雜醇油泵運行故障分析及處理

萬 濤，麥篤志（中海石油化學股份有限公司，海南東方 572600）

雜醇油泵運行故障分析及處理

萬 濤，麥篤志
（中海石油化學股份有限公司，海南東方 572600）

結合雜醇油泵在運行過程中出現的故障現象，合理進行故障原因分析研究，提出對雜醇油泵機械密封輔助系統進行改良的建議，為同類甲醇裝置雜醇油泵檢修提供借鑒。

雜醇油泵；過載；旋轉噴射泵；沖洗方案；機械密封輔助系統

1 前言

中海石油化學股份有限公司年產80萬t甲醇裝置于2010 年10月建成并投產，該裝置是由Davy Process Technolog Limited（DPT）設計的，采用天然氣作原料，采用DPT改良低壓甲醇（ILPM）技術，利用DPT CRG（預轉化爐）和傳統蒸汽轉化爐生產合成氣；工藝采用裝有Johnson Matthey催化劑的DPT蒸汽發生反應器進行甲醇合成反應，日產2 500t精甲醇。產品符合美國聯邦0-M-232K的AA 等級和中國GB338—2004標準。基礎設計和詳細工程設計由成達設計院負責。其規模和技術均處于當今國際先進水平。

具備廢料回收能力是80萬t/a甲醇裝置的主要技術特點之一：甲醇合成精餾工序的工藝含醇水送去飽和塔飽和原料天然氣，同時含有微量甲醇、乙醇、丁醇的雜醇油也被送入飽和塔中進行回收，既回收甲醇和高沸點物，又消除工藝廢水外排放。生產工藝采用旋轉噴射泵作為雜醇油泵針對雜醇油介質進行輸送，作為廢料回收工藝的核心設備，其對于成品甲醇質量有著至關重要的作用，為此我們針對該泵在日常運轉中出現的故障進行研究分析。

2 設備概況

2.1 結構

80萬t/a甲醇裝置雜醇油泵由四川省機械研究設計院提供，型號為CJRPA（T）-07S-MB1型旋轉噴射泵。泵為電機驅動，型號為YBPT160L-2變頻電動機，由變頻電機直聯增速，泵與電機之間采用膜片式彈性聯軸器聯結。泵由主軸、主軸箱、滾動軸承及過流部件、吸入室（泵進、出口法蘭）、葉輪、集流管和轉子腔組成，在葉輪入口與吸入室之間設有機械密封，機械密封采用出口介質冷卻后沖洗密封端面進行冷卻降溫以及潤滑，軸承箱設置有循環冷卻水夾套進行冷卻（見圖1）。主要特征參數如表1所示。

表1 旋轉噴射泵性能參數

2.2 特點

由此處工藝參數可知雜醇油介質的輸送需要使用小流量高揚程泵作為雜醇油泵。常用小流量高揚程泵除旋轉噴射泵外還有多級泵、高速泵、齒輪泵、柱塞泵等。相比旋轉噴射泵，多級泵結構復雜，拆裝技術難度大、維修周期長，故障率高，檢修頻繁；高速泵轉速太高（一般 10 000r/min以上），效率低，且在運行中需要強制潤滑、冷卻，裝置復雜，裝拆檢修難度非常大；齒輪泵、柱塞泵等小流量高揚程泵輸出壓力有脈動，且組裝要求高，不便于維護和檢修，僅適用于輸送不含顆粒、腐蝕性不強、溫度不高的介質。

