大型乙烯装置急冷油泵国产化研发与应用

李博源

（中国石油大庆石化公司化工一厂，黑龙江大庆 163700）

0 引言

急冷油泵是乙烯装置的重要设备，由于急冷油黏度变化大、含有大量硬质焦粉颗粒，急冷油泵的壳体、叶轮等零部件会出现严重的磨损腐蚀，严重影响泵的连续运转寿命。这类泵的性能要求已超过国产普通BB2 泵的范围，基本上是由国外著名品牌泵制造公司生产。

E3（裂解三套）装置急冷油泵出口的急冷油有两个去向：一是为裂解炉EF3110-3170 急冷器提供降温急冷油，二是为急冷油循环与工艺水换热器发生稀释蒸汽。在生产过程中，一旦急冷油泵能力不足或发生故障，将影响急冷油系统的取热、降低稀释蒸汽发生量，进而造成急冷油温度升高、黏度增大、急冷系统热量失衡，严重时装置被迫降低负荷。2018 年装置运行末期，曾多次因为急冷油泵能力不足及检修降低装置负荷，影响了装置的整体经济效益。因此，需要针对装置的工艺参数及原料特点，研制一种能够长周期稳定运行的急冷油泵，以保障急冷油系统正常运行。

1 国内外技术现状分析

1.1 国外技术现状

目前进口急冷油泵主要有两种技术类型，分别是HVOF（High Velocity Oxygen Fuel，超音速喷涂）技术和口环冲洗技术。其中，HVOF 技术初期成本投入较高，但综合维护成本相对较低；口环冲洗技术需要持续注入外部的高压冲洗源，年消耗量较大。从节能角度来看，HVOF 技术的急冷油泵更具潜力。

HVOF 工艺是将粉末注入高速火焰中，然后将粉末喷到基材上、形成致密均匀的涂层。由于基材未被加热至熔化，其性能不受涂层应用的影响。部分国外泵业公司如SULZER（美）在急冷油泵上对过流部件进行HVOF 处理，提高材料的耐磨性能。

化工一厂乙烯车间原有的3 台急冷油泵就是SULZER 生产制造的，采用超高音速喷涂技术，自2012 年10 月现场投用后至今，未出现过因过流部件冲蚀损坏而导致停机检修的情况，运行状况良好。

以德国、日本泵企为代表的急冷油泵制造厂家，主要采用口环冲洗技术。其设计思路为：通过外部高压冲洗源，对口环处进行冲洗，防止急冷油中介质颗粒对口环产生磨蚀，同时口环间隙处可以获得足够的润滑，防止发生干磨。此技术需要消耗2.5～10.0 m3/h 的冲洗液，年消耗量约5 万立方米，但在镇海炼化、中科（广东）炼化等项目也有应用。

1.2 国内技术现状

中国水利水电科学研究院对HVOF 涂层材料的抗磨蚀特性与应用进行了分析，通过磨损试验证明碳化钨涂层的磨损率远小于Cr13Ni4 材料。因此，在实验室条件下碳化钨涂层具有极强的抗磨性。

在本项目实施之前，尚没有使用HVOF 喷涂技术的国产大型乙烯装置急冷油泵。

2 技术关键点

根据目前急冷油泵工况条件和运行参数，结合日常急冷油泵检修维护经验以及密封使用经验，提出急冷油泵设计、生产、制造的技术关键点（表1）。

表1 急冷油泵设计、生产、制造的技术关键点

3 技术要求

当前，世界公认的泵用先进标准API 610—2010《石油石化及天然气工业用离心泵》，国产化急冷油泵也参考该标准作为研发的技术要求。额定点扬程、效率不允许有负偏差，扬程允差0～3%；额定功率性能允差在＋4%；距声源1 m 处声压值不大于85 dB（A）；工厂试验轴承箱油池温度不超过80 ℃，油池温升不超过39 ℃；额定汽蚀余量不允许有正偏差；关死点扬程不允许超过规定值；同时要求与现装置的3 台急冷油泵任一台并联运行，实现互为备用。

大庆石化化工一厂乙烯车间急冷油泵的设计扬程120 m，效率88%，汽化压力0.074 MPa，额定流量3267 m3/h，转速1475 r/m，功率1500 kW。

4 设计与制造特点

4.1 主体材料耐磨性的保证

叶轮和壳体采用耐磨工艺方法，可以有效防止口环处焦炭颗粒的磨损。通过对两家喷涂技术供应商技术验证、6 件喷涂样件对比、6 组结合力验证样件检验，最终确定喷涂技术主要特性满足项目应用要求：①涂层外观均匀，无划痕和裂纹；②轮口环变形量满足设计要求；③喷涂加工面PT（Penetrant Testing，渗透检测）检验无缺陷，满足设计要求；④喷涂层厚度满足设计要求；⑤喷涂层硬度不小于62 HRC，满足工艺要求；⑥口环镶装后涂层完好，满足装配要求；⑦体口环和叶轮，均匀加热至300 ℃，喷涂层完好，满足设计要求；⑧喷涂层结合力不小于40 MPa，满足设计要求。

