天然气净化装置急冷水泵磨损问题及技术改进

魏旭东，石国乾，李贵新，姜海礁

（1.中国石油大庆油田试油测试公司，松原市138000）

（2.中国石油吉林石化分公司炼油厂，吉林市 132022）

（3.中国石油天然气股份有限公司吉林石化分公司，吉林市 132022)

天然气资源在我国整个能源结构体系中占据着非常重要的位置，在改善民生、提升人民生活质量和促进国民经济发展方面发挥着关键的作用。开采得到的天然气资源通常需要进行净化后才能够正常使用，天然气净化装置中的尾气处理工艺流程中需要使用急冷塔和急冷水泵。受工作环境的影响，急冷水泵工作时容易出现磨损问题，影响急冷水泵运行过程的可靠性和稳定性，进而影响整个天然气净化装置中尾气处理工艺环节的连续性。基于此，有必要对天然气净化装置急冷水泵工作时发生磨损的原因进行深入分析，在此基础上提出建设性的技术改进措施。本文的研究对于提升急冷水泵的服役寿命和整个天然气净化工艺过程的稳定性，具有一定的理论和实践意义。

1 天然气净化中尾气处理概述

在对天然气资源进行生产加工时，排出的尾气中通常会包含有硫化物，如H2S、SO2等，如果直接对外排放，不仅会对周围的环境造成严重污染，还会造成资源的浪费，所以还需要对尾气进行进一步的处理，以降低尾气中的各类硫化物含量，避免对环境造成污染。如图1所示为天然气净化中尾气处理的工艺过程图。

图1 天然气净化中尾气处理工艺过程

整个处理过程可划分成三个阶段，分别为还原段、急冷段和吸收再生段。其中，还原段是在反应器中添加氢气和还原剂，对尾气中的各类硫化物进行还原处理。由于还原反应会释放大量热量，使气体温度升高，急冷段的作用是对高温气体进行冷却处理，同时消除气体中的水蒸气。考虑到气体中包含有酸性成分，所以对冷却水的pH值有一定的要求。吸收再生段的作用就是对硫磺进行回收。

2 急冷水泵磨损问题及其原因分析

2.1 急冷水泵磨损问题

急冷水泵的主要作用是为冷却塔提供循环水，对锅炉中排出的高温气体进行冷却降温，同时使内部包含的水蒸气进行凝结。天然气净化装置中使用的急冷水泵具体型号为2.5GC-6×8，水泵的出口压力和流量分别可以达到2.5MPa和50m3/h。如图2所示为急冷水泵机械密封结构示意图。水泵整体上为两端支撑式结构，基于内装式单端面大弹簧对水泵进行机械密封，密封面中的动环和静环分别通过碳化硅和石墨材料来生产加工。急冷水泵在运行初期整体比较稳定，但是经过长时间的运行以后，水泵的机械密封装置经常出现失效的现象，导致急冷塔的冷却水流量达不到设计要求，使冷却效果大打折扣，对生产工艺过程造成了严重的不良影响。对水泵进行拆解后发现机械密封装置存在明显的磨损现象。

图2 急冷水泵机械密封结构示意图

2.2 磨损原因分析

(1) 固体颗粒物

由于天然气净化中尾气处理工艺过程较为复杂，工作时急冷介质中不可避免的会混入一些杂质和固体颗粒物，如图3所示为急冷介质中固体颗粒物连续12个月的变化情况。从图中可以看出，固体颗粒物的含量在4000～6000mg/L范围内变化。急冷介质中包含的固体颗粒物，不仅会对机械密封结构件的表面造成严重的冲刷，更重要的是使机械密封结构件之间的相互摩擦形成变成了颗粒磨损。与其他磨损形式相比较而言，颗粒磨损的速度最快。所以，急冷介质中包含有大量的课题颗粒物是导致急冷水泵出现严重磨损的最主要原因。

图3 急冷介质中固体颗粒物的变化情况

(2) 急冷介质pH值

急冷水泵工作时，介质中不仅会混入固体颗粒物，还会混入部分酸性物质导致介质整体的pH值降低。众所周知，介质的pH值越低对金属的腐蚀作用越强，而急冷水泵机械密封装置内部包含有很多金属物，如果介质pH值控制不当，会对机械密封装置造成腐蚀，从而加速磨损过程。通常情况下，急冷介质的pH值应该控制在6～9范围内，使之保持中性。但是前期在对急冷介质进行检测时，发现急冷介质的pH值普遍在4～7范围内，呈酸性。所以认为急冷介质的pH值偏低是导致机械密封磨损的重要原因之一。

3 急冷水泵磨损技术改进措施

3.1 机械密封结构改进

急冷水泵原有的机械密封结构中，各类密封元件并没有与急冷介质进行有效隔离，导致介质中包含的固体颗粒物会在密封元件表面堆积。所以对机械密封结构进行技术优化改进时，主要的思路是将急冷介质与重要的密封元件进行有效隔离，避免两者发生接触，从而加速机械密封磨损，影响急冷水泵的使用寿命。如图4所示为优化改进后的急冷水泵机械密封结构示意图，最大的改进是添加了隔离套，见图中的红线部分，可有效实现机械密封元件与冷却介质之间的隔离。另外，为了提升机械密封结构中动环和静环的耐磨性，将原有的碳化硅和石墨材料全部替换成为硬质合金，此类型材料具有很高的硬度和耐磨性，可有效缓解工作时的磨损问题，提升急冷水泵使用寿命。

图4 改进后的急冷水泵机械密封结构示意图

3.2 机械密封防腐控制

虽然通过机械密封结构的改进使急冷介质与重要密封元件产生了隔离，但为了进一步提升急冷水泵的使用寿命，仍需要做好密封元件的防腐工作。为避免急冷水泵机械密封装置工作时发生腐蚀进而加速磨损现象的出现，需要强化机械密封结构的防腐工作，从被动防腐和主动防腐两个方面着手：第一为被动防腐，基于先进的防腐涂层技术对所有的机械密封结构件表面全部涂上耐腐蚀涂层；第二为主动防腐，在整个生产过程中，需要对急冷介质的pH值进行实时监测，如果发现pH值偏低，则立即向内部添加适量的碱性调和剂，确保pH值控制在6～9范围内。

4 技术改进实践应用效果评价

基于上文所述的磨损问题技术改进措施对急冷水泵开展技术改造工作，将改造后的急冷水泵应用到天然气净化装置中的尾气处理中，并进行连续12个月时间的观察。结果发现，在整个观察期间急冷水泵的运行过程较为稳定与可靠，没有出现明显的故障问题，出水压力和流量均保持在设计要求的范围以内，为整个工艺过程的顺利推进奠定了良好的基础，同时还降低了急冷水泵的日常维护保养成本。可见，此次针对天然气净化装置急冷水泵磨损问题的技术改造工作是成功的，取得了期望的实践应用效果，改善了整个工艺过程的可靠性，为企业创造了良好的经济效益。

5 结论

对天然气净化装置急冷水泵的机械密封结构磨损问题进行了深入分析，并提出对应的技术改进措施，所得结论如下：（1）急冷水泵中使用的介质中混入了大量的固体颗粒物，使机械密封结构件之间的摩擦形式变成了颗粒磨损，是导致水泵发生严重磨损的主要原因；（2）介质的pH值偏低，整体上呈酸性，对机械密封结构件造成了一定程度的腐蚀，加剧了机械结构的磨损；（3）对急冷水泵机械密封结构进行优化改进，使介质与重要的密封结构元件进行有效隔离，同时对机械密封进行防腐控制，有效解决了急冷水泵磨损问题，为企业创造了良好的经济效益。