圖1 旋轉噴射泵裝配圖

選用旋轉噴射泵用于此處工藝，相比上述其他同功能泵具備以下特點：

（1）單級葉輪，零部件構成少，結構簡單可靠，便于拆裝維護，使用更經濟。

（2）機械密封設在泵入口處，壓力低，容易實現密封，且機械密封壽命長，更換容易，只需拆下進（出）口法蘭即可。

（3）主軸不接觸介質，不用考慮主軸的耐蝕問題，也不必擔心有介質進入軸承。

（4）旋轉噴射泵的結構（見圖2）決定了其沒有圓盤摩擦損失，而且轉子幾乎不產生軸向力。

圖2 CJRPA（T）系列旋轉噴射泵Q-H曲線

（5）液體流出葉輪后進入轉子腔，在轉子腔中具有一個穩定的過程，避免了低比轉速離心泵Q—H曲線的駝峰現象；另外從旋噴泵的性能曲線（見圖2 CJRPA（T）-07S）上可以看到，它可以在從零流量到設計流量范圍內任一流量點都可以穩定運行。而多級泵和高速泵只能運行在設計參數點周圍的工況，就是流量小于或大于設計點太多都無法穩定運行。

2.3 原理

電機驅動主軸帶動轉子腔旋轉，轉子腔中間的集流管靜止不動。在集流管的頂端，沿轉子腔的切線方向有一開口，即集流管入口。如圖1所示，箭頭標明了泵內流體的運動方向，流體經吸入室流入隨轉子腔旋轉的葉輪進入轉子腔，再進入集流管入口，集流管收集轉子腔中的高動能液體，將液體動能轉換為壓能輸出。

2.4 工藝

來自精餾界區預精餾塔（D232）塔底出來的液體含有甲醇、水和其它重組分雜質的預餾后甲醇通過預精餾塔塔底甲醇泵（J432A/B）送到精餾塔（D233）中，甲醇蒸汽在精餾塔頂部冷凝，一部分作為回流，其余的作為采出甲醇送中間產品罐（G152A/ B），部分回流甲醇、水與重組分雜質混合形成雜醇油沉積在底層塔盤，經雜醇油泵（J434A/B）升壓至4.18MPa送入飽和塔（D201），飽和塔對雜醇油中的甲醇進行回收，其工藝流程簡圖如圖3所示：

圖3 旋轉噴射泵J434工藝流程圖

3 故障現象

2016年11月1日，工藝操作人員在對雜醇油泵進行倒泵操作（由J434A泵倒J434B泵運行）時，發現變頻電機啟動電流驟然升高至39A，遠遠超過正常運行電流19A，并且啟動時長8min之久也未見電流下降，與此同時變頻電機直聯升速失敗，在這8min之內電機一直處在428r/min低速旋轉狀態，遂停泵進行盤車檢查，但未發現有明顯異常，10min之后再次啟動情況依然如此，為此判斷該泵出現故障，操作工立停止倒泵作業重新投J434A泵運行，將J434B泵送至檢修。主控現場監測數據如下：圖4為J434B故障啟動電流曲線，圖5正常啟動電流曲線，圖6為故障啟動轉速曲線，圖7為正常啟動轉速曲線，圖8為電機啟動電流-轉速曲線。

圖4 故障啟動電流曲線

圖5 正常啟動電流曲線

圖6 故障啟動轉速曲線

圖7 正常啟動轉速曲線

圖8 J434B啟動轉速-電流曲線

4 原因分析

根據轉速-電流曲線初步判定為電機過載導致泵啟動失敗，由此為切入點，我們從現場操作原因、電機故障、旋轉噴射泵自身故障三個方面進行逐一排查：

1）現場操作原因：泵啟動時沒有關閉出口閘閥，按照正常操作，應先將出口閘閥關閉（或者開度很小），然后啟動泵，待泵正常運轉后再緩慢打開閘閥，如果啟動時不關閉出口閘閥或者開度很大，電機的啟動負荷就會增大很多，從而導致啟動電流過高，引起過載現象發生。

排查：現場操作方面操作工確認按照倒泵操作規程進行，排除現場操作原因。

2）電機原因：缺相、電壓超出允許值等電氣原因使電機啟動電流很大；電機軸承磨損，轉動不靈活導致摩擦等機械故障都會導致電機過載。

排查：在啟動前對泵進行盤車，盤車略微緊，但無明顯卡澀，出現故障后將泵與電機聯軸節斷開。針對電機進行單試檢測，檢測結果變頻電機手動盤車、升速、電流、轉速、溫度等各項指標均無異常現象，為此排除電機故障可能。

