真空水環(huán)泵結(jié)垢防腐清洗工藝研究

潘 巖，晉西潤，薛光亭，葛玉龍，馬方義

(中海油(青島)重質(zhì)油加工工程技術(shù)研究中心有限公司，山東 青島 255434)

國內(nèi)外常減壓蒸餾裝置減壓塔塔頂抽真空系統(tǒng)一般采用水蒸氣進(jìn)行抽真空。從20 世紀(jì)70 年代起，國外部分常減壓裝置開始嘗試用水環(huán)抽真空泵替代最后一級蒸汽噴射泵，其中許多常減壓蒸餾裝置利用羅茨真空泵［1］或者是液環(huán)真空泵［2］替代減壓蒸餾的第三級或者第二級蒸汽抽真空，目前國內(nèi)已在燕山、鎮(zhèn)海、長嶺等石化公司已成功應(yīng)用［3］，取得了明顯的節(jié)能效益，并且由于能夠減少含硫污水的產(chǎn)生，在環(huán)保方面具有明顯的優(yōu)勢。

真空泵做功的特點(diǎn)是當(dāng)葉輪按規(guī)定方向轉(zhuǎn)動時，工作循環(huán)水在泵體內(nèi)壁形成與葉輪一起轉(zhuǎn)動的水環(huán)。葉輪轉(zhuǎn)動過程中，葉片與水環(huán)形成的封閉空間容積擴(kuò)大或縮小，真空泵吸排氣做功。但真空泵徑向及端面間隙都比較小，運(yùn)行時容易被工作水混有的雜質(zhì)或水垢將葉輪卡死而被迫停機(jī)。停機(jī)會威脅裝置的安全生產(chǎn)，制約裝置生產(chǎn)能力，增加生產(chǎn)運(yùn)營成本。因此，分析真空泵結(jié)垢原因，找出適當(dāng)?shù)慕鉀Q措施是保障設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵問題。

1 結(jié)垢情況

某公司作為煉油領(lǐng)域的科研單位，為了探索機(jī)械抽真空完全替代蒸汽抽真空的可行性，降低蒸汽消耗，采用羅茨真空泵與水環(huán)真空泵組合機(jī)械抽真空系統(tǒng)取代原設(shè)計的減壓蒸汽抽真空系統(tǒng)，但在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)水環(huán)真空泵結(jié)垢嚴(yán)重，泵管線內(nèi)壁結(jié)垢厚度約為30 mm，泵內(nèi)葉片上堆滿灰色的垢物，垢物的厚度最厚處達(dá)到50 mm，垢物與管壁，以及如圖1 所示的轉(zhuǎn)子葉片結(jié)合致密，機(jī)械敲擊很難去除，嚴(yán)重地影響了機(jī)泵的正常運(yùn)行，增加能耗的同時也給生產(chǎn)帶來極大的安全隱患。

圖1 轉(zhuǎn)子葉片結(jié)垢情況

結(jié)垢物的形成周期短，3～5 個月就必須進(jìn)行一次徹底清洗，目前普遍采用的方法為采用酸或堿溶劑進(jìn)行清洗處理，清洗劑在清洗過程中會對設(shè)備造成一定腐蝕以致縮短設(shè)備的使用壽命，為生產(chǎn)埋下安全隱患。

2 結(jié)垢原因分析

真空水環(huán)泵運(yùn)行過程中與轉(zhuǎn)子及泵體內(nèi)表面接觸的主要介質(zhì)為新鮮水，新鮮水水質(zhì)成分分析發(fā)現(xiàn)硅質(zhì)量濃度為10 mg/L，硬度(CaCO3)為196.94 mg/L。新鮮水中鈣和鎂的碳酸鹽含量較高。

結(jié)垢物如圖2 所示，表面為灰白色，結(jié)構(gòu)致密、堅硬，機(jī)械難以清除，縱剖面呈現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)，類似頁巖，表明該結(jié)垢物是緩慢沉積形成的。

圖2 結(jié)垢物縱剖面情況

如圖3，對水環(huán)泵結(jié)垢物進(jìn)行X 射線衍射光譜(XRD)分析可知，方解石(CaCO3)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96%;文石(CaCO3)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.7%;巖鹽(Na 0.5981KCl 0.4019)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%。結(jié)垢物主要成分為碳酸鈣。

圖3 結(jié)垢物XRD 圖譜

通過美國Innov 公司的XRF 礦石分析儀測得結(jié)垢物的元素組成為:鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為41.38%，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%，硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.61%，氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.07%，其他碳、氧等元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57.78%。元素分析表明結(jié)垢物中除含有大量鈣鹽化合物外，還有硫酸鹽，硅酸鹽等少量化合物存在。

由以上分析可知，真空泵原密封液來自于新鮮水，新鮮水中的離子都是由無機(jī)鹽類溶于水后電離形成，陽離子主要有Ca2+，Mg2+，Na+和K+，陰離子主要有和Cl-等。密封液經(jīng)真空泵后，出水溫度在50 ℃左右，在受熱條件下，溶于水的鈣、鎂鹽類因受熱分解，轉(zhuǎn)變?yōu)殡y溶于水的物質(zhì)，附著于真空泵轉(zhuǎn)子的葉片上和泵體內(nèi)表面，形成垢物。

