爪型干式真空泵的国产化改进应用

周 强，张胜飞，胡 锦，涂 运

（宁波巨化化工科技有限公司，浙江 宁波 315204）

在氯碱化工行业经常采用减压蒸馏方法提取更多的轻质组分，通过降低蒸馏系统压力，使被蒸馏的原料沸点范围降低，从而降低精馏塔的能耗[1]。减压蒸馏的核心设备是减压塔和塔顶的抽真空系统，抽真空系统使塔顶的压力降低到负压状态，将塔内的不凝气连续抽走以保证减压蒸馏塔的真空度要求。目前常用的抽真空设备主要有水喷射真空机组、水环真空机组、干式罗茨真空机组、爪型干式真空泵等。而真空设备运行过程中易出现的转子表面结焦结碳累积卡死、内部金属材料构件腐蚀、轴封机械密封泄漏和系统运行时产生废水难以处理等问题。尤其是氯碱化工行业因物料中存在游离氯，在泵体内金属材料发生氯离子腐蚀生成氯化亚铁、氯化铁等无机盐造成设备内堵塞、机械密封泄漏与转子表面磨损、轴承损坏等，解决这些问题方可保证机组稳定运行。

某公司精馏系统为四塔负压精馏，系统负压需要控制在-93 kPa以下，为减少废水处理费用，最初选用了干式罗茨真空机组，在使用过程中因尾气中携带的有机气体在泵体内结焦造成真空泵经常性卡死、轴封磨损泄漏等问题，造成检维修费用急剧增加，后经过现场调研与论证选择某合资品牌进口爪型干式真空泵替代。因工况比较恶劣，物料较为特殊易结碳、腐蚀等，在近几年装置运行过程中，进口爪型干式真空泵也出现运行温度控制不稳定、泵体内部腐蚀严重、机械密封经常性磨损导致气相物料串入润滑油系统、真空度达不到系统要求等一系列问题。在分析原进口爪型干式真空泵的运行现状后，结合设备费用成本综合考虑，采用国产爪型干式真空泵代替原进口爪型干式真空泵，并在设备更新改造过程中进行一系列的工艺流程优化和关键部件安全提升，改造后实现了长周期安全稳定运行及节能减排的目标。

1 爪型干式真空泵工作原理

爪型干式真空泵主要有泵腔内无油、无介质污染、单泵真空度高等优点，理论上爪型干式真空泵内不会有水存在，酸性气体无法形成酸液，对设备无腐蚀，且设备内有少量颗粒杂质能排出泵体，减少在设备内发生累积造成设备卡死故障发生。这是其他类型的真空设备无法比拟的，其工作原理如下。

当电机开始工作时，电机通过电机齿轮传递给介轮转动扭矩，再由介轮传递给主动齿轮带动同步从动齿轮做同步反方向运转，主动轴、从动轴便带动一级转子、二级转子、三级转子、四级转子进行连续吸排气做功，被抽气体通过进气口进入进气通道，在一级转子对的压缩下，一级泵腔内的气体通过一级排气道进入二级泵腔，二、三、四级泵腔内的气体做同样的运动，经四级排气道进入冷凝缓冲区，液体流向排液道，通过液体收集口可直接回收，残存气体通过消声器经排气口排出泵外，从而达到抽真空以及气液分离的效果。

2 设备运行工况介绍及故障分析

原爪型干式真空泵在多个不同工况下运行，主要物料工况均为有机溶剂气体，在物料气纯净的工况下能保证设备长周期稳定运行，达到设计时的理论运行周期。但由于该四塔负压精馏工况的物料含氯离子和有机物溶剂，出现泵内腐蚀无机盐和有机物结碳累积造成转子卡死、轴承安装部位打滑磨损，导致轴径向串动、机械密封结碳物在机封空间内累积造成密封面磨损泄漏等，暴露出真空泵在该特殊工况下运行的一些前期设计的缺陷，原真空泵采购成本、维修费用较高且备件采购周期长等影响装置稳定运行，因此提出通过国产化替代与结构优化改造提升设备性能，具体包括以下几个方面。