3）泵自身原因：轉子軸彎曲在回轉過程中使得轉子腔、葉輪等轉動部件與泵殼發生摩擦；泵軸承磨損或損壞，機械密封動、靜環密封端面磨損，轉動摩擦大；電機與泵軸對中不良等導致電機啟動運轉負荷過大。

排查：針對旋噴泵進行盤車檢查，發現盤車略緊，盤車過程中無卡澀及異響發生，將軸承箱內潤滑油排盡，觀察潤滑油潔凈無雜質，初步排除軸承問題，為此對機泵進行復查對中結果見圖9。

圖9 復查對中數據（泵→電機）

經檢查對中數據良好，排除對中不良原因造成的電機過載；

因此旋轉噴射泵被送至檢修車間進行解體全面檢查，依次拆下泵頭、機械密封、泵端蓋、葉輪、轉子腔、泵軸、軸承等零部件。在拆下機械密封后，轉子盤車緊的現象得到了改善，檢查機械密封發現：機械密封動、靜密封端面及密封腔體內被黑色粘稠物質覆蓋，動環密封面有環裝溝紋，靜環彈性補償卡澀（見圖10）。檢查泵軸、葉輪、軸承、轉子腔、集流管均未發現異常。

根據以上一系列分析檢查，可以初步確認雜醇油泵機械密封出現異常導致泵啟動時電機電流值高，引起電機過載現象的發生。

圖10 機械密封故障情況

繼續針對雜醇油泵機械密封出現的異常現象展開原因分析：

4.1 雜醇油泵機械密封系統簡介

80萬t/a甲醇裝置雜醇油泵機械密采用CHR-85集裝式單端面內流式（介質泄漏方向與離心力方向相反）機械密封，其靜環作為補償環，動環材質為碳化硅（SiC），靜環材質為石墨（EK2201），輔助O型圈采用丁腈橡膠（NBR），其余材質均為不銹鋼，如圖11所示。

圖11 CHR-85機械密封裝配圖

雜醇油泵的結構決定了泵的出口不存在介質泄漏問題，因此機械密封設置在泵的入口處，針對入口介質進行密封，具有壓力低，容易實現密封的特點。

雜醇油泵機械密封的輔助系統采用了正向自沖洗結構（API610 PLAN21方案 見圖12）即沖洗介質由泵的出口端通過接管經冷卻器引入密封腔，依靠泵本身產生的壓差使沖洗介質通過密封腔形成閉合回路，對密封面進行冷卻、潤滑并保持密封腔壓力始終高于飽和蒸氣壓，使腔體內介質不汽化，同時減少介質結焦。沖洗后介質直接進入泵的入口跟入口介質混合。

圖12 API610 PLAN21沖洗方案

4.2 機械密封異常原因分析

結合現場生產工藝情況綜合分析，雜醇油泵輸送雜醇油介質中除含有甲醇、乙醇、丁醇及其他高級醇外，還含有少量高級烴、石蠟等雜質。泵在運轉過程中，雜質易在機封冷卻器內堆積堵塞介質流通管道，造成機封沖洗量不足，不足以帶走機械密封動、靜密封端面間因摩擦產生的高溫，使得此處介質中的少量的高級烴等有機化合物在受熱的情況下發生氧化反應，導致分子鏈斷裂或發生交聯使烴類化合物粘度增加，顏色改變，石蠟也在高溫環境下發生結焦，與烴類化合物形成混合油泥。其危害有以下兩點：

（1）機泵經長時間運轉，油泥在沖洗介質流動緩慢的地方（如機械密封彈簧腔，密封腔體內壁，沖洗孔兩側位置）不斷積聚，最終導致彈性補償機構彈簧間隙堵塞，補償密封環（靜環）不能正常浮動，泵在高速運轉時，使得兩密封端面間不能形成穩定液膜，而發生干摩擦或半干摩擦。由此長時間運轉將導致作為軟環的石墨環承磨臺被磨掉，動環表面也出現較深的環狀溝紋（見圖13）。一般情況下，密封面表面較為光潔，如果彈性補償機構還能補償，那么動靜環還處于貼合狀態，隨著磨損增加，彈簧力減小，端面比壓則大大減小，泄漏量增大。當石墨環磨損到彈簧不能補償時，機械密封的密封性喪失。