3 結(jié)垢物的清洗

3.1 清洗劑的選擇

使用清洗劑后結(jié)垢物質(zhì)量變化情況見表1。從表1 可以看出，氫氧化鈉溶液對結(jié)垢物沒有明顯的溶解效果。考慮到結(jié)垢物中可能存在硅酸鹽，所以采用氫氟酸進(jìn)行浸泡清洗，結(jié)果表明其對于結(jié)垢物的溶解性不好，其原因可能是在溶解過程中氫氟酸與碳酸鈣反應(yīng)生成了難溶的氟化鈣。硫酸的溶解效果差主要是因為與垢物中碳酸鈣反應(yīng)生成微溶的硫酸鈣，阻礙垢物的進(jìn)一步溶解。溶解性最好的是濃鹽酸，但濃鹽酸的溶解現(xiàn)象過于劇烈，溶解的同時可能對泵設(shè)備帶來腐蝕。溶解效果較好的為質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%鹽酸體系或混酸(鹽酸與氟化氫的混合液)體系。

清洗劑需針對結(jié)垢物的組成而進(jìn)行選擇，結(jié)垢物主要為碳酸鈣，因此選擇溶解率最好的鹽酸配成一定比例的溶液作為清洗劑。

表1 使用清洗劑后結(jié)垢物質(zhì)量變化情況

3.2 結(jié)垢物清洗過程中腐蝕防護(hù)

酸洗劑對腐蝕掛片的腐蝕情況見表2。以往設(shè)備清洗過程中往往在酸清洗過后，設(shè)備表面會出現(xiàn)大面積的腐蝕斑點(diǎn)，導(dǎo)致設(shè)備使用壽命明顯縮短，因此對緩蝕體系及清洗緩蝕工藝進(jìn)行了考察。如表2 所示，對316L 材質(zhì)的掛片進(jìn)行腐蝕實(shí)驗結(jié)果表明，氟化氫及鹽酸均有不同程度的腐蝕。所以在清洗過程中加入一定的緩蝕劑是十分必要的。

表2 酸洗劑對腐蝕掛片的腐蝕情況

3.3 緩蝕劑的選擇

根據(jù)相關(guān)工作經(jīng)驗選擇烏洛托品、咪唑啉和三乙醇胺混合劑作為緩蝕劑，咪唑啉緩蝕劑選用泰州先進(jìn)化工生產(chǎn)的低溫緩蝕劑。參照文獻(xiàn)［4］，緩蝕劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)［5］為1%。腐蝕實(shí)驗參照石化標(biāo)準(zhǔn)Q/SH0219-2008《原油蒸餾裝置中和緩蝕劑技術(shù)要求》進(jìn)行，掛片選擇20 號鋼(20 號鋼更能反映出緩蝕劑效果的好壞)。

分別配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%鹽酸、質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%鹽酸+質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%緩蝕劑、質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%鹽酸、質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%鹽酸+質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%緩蝕劑、質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%鹽酸、質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%鹽酸+質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%緩蝕劑共6 種清洗劑，每種清洗劑100 ml，將處理好的掛片放入配好的溶液中。未加緩釋劑的清洗劑中，掛片表面有明顯的氣泡產(chǎn)生，而加入緩蝕劑的溶液中掛片表面僅有少量氣泡產(chǎn)生。并且半小時后，未加緩釋劑的鹽酸溶液中掛片表面明顯變黑。掛片腐蝕實(shí)驗后，未加緩蝕劑的溶液呈淺綠色或淡綠色，該顏色為氯化亞鐵顏色，主要是鹽酸腐蝕掛片產(chǎn)生了氯化亞鐵導(dǎo)致的。隨著鹽酸濃度的增加溶液的顏色也加深。而當(dāng)加入緩蝕劑后，質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%、質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%鹽酸溶液仍能保持無色透明，表明緩蝕劑降低了鹽酸對掛片的腐蝕，減少了氯化亞鐵的生成。加入緩蝕劑的10%鹽酸溶液顏色仍呈淺綠色，但比未加緩蝕劑的溶液體系顏色淺，表明當(dāng)鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過7%時緩蝕劑緩蝕效果下降。因此，酸清洗劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在7%(詳見表3)。

表3 鹽酸溶液中腐蝕掛片腐蝕前后數(shù)據(jù)

掛片腐蝕實(shí)驗后加入緩蝕劑的掛片表面沒有明顯腐蝕痕跡，掛片保持了腐蝕實(shí)驗前試片的金屬光澤，而未加緩蝕劑的鹽酸溶液中掛片表面明顯產(chǎn)生了一層黑色的腐蝕產(chǎn)物。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%鹽酸腐蝕為例(如圖4 所示)，通過金相顯微鏡觀測實(shí)驗可以發(fā)現(xiàn)加入緩蝕劑的鹽酸溶液中金屬表面較好的保持了腐蝕實(shí)驗前的形貌，腐蝕輕微，而鹽酸中的掛片表面呈現(xiàn)均勻的坑蝕，實(shí)驗表明本文選用的緩蝕劑效果明顯。

