设备简介及性能参数

水解给料泵设计为三级叶轮，泵体外缸采用垂直剖分，内缸采用水平剖分的形式；壳体材质为316、泵轴材质3Cr13，叶轮材质316；轴承箱为悬臂式，采用两盘7312BAU 角接触球轴承和一盘NU312 圆柱滚子轴承定位和支撑，止推侧两盘角接触球轴承采用面对面安装，轴承箱与泵体靠锥销定位和螺栓连接，前后轴承润滑方式为飞溅润滑，轴封两端采用双端面机封。该泵主要性能参数（见表1）。

表1 水解给料泵主要性能参数

3 水解给料泵振速高的原因分析

该泵自2018 年原始开车以来，运行中多次出现轴承箱振速高、轴承烧损的现象，开车以来历次出现的问题（见表2）。

从表2 看出水解给料泵出现故障主要是轴承振速高和轴承有异音，而从历次拆检泵体检查到的主要原因有：电机和泵对中偏差大；止推轴承调整间隙有缺陷；轴承外圈存在跑套现象；间隙汽蚀引起转子振动等。

表2 水解给料泵试车以来出现的故障

3.1 泵和电机对中偏差大，泵体单侧有吊脚现象

水解给料泵用百分表检测泵与驱动电机对中，检测结果是泵和电机同心度超差，即两轴中心线不在同一条直线上，径向偏差为0.30 mm，端面为0.20 mm；用塞尺检查泵肩四角和电机地脚螺栓是否存在吊脚现象，结果电机四角无间隙，而驱动端面朝泵体方向右脚有0.06～0.12 mm 间隙，存在吊脚现象。

3.2 止推轴承的间隙调整与标准误差大

水解给料泵解体前盘车转子有卡涩现象。拆卸自由侧轴承箱发现，面对面装配的角接触球轴承SKF7312B-AU 内外圈滑道、滚珠、保持架磨损严重，且轴承装配到轴承箱后的间隙都已超标：泵轴的工作窜量为0.25 mm，泵轴的膨胀量为0.40 mm，泵轴的抬量为0.20 mm。这些数值与泵和轴承制造厂家所给的标准有很大差距。这些标准的降低最终导致泵在实际运行中随着负荷的增大从而造成轴承箱振速升高。

3.3 轴承外圈与轴承箱配合间隙超标，轴承箱内孔存在跑套现象

水解给料泵自由侧轴承箱拆检后发现轴承箱内孔与轴承外圈有相对滑动的痕迹，而且用内径量表检测轴承箱内孔最小尺寸为Φ130.04 mm，最大尺寸为Φ130.08 mm，与之配合的轴承外圈尺寸为Φ130.00 mm。从三个数据的对比与差值说明轴承箱内圈已磨损成椭圆，且此处配合间隙为0.04～0.08 mm，说明轴承外圈已跑套，这是造成该泵振速高的另一主要原因。

3.4 叶轮、壳体口环冲刷、腐蚀严重，间隙汽蚀引起泵体振速升高

水解给料泵解体大修时发现叶轮口环间隙超标，一级、二级、三级口环间隙实测为2 mm，标准为0.55～0.65 mm；二级壳体口环因汽蚀冲刷而脱落，平衡鼓磨损严重，间隙达到0.65 mm，而且圆周有2～3 mm 的深槽（见图1），这些间隙超标造成间隙汽蚀在转子动静摩擦部位发生，从而造成泵振速的升高。

图1 冲刷磨损的叶轮口环及平衡鼓摩擦副

4 水解给料泵振速高的改造措施

4.1 提高对中精度，消除吊脚对机泵振速产生的影响

提高水解给料泵的找正精度就是要保证泵轴的中心线与电机的中心线重合。如果泵和电机不对中，则会引起机泵振速的升高，并影响轴、轴承、机封、叶轮及轴上其他零件的正常运转，甚至会引起整台机器的振动；该泵在现场安装过程中存在吊脚现象，即泵肩的四个支点与基座存在间隙。如果泵出入口管路与泵连接应力过大，或者管路支架强度不够都会造成管路对泵体产生下压或者上拉的应力，从而破坏泵与电机的同心度，造成泵体产生振动。该泵用三表找正法检查电机与泵的对中，找正过程中执行膜片联轴节径向小于0.08 mm，端面小于0.05 mm 的标准；同时用0.20 mm 不锈钢垫消除驱动端面朝泵方向右侧0.06～0.12 mm 的支脚间隙（见图2），从而彻底消除找正精度不高和吊脚引起机泵振速高的隐患。

