P-206B 泵氣蝕及管線振動的原因分析

王兵和，王關力，陳存利，郭 銳

（中國石油撫順石化公司， 遼寧 撫順 113004）

P-206B 泵氣蝕及管線振動的原因分析

王兵和，王關力，陳存利，郭 銳

（中國石油撫順石化公司， 遼寧 撫順 113004）

將針對貧吸收液泵出入口管線異常振動，容易發生汽蝕，流量和壓力不穩定，分析了產生振動合汽蝕的原因。通過計算核對泵的出入口管線安裝、機械結構設計,到泵的高度，提出了減緩泵振動的措施。結果表明,機泵實際安裝高度不合理，但是改變泵的安裝高度從經濟方面考慮不合理，只能從改變泵的入口管線和將泵發生汽蝕易損壞的部件，進行存在升級更換為抗汽蝕的 304L 不銹鋼材質，來減緩汽蝕對泵造成的損壞。

循環貧吸收液泵；振動；汽蝕；異常聲響

雙支撐普通雙吸離心泵由英國英格索蘭公司制造，泵的型號為 6HDS-182，電機功率 450 kW，設計流量為 514 m/h，揚程 H為 240 m，介質是貧吸收液，粘度為 0.46 cp，正常工作溫度為 103 ℃，密度為 1137 kg/m3，入口壓力p1=0.11MPa，Pmax=0.17 MPa；泵輸送的介質為吸收環氧乙烷氣體的貧吸收液，目的是將高純度的氧氣與乙烯在銀催化劑床層反應生成的環氧乙烷全部吸收下來。該泵至 1992年投入運行以來，一直處在一定的汽蝕狀態下運行，自從 2013 年開始 11月，裝置停工 6 個月重新復工后，泵的出入口管線振動有增大的趨勢，在入口管線處，汽蝕現象比較明顯，而且最直觀地表現在電機電流波動大，管線有節律地發出異常響聲，導致機封、軸承損壞比較頻繁，使用周期短，還曾出現過由于管線振動較大，在泵入口管線排放導淋焊道處經常出現裂縫。嚴重地影響了設備的安全運行。針對這種情況，我們積極組織技術人員與機動部配合，與有關廠家合作，對現象進行深入細致地分析與討論，初步分析認為，可能是葉輪做動平衡時沒有達到額定轉速，動平衡差；葉輪口環間隙小，進入顆粒物，造成偏磨；軸承損壞；泵體地腳螺栓松動；電機地腳螺栓松動；機泵與電機對中不好，發生摩擦，軸彎曲，水流頻率與管路的固有頻率相近，從而發生共振，盡早消除故障，已是刻不容緩。

1 該泵的重要性

正文p206 泵為環氧乙烷貧吸收液循環泵，它是將環氧乙烷富吸收液在解析塔 C204 中解析出99.95%的環氧乙烷后,剩余的貧吸收液加壓到 2.5 MPa,流量在 268 m3/h 后，通過 Z050, E303, E308,

E212A/B 冷換設備后,溫度降到 30 ℃, 送到 C203 環氧乙烷吸收塔吸收氧化反應工段來的環氧乙烷。如果泵出口壓力低,會造成 FRC212 調節閥兩側壓差低,引發pDSLL215 動作裝置聯鎖停車；如果流量低使反應工段生成的環氧乙烷不能完全吸收，造成 C203塔頂循環氣環氧乙烷含量高，引發 AIHH204 動作氧化聯鎖停車[1-4]。

2 泵檢修的原因

2013 年 7 月發現發現p206B 出口壓力由 2.5MPa 下降到 2.1MPa，流量從 268.6 m/h 下降到 236.5 m3/h，壓差從 0.63 MPa 降到 0.18 MPa，調節閥前后的壓差聯鎖值為 0.11MPa，對泵進行拆檢，發現泵殼體嚴重沖刷腐蝕，泵出口流道已腐蝕沒。通過廠機動部及時將泵外委修理，修理廠家將泵殼體腐蝕部位殘余打磨后，制作一塊厚 5 mm;寬 50 mm;長 350 mm 材質為 304 的鋼板，補焊到泵殼體出口流道部位，使其恢復，由于焊接造成泵體口環部位嚴重變形，口環間隙由原來的 0.08 mm 擴大到現在的 0.120 mm。修復安裝試運行，發現泵振動增大，出口壓力，流量都比原來有所下降，而且不穩，容易發生氣蝕，雜音較大，電流從 34 A 上漲到 41A,返廠多次處理效果也不是特別明顯，只能勉強滿足低負荷運行，不能滿足高負荷運行。圖1為環氧乙烷吸收液的工藝流程圖，圖2為出口流道的沖刷腐蝕現象。

圖1 環氧乙烷吸收液的工藝流程圖Fig.1The DC operation and monitoring of the epoxy ethane absorbing liquid