圖13 石墨環承磨臺被磨掉

（2）當泵運轉一段時間后，作為備機而處于停運備用狀態時，密封腔內長時間運轉聚集的混合油泥由于溫度降低，逐漸發生凝結，使兩密封端面間被凝結的油泥粘合（見圖14），而且靜環座與隨轉子一同轉動的泵吸入套之間的間隙也被凝結的油泥所堵塞。因此轉子盤車時摩擦阻力大引起轉子盤車緊，泵在啟動時，阻力大，變頻電機啟動負荷增加，最終也就出現了泵啟動后，電機低轉速高電流運行的過載現象發生。

圖14 靜環端面凝結油泥

5 處理措施

為避免現場生產設備長時間處于無備機運行的高危狀態，本次檢修在發現故障根源后，便立即對雜醇油泵機械密封進行了更換，并對輔助系統管道進行沖洗。檢修完畢后雜醇油泵試車情況完全符合工藝、機械要求，運行工況穩定，證實機械密封故障為雜醇油泵啟動失敗的根本原因。

6 改進建議

根據以上一系列分析，針對雜醇油泵出現的此類故障，只有通過改善機械密封的工作條件，消除雜質在密封腔內形成的聚合，達到沖洗液對機械密封進行沖洗、冷卻和潤滑的效果，才能延長機械密封的運轉周期，降低機泵故障率。為此提出下列建議：

1）泵啟動前先使用蒸汽對泵體機械密封處進行吹掃加熱，使內部凝結油泥融化，降低摩擦阻力，確保泵在較長時間停泵后能順利啟動。

2）如具備條件可將雜醇油泵機械密封輔助系統API610 PLAN21沖洗方案更改為API610 PLAN41沖洗方案，從根源上消除存在問題，起到“治標更治本”的作用。

API610 PLAN41密封沖洗原理及特點：

經由泵出口引出的機封沖洗液先通過旋液分離器，含雜質的沖洗介質沿分離器的切線方向進入，以一定的速度沿分離器旋轉，利用介質中雜質與輸送介質的比重差，潔凈的液體從分離器頂部流出，繼續經由冷卻器降溫，去沖洗密封；含有雜質的液體從分離器底部流回泵的入口。（見圖15）

其相比API610 PLAN21沖洗方案的主要優點有：從沖洗液和密封腔祛除易沉積雜質，消除了輔助系統管線因雜質沉積而降低沖洗液換熱效率及沖洗量不足的不良因素，避免密封腔內介質出現聚合結焦現象，改善機械密封冷卻、潤滑條件，延長使用壽命。

7 結束語

機械密封輔助系統的作用在于：通過沖洗、冷卻、過濾、分離等方式，實現對機械密封的潤滑、冷卻或調溫、沖洗、凈化稀釋和沖掉泄漏介質，改善密封的工作環境。因此正確合理地選用機械密封輔助系統，不僅對機械密封的穩定性、延長泵的使用壽命都有重要意義，而且對于安全生產以及對減少漏損、減少維修工作量和降低生產成本等都有重要影響。

Analysis and Treatment of Faults of Fusel Oil Pump

Wan Tao，Mai Du-zhi

The article combined with the fusel oil pump of the running in the fault phenomena，reasonable analysis of the cause of the problem.The article puts forward suggestion for the improvement of the Fusel oil pump mechanical seal auxiliary system，and provides reference for the overhaul of the same kind of methanol device fusel oil pump.

fusel oil pump；overload；Rotary jet pump；Flushing plan；The auxiliary system of mechanical seal

TE974.1

A

：1003-6490（2016）12-0004-04

2016-11-15

萬濤（1993—），男，四川南充人，化工檢修鉗工高級工，主要從事化工機械維護檢修作業。