图2 不锈钢垫片消除吊脚位置图

4.2 改造轴承装配方式，消除角接触球轴承间隙过大引起的振动

水解给料泵止推轴承原始安装是两盘SKF7312BAU 角接触球轴承，安装形式为面对面装配（见图3）。面对面装配的轴承可承受作用于两个方向上的轴向载荷，但每个方向上的载荷只能由一个轴承承受，而且在实际装配过程中轴承外圈和压盖的间隙调整比较困难。当轴承外圈和压盖的轴向间隙过大时，泵运行时泵轴的径向晃动很大，造成叶轮口环等动静部件的碰磨；当轴承外圈和压盖的轴向间隙过小时，在泵没有运行时轴承就已经承载一定的预载荷，当泵启动后轴承压盖与轴承外圈之间摩擦易造成轴承温度和振速升高，从而损坏轴承。为了降低振速和更易调整轴承外圈和压盖的膨胀间隙，将面对面原始安装的两盘SKF7312B-AU 角接触球轴承改造成背对背安装的角接触球轴承NSK7312BDB。背对背角接触球轴承的装配形式轴系刚性高，转子不仅能承受较大倾覆力矩，而且可承受双向轴向载荷。改造后的角接触球轴承按照背对背轴承装配要求将轴的工作窜量调整至0.10～15 mm，转子的膨胀间隙调整到0.15～0.20 mm，泵轴抬量调整到0.08～0.12 mm。这一技术的改动彻底解决了原始轴承安装方式的不同造成泵振速高的问题；同时装配间隙标准的提高，也为该泵长周期运行打下坚实的基础。

图3 面对面安装的轴承

4.3 提高轴承外圈与轴承箱内孔的配合精度，消除轴承箱内孔的跑套现象

滚动轴承内圈和轴颈装配方式通常为基孔制，过盈配合；滚动轴承外圈和轴承座装配方式通常为基轴制，过渡配合。内圈和轴之间，外圈和座孔之间不允许有相对滑动，当出现打滑现象时称为跑套。跑套对设备正常运行影响非常大，加速轴承、轴承箱、轴的磨损，甚至烧损轴承和轴。跑套造成轴承外圈与轴承箱内孔相对滑动，把大量的能量转化成了无用的热能和噪声，从而造成了泵体和轴承箱振速和温度的升高。从设计、制造、温差等方面对水解给料泵轴承外圈与轴承座的跑套现象进行了分析和研究，得出造成跑套的主要原因是轴承外圈与其配合的轴承箱内孔是间隙配合及装配不当造成的。为此将水解给料泵的轴承外圈与轴承箱装配方式定为过渡配合，配合间隙为-0.015～0.015 mm。在实际修复轴承箱的过程中采用激光熔覆焊，将轴承箱内圆加工到过渡配合尺寸Φ129.99 mm～Φ130.01 mm，而后与Φ130.0 mm 轴承外圈相配（见图4），配合表面粗糙度为Ra0.8。这种改造大大提升轴承箱的稳定性，彻底消除了间隙配合和跑套现象对振速升高的影响。

图4 轴承箱内圈跑套重新加工处理

4.4 调整动静配合间隙，消除间隙汽蚀对转子振速的影响

水解给料泵动静配合间隙的设定因素包括轴的挠度、隔板止口间隙，温升导致的热膨胀、转子的晃动量、前后轴承箱与转子的同心度及汽蚀等。该泵拆检复测叶轮与壳体口环间隙2 mm，平衡鼓与节流衬套间隙0.65 mm，且口环冲刷脱落，平衡鼓磨损严重，这主要是间隙汽蚀造成的（见图5）。水解给料泵是三级离心泵，属于多级离心泵的范畴，而多级离心泵对于口环摩擦副、级间摩擦副及平衡鼓摩擦副的间隙要求严格。而间隙汽蚀现象在高压多级离心泵运行中极易造成间隙破坏，表象就是离心泵的摩擦副严重磨损，平衡机构出现汽蚀剥蚀的现象。间隙汽蚀的成因是由于多级离心泵转子挠度的存在，导致动静摩擦副沿圆周方向间隙不均匀，而设计过程中要保证泵轴挠度最低位置有一定间隙，以确保转子转动过程中不会接触。然而在工作过程中，摩擦副沿圆周方向间隙不同，导致泄漏量及压降不同。压降的不同造成局部气体析出，析出的气体会随着高速旋转，导致气泡在小间隙位置高压溃灭，对转子产生径向冲击，从而造成转子轴心轨迹的改变。随着冲蚀的积累，导致振动加大，尤其是摩擦副材料选择不正确或表面硬化不合理时这种影响更大。在实际的装配过程中，对口环和节流衬套表面进行调质渗碳改造（见图6），间隙调整到0.60 mm；对平衡鼓表面进行熔敷焊后上磨床将间隙加工调整到0.50 mm。这种表面硬化处理和间隙的调整彻底降低了间隙汽蚀对转子振速的影响，从而大大提高该泵运行的稳定性。

图5 间隙汽蚀造成叶轮口环冲刷

图6 叶轮口环表面调质渗碳处理

5 结语

国产化大化肥尿素装置水解给料泵是关键设备，在前期试车和后期装置满负荷运行中，多次出现振速高、温度高而影响尿素装置长周期运行的隐患。针对该泵出现振速高的难题，经过工艺、设备及制造厂家的工程技术人员分析原因和制定改造对策。在经过多次技术改造后延长了该泵的检修频次，提高了尿素水解给料泵的运转周期，保证了国产大化肥尿素装置的长周期稳定运行。同时也为解决同类设备出现的故障提供了一条技改之路，为大化肥关键设备国产化的推广做出了贡献。