圖2 出口流道的沖刷腐蝕現象Fig.2 Export flow scouring corrosionphenomena

3 泵發生汽蝕的原因

從泵殼體流道沖刷腐蝕的現象不難看出，從泵殼體流道沖刷腐蝕的現象不難看出，此泵長時間在汽蝕狀態下運行。離心泵葉輪在作旋轉工作時，液體不斷被甩出，而在葉輪中心入口形成負壓，液體才能不斷吸入葉輪。這個負壓不能低于該溫度下液體的飽和蒸汽壓，如果負壓等于或者略低于飽和蒸汽壓時，被輸送液體就會大量汽化。同時溶解在液體中的其它氣體由于減壓也要析出，形成大量的小氣泡。這些氣泡隨著液體進入到葉輪流道內，在葉輪離心力的作用下，液體壓力快速升高，小氣泡在周圍液體巨大的壓力之下而破裂，形成一個空穴，這時周圍的高壓液體快速沖向氣泡的中心，形成巨大的水利沖擊，局部的壓力可能達到幾百個大氣壓。這些氣泡接連不斷的打擊金屬表面，其頻率可達到數千次之多，氣泡形成時還析出一些活潑氣體，它們借助氣泡凝結時放出的熱量，促使金屬的化學腐蝕，這樣也加速了金屬表面的破壞。這種機械沖擊和化學腐蝕共同作用下，造成金屬表面的破壞作用，就稱為汽蝕。如此巨大的壓力頻繁作用下，連續打擊在葉輪或者殼體流道的金屬表面上，使金屬產生局部的疲勞現象。在最薄弱的地方，晶粒首先剝落.機泵在嚴重的汽蝕狀況下運行，發生汽蝕的部位很快就成了蜂窩或海綿狀，直到大面積脫落而破壞。

4 解決的方案

圖3 現場機泵安裝標高Fig.3 The machinepumps installation elevation

通過以上現象，我們把重點放在了汽蝕振動上。該泵有一個明顯的特點，就是介質的溫度在 80 ℃以下時，泵運轉正常，無任何異常現象，可一旦超過于 100 ℃時，便會出現振動及噪音。說明該泵是在處于汽蝕的狀態下運轉。

確定了主方向后，我們進行了裝置汽蝕余量計算。泵發生汽蝕的條件是由泵本身和吸入系統兩個方面形成的，從泵廠家給的資料顯示來看，P-206B泵的 NPSHr=4 m;汽蝕比轉數 C 為

C=N(Q)2/NPSHr3/4=1576

按圖 3 的裝置泵的有效汽蝕余量 NPSHr:

式中：Ps/Pg—換算到基準面上的進口水壓頭;

Vs/2g—泵進口的液位平均速度;

Pv/Pg—抽送液位在該溫度下的汽化水壓頭, m。

而有實際流體的柏努利方程可得

式中:Zs—液面至泵葉輪側倒灌高度,m;

Pc/Pg—塔面水壓頭,m;

hs—液面由塔面流至泵入口所有阻力損失。

由（1）、（2）兩式可得：

式中: Zs= 9.7 m;

Pc=0.02 MPa;

Pv=0.15～0.052 MPa;

hs—未知量。

計算管線阻力的流體能量損失，即求其水壓頭損失，泵入口管線的總水頭損失 hs為各沿程水壓頭損失和局部水壓頭損失 hj之和，即

式中: λ—沿程阻力系數;

ζ—局部阻力系數;

ν—平均流速，以流經管件后的過流斷面上的平均流速

表示;

l—計算沿程損失 hy的那段管長; ds—沿程管程的水力直徑。

計算雷諾系數 Re=vd/v1

式中: v1—運動粘度,m2/s

因此 Re=1.5×0.35/(0.405×10-6)=1.3×106由實測進口管壓力求管線系統總水壓頭損失。由實際流體伯努利方程可知：

式中:pc=0.02 MPa; ZA=0.76 m; PA=0.09 MPa;

VA=1.5 m/s

∴hs=0.02×106/(1.137×9.81)+7.6-0.09×106/(1.137×9.8 1)-1.52/(2×9.81)=1.2 m

式中已知，Zs=8.7 m Pc=0.02 MPa Pv=0.15～0.052 MPa

又知：hs=1.2 m

故 NPSH=8.7+0.02×106/(1.137×9.81) –

0.052×10 6/(1.137×9.81)-1.2

=4.6 m

由實測泵入口壓頭求裝置的有效汽蝕余量，通過現場壓力表測得pA=0.07～0.15 MPa(來回擺動)

將（6）帶入（1）得：

其中: ZA=1.1m

VA2/2g=0.11m

hs=0.06 m(壓力表pA處至泵入口的阻力損失水頭)

當pA=0.07 MPa 時 NPSH=2.95 m

當pA=0.09 MPa 時 NPSH=4.74 m

當pA=0.11MPa 時 NPSH=6.5 m汽蝕余量原因分析

在實測泵進口pA時，壓力表閥接近關閉，PA壓力表穩定在 0.09 MPa，此時，裝置的有效汽蝕余量 NPSH=4.74 m，此值末能達到給定的有效置汽蝕余量值 NPSH=5.5 m。最后就是泵的必須汽蝕量NPSHr=4 m，是以常溫清水做給出的，實際輸送介質中含氣量大，故實際工程中規定，要求裝置有效汽蝕余量（NPSHr）a=NPSHr=S1，對于較高溫度塔底泵來說 S1=2.1～3 m,也就是說裝置有效汽蝕余量，應不低于 6.1～7 m.由此可見，P-206 泵的裝置有效汽蝕余量是不夠的，如果泵入口壓力能達到 0.11MPa，裝置有效汽蝕余量為 6.5 m 此時也是處在臨界汽蝕狀態之下。

5 結束語

正文分析結果顯示，如果不讓泵產生汽蝕，就必須增大裝置汽蝕余量 NPSHa 和減小泵的汽蝕余量 NPSHr。要想機泵平穩運行，降低機泵的安裝高度，是解除機泵汽蝕腐蝕的最有效的措施。但是通過計算，對降低泵安裝高度在經濟上不合算，只能讓水泵在一定的汽蝕下工作。在 2014 年裝置檢修的機會，將泵入口 5 m 長的直管段直徑由原來的φ 273 mm,增大到現在的φ355.6 mm,以減少水力損失，同時也避免產生旋渦。啟動泵后汽蝕現象有所改善。在 2016 年裝置大檢修機會將泵的葉輪和殼體更換為耐沖刷腐蝕的材料。