3.4 油膜密封物理腐蝕防護(hù)工藝

由于水環(huán)真空泵葉片表面結(jié)垢物厚度不均，清洗過程中可能對水環(huán)泵裸露的內(nèi)表面及轉(zhuǎn)子密封面造成腐蝕，一旦密封面腐蝕會給生產(chǎn)帶來安全隱患。為了避免轉(zhuǎn)軸及轉(zhuǎn)子密封面的腐蝕，本文首次通過油膜密封技術(shù)［6］及塑料薄膜進(jìn)行物理包裹的緩蝕實(shí)驗。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%鹽酸中的20號碳鋼金屬棒顏色變黑，并且溶液呈現(xiàn)淺綠色(為氯化亞鐵顏色)，加入緩蝕劑后金屬棒表面保持金屬本身的光澤度;同時進(jìn)行物理包裹的金屬棒外層潤滑脂保持較好，在酸溶液中并沒有被破壞，從腐蝕數(shù)據(jù)對照表5 中可知，物理包裹的金屬棒24 h 失重率明顯下降，從實(shí)驗數(shù)據(jù)上看潤滑脂及薄膜的包裹可以減少清洗液對裸露金屬的腐蝕。

圖4 金相顯微鏡圖片

表4 20 號鋼物理包裹實(shí)驗腐蝕數(shù)據(jù)

4 水環(huán)真空泵實(shí)際清洗過程

水環(huán)泵轉(zhuǎn)子攪拌軸在采用潤滑脂及薄膜包裹進(jìn)行密封防護(hù)后，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%鹽酸+質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%緩蝕劑進(jìn)行清洗，清洗時間為16 h，清洗過程中有大量氣泡產(chǎn)生。由于反應(yīng)清洗器中未設(shè)置攪拌裝置，導(dǎo)致泵葉片死角處仍有部分垢物未溶解，如圖5(a)所示，因此，在一次清洗后裸露的鋼體表面繼續(xù)采用潤滑脂進(jìn)行隔離保護(hù)，如圖5(b)所示，然后進(jìn)行二次清洗，清洗時間為24 h。二次清洗后，水環(huán)泵轉(zhuǎn)子葉片垢物完全溶解，最后采用大量水對泵體進(jìn)行沖洗。清洗后的水環(huán)真空泵轉(zhuǎn)子葉片表面金相顯微鏡分析無明顯腐蝕。

圖5 減頂抽真空水環(huán)泵轉(zhuǎn)子葉片結(jié)垢物清洗情況

5 防腐清洗工藝產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益

結(jié)垢的水環(huán)真空泵轉(zhuǎn)子如果要進(jìn)行更換的話，316L 材質(zhì)的水環(huán)真空泵轉(zhuǎn)子采辦周期要60 d。水環(huán)真空泵停運(yùn)期間，蒸汽抽真空系統(tǒng)運(yùn)行時間按1 440 h 計，經(jīng)濟(jì)效益核算情況為:1.0 MPa蒸汽的消耗為1.7 t/h，蒸汽價格按照288.7 RMB￥/t 計(按照1 m3蒸汽消耗82 m3天然氣，耗水2 t，耗電5 kW，天然氣3.0 RMB￥/m3，天然氣輸送費(fèi)0.45 RMB￥/m3，循環(huán)水運(yùn)行0.4 RMB￥/t，電價1.0 RMB￥/kW·h 計)，共增加蒸汽成本70.7×104RMB ￥;減少循環(huán)水量30 t/h，節(jié)約用水成本1.7 ×104RMB￥;減少減頂污水排放量1.7 t/h，污水處理費(fèi)用按每噸5 RMB ￥計算，減少污水處理成本共計1.2 ×104RMB ￥;減少用電75 kW·h，共計10.8 ×104RMB ￥。綜上合計，水環(huán)真空泵停運(yùn)期間，間接增加能耗費(fèi)用63.6 × 104RMB￥。

另外，更換水環(huán)泵葉片及管線共需10 ×104RMB￥，總計本次清洗工作直接和間接創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價值73.6 ×104RMB￥。

6 結(jié)論

對煉油生產(chǎn)中水環(huán)真空泵的結(jié)垢問題進(jìn)行合理的分析，并選擇合適的清洗劑，同時進(jìn)行化學(xué)防護(hù)與物理防護(hù)相結(jié)合的清洗處理工藝。經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐驗證，該工藝方法具有處理時間短，對設(shè)備腐蝕防護(hù)效果好，處理工藝需要的設(shè)備及人工成本低等優(yōu)點(diǎn)。

真空水環(huán)泵結(jié)垢物防腐清洗工藝可以推廣到化工系統(tǒng)水結(jié)垢的清洗問題上，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，對于節(jié)能減排和降低企業(yè)的生產(chǎn)成本有著積極的意義。

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