4.2 水力模型设计

该水力模型为高效水力模型设计，采用大流量、高扬程水力设计，能够满足与现场原有进口泵并联运行要求。

通过相关试验，可以得出以下结论：①通过两组不同叶片数水力模型设计，4 次CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）模拟分析，国产急冷油泵额定点效率达到88.3%，满足项目效率要求；②流量扬程曲线与现场进口急冷油泵曲线（曲线斜率1.17）相近，满足并联运行要求。

4.3 主机泵振动性能的保证

主机泵采用大轴径转子抗轴振动设计和壳体抗振动设计，确保设备的振动性能。

（1）泵组模态分析。根据运行工况，分别对整机及转子进行模态分析：整机一阶固有频率为58.624 Hz，与转频（24.58 Hz）有20%以上的安全间隔，满足API 610—2010 的设计要求；转子横向一阶固有频率为82.586 Hz，扭转一阶固有频率为812.59 Hz，满足API610—2010 的横向分析和扭转分析要求。

（2）严格的制造过程管控，保证机组振动性能满足设计要求：①轴振位置“辊压”处理，粗糙度Ra0.4；②退磁处理，轴剩磁含量低于2 Gs；③轴振位置机械和电气跳动值不大于0.01 mm；④转子部件动摩擦副跳动值不大于0.05 mm；⑤轴振探头夹角检查；⑥轴瓦内孔尺寸测量。

4.4 机械密封的可靠性保证

关于国产泵机械密封的选型，可以从以下4 个方面开展。

（1）调研结果。通过调研发现，国内已实现急冷油泵机械密封国产化，主要采用PLAN32+53 冲洗方案，配静止型波纹管、效果较好，本次新国产泵决定选用PLAN32+53A 方案。

（2）结构优点。静止型波纹管，耐高温、稳定性好，而双端面机械密封设计，更符合高危泵管理要求，降低现场运行风险。

（3）价格优势。相对进口机械密封，国产机械密封价格更低，且服务相应速度更快。

通过研究可知，本次选用的机械密封可以满足项目长周期、稳定运行的要求。

5 出厂及现场测试

5.1 出厂测试

为检验国产急冷油泵整机的性能指标，确认达到设计要求。在大连深蓝泵业有限公司工厂试验台进行出厂性能验收试验，试验项目包括性能试验、运转试验、汽蚀试验，试验效果良好，满足性能指标达到API 610（第11 版）和该项目技术协议的要求。

5.1.1 试验方法

（1）性能试验的试验方法。主要分为水力性能和振动性能试验，其中前者采用的标准为GB/T 3216—2016《回转动力泵 水力性能验收试验1 级、2 级和3 级》（ISO 9906：2012，IDT）中1 级标准；后者（振动性能）采用的标准有3 个，分别为GB/T29531—2013《泵的振动测量与评价方法》、API 610—2010 和API 670—2014《振动、轴向位置和轴承温度监测系统》。

（2）运转试验的试验方法。试验方法主要有3 个：①油池温升，相关标准为API 610—2010；②噪声测量，相关标准为GB/T 29529—2013；③轴封泄漏量，相关标准为API 682—2014《离心旋转泵的轴封系统》。

（3）汽蚀试验的试验方法：GB/T 3216—2016（ISO 9906：2012，IDT）中1 级标准。

5.1.2 工厂试验结果

国产化急冷油泵出厂验收试验数据见表2。

5.2 现场测试

试验完成的国产急冷油泵于2019 年9 月出厂，2020 年8月装置现场完成所有配套施工并验收合格，并对国产急冷油泵进行了现场试运。试运一次成功，各项指标均正常，机泵各点振动均处于优良状态，全部达到工况参数要求，并能与装置原有的3 台进口急冷油泵的任一台并联运行，实现互为备用（表3）。

表3 现场试运数据

6 结束语

国产化急冷油泵经过两年的工业装置的安全稳定运行，各项性能指标达到国际先进水平，满足工业装置运转需求，标志着国内已具备大型乙烯装置急冷油泵国产化的设计和制造能力，打破了国外垄断，填补了国内空白。国产急冷油泵替代进口急冷油泵后，不仅采购成本显著下降，而且还可以为急冷油泵的维护提供快速响应和服务，降低装置运营维护成本，经济效益明显。