（1）原真空泵泵头为原装国外批量生产适合通用大众化洁净纯净的真空工艺系统，做不到针对不同工艺工况的特殊性采用针对性的密封或者材料，进口品牌的经销商或者代理商也不能针对实际工况修改设备配置，针对泵头的结构不合理之处不能提出针对性的解决方案。原爪型干式真空泵剖析图见图1。

图1 原爪型干式真空泵剖视图

（2）生产物料中含碳成分较高的碳2、碳6等在泵体内受温度的影响，形成结碳物并累积，同时工艺气中带有的游离氯离子与设备金属材料发生腐蚀形成了典型的晶间腐蚀和酸性介质腐蚀体系，设备运转中会造成转子与壳体磨损、转子表面与泵壳表面腐蚀间隙变大从而导致达不到系统所需的真空度。结碳物在轴封唇形密封与机械密封泄漏导致滚动轴承损坏，润滑油污染失效最终导致设备卡死。

（3）真空泵在运行过程中受载荷变化、振动、机械磨损等因素的影响，造成转子轴承安装部位因硬度不够而磨损后发生串动，从而导致转子表面磨损，严重者导致真空泵卡死。

（4）外挂式换热器通过温包感应周围环境温度的变化而产生体积变化，带动调节阀阀芯产生位移，进而调节冷却水的水量来改变换热器的散热量。温控阀设定温度可以人为调节，温控阀会按设定要求自动控制和调节冷却水的流量，从而达到控制泵体温度的目的，但也存在热交换器结垢后导致泵运行温度持续过高的故障情况。

（5）原工艺流程比较简单，塔顶尾气直接进入爪型干式真空泵，未进行有效的分离、冷凝、过滤等，有机溶剂气体和颗粒物直接带入，易在泵内累积、结焦、结碳等，通过外挂式换热器进行换热，不易有效控制设备运行温度，造成设备转子卡死磨损等故障的发生。

3 国产化改进方案及实施情况

结合原有真空泵的几年使用经验，尤其是既有有机溶剂又有酸性介质的恶劣工况，通过分析原真空泵在生产过程遇到的各类故障问题，通过采用5Why分析法与运行数据统计分析，出于降低检修故障率与检修费用、安全环保提标、节能降耗的需求，并从设备结构方面、材料选择方面和实际工艺工况做优化更新并增加适当配置，解决了困扰在使用过程中的卡机现象、温度过高、频繁过载、设备内部腐蚀、机械密封泄漏等诸多问题。主要改进与优化措施如下。

（1）现有国产爪型干式真空泵在原有球墨铸铁的基础上把壳体材料重新升级为高镍合金铸铁、转子材料更换成了双相钢材质、整机的加工制造使用刀具为瑞典专用刀具，车间均为最先进的加工中心，并配备有三坐标检测仪等高端设备。在产品检验方面拥有多种规格的专用转子间隙调整检测仪、多功能三坐标仪，对原材料的机械性能试验也有专门的检验检测设备，现场产品零部件标识齐全并有迹可循，产品加工单签名和检测数据均有效流转，为零部件可靠性提供了有力保障。设计及制造按照API619执行，采用变频调节，能够实现大范围（30%～100%）的节能调节。保证设备在某些有机溶剂和腐蚀性介质工况下，使用寿命能显著延长。

（2）现有国产爪型干式真空泵使用的机械密封采用定制的集装式串联式机械密封[2]，具有加工精度高、弹性回弹量均匀、更换动静环方便等优点。该机械密封也可以根据用户需求定制，产品关键部件可根据实际工况定制。相比于原真空泵采用的普通单端面机封，不论是使用寿命还是防渗漏方面都有极大的改进。改造后机封结构图见图2。

图2 改造后机封结构图

（3）冬季低温天气或长时间停机易造成轴承润滑失效，在设备启动时，容易导致转子轴承安装部位磨损、设备运行振动逐渐增大。在设备国产化应用改造中，转子锻钢加工成型后在型线表面和轴颈部位采用激光熔覆技术[3]以提高表面硬度到HRC55以上，大大提高了轴承安装部位的耐磨性能，确保降低轴承的径向串动所引起的设备故障。

（4）原真空泵的冷却方式为外挂式换热器的间接冷却形式，通过温包感应周围环境温度的变化而产生体积变化，带动调节阀阀芯产生位移，进而调节冷却水的水量来改变换热器的散热量，现国产真空泵改造为泵体内通工业水直接冷却，换热面积在原计算值的基础上提高至150%，最大限度避免了夏季高温天气由于冷却器换热面积不够而引起的运行温度高导致机组跳机现象。

（5）在生产工艺流程方面也进行了相应的优化，增加相应的泵前分离、冷凝、过滤等配置，并配备整机的在线清洗吹扫、停机前的溶剂清洗和氮气吹扫等辅助手段，并在泵后增加尾气冷凝和吸收系统，这样既保证了设备的稳定运行，又降低了尾气VOC的排放、而且整机配备全智能化系统和恒压变频调节，既满足了生产需求又大大降低了能耗、达到节能减排的目的。减压蒸馏塔爪型干式真空泵工艺流程图见图3。

图3 减压蒸馏塔爪型干式真空泵工艺流程图

4 改造后效益和性能对比

4.1 技术性能测试

爪型干式真空泵国产化改造后，设备运行温度基本保持在75℃上下，满足运行温度上限90℃以内，蒸馏系统塔内的真空一直稳定在-95 kPa以下，轴向与径向振动值的线速度控制在2.8 mm/s以内，满足爪型干式真空泵稳定运行要求的指标。

4.2 运行维护成本效益

在负压精馏恶劣工况下的爪型干式真空泵运行周期由原来的4个月提高至可以稳定运行一年，由于原先的4个月为故障维修周期，解体后内部腐蚀与磨损导致部件更换较多；而目前一年的计划性拆检仅为解体清理等一些常规性的维护保养。综合日常检修涉及到现场交出、检修工器具、返修备件更换等费用，该项目改造后能节省30万～40万元/a。爪型干式真空泵改造情况对比表见表1。

表1 爪型干式真空泵改造情况对比

5 改造经验

在负压蒸发精馏方面、氯碱化工、含有机溶剂物料工况等方面先后对原设计工艺做出如下改进。

（1）泵腔与润滑油腔室间的动密封原采用单一型唇形密封，改为复合型唇形密封，有效提升唇形密封使用寿命3倍以上。此唇形密封为爪型干式真空泵、罗茨真空泵等类型设备长期运行的薄弱环节，直接影响到设备的运行维护周期。可采用更为可靠的集装式串联式机械密封，加上隔离氮气气封可彻底解决该泄漏问题。

（2）新技术、新材料、新工艺、新设备的应用彻底解决了以往通过改变装置生产工艺工况无法解决的问题，如壳体材料重新升级为高镍合金铸铁、转子材料更换成双相钢材质解决腐蚀问题；专用转子间隙调整检测仪、拥有多功能三坐标仪保证转子配合间隙等。

（3）改变传统僵化的思维模式，外挂式冷却器为目前市场上爪型干式真空泵一般常用的换热方式，推翻原有的设计构思将其改为直冷式换热，换热面积也在原计算值的基础上提高至150%，最大限度避免了由于冷却器换热面积不够或换热效果不佳而引起高温造成机组跳机现象。

6 结语

该公司在汇总分析原进口爪型干式真空泵历史运行数据与每次故障处理措施的基础上，利用日常生产设备定期维护保养，有针对性对设备关键部件进行了国产化应用改造优化或替换，从后期设备运行效果看，国产化爪型干式真空泵的稳定运行周期、设备主体部件内部腐蚀、冷却换热温度控制效果、唇封与机械密封的密封效果、轴承使用寿命等，在恶劣工况下都取得了较为明显的改善，极大地提高了生产装置运营绩效。更重要的是，通过对运行数据的分析与总结，定期对设备返厂解体保养，将故障控制在可预见且可控范围内。

公司在设备改造过程中的“四新”技术优化经验，如激光熔覆技术、壳体高镍合金铸铁与转子双向钢新材料、集装式串联式机械密封的应用等，为氯碱化工行业其他相似工况也提供了借鉴，为爪型干式真空泵结构优化提供了较好的参考，同时也为降低罗茨真空机组运行机封泄漏率积累了宝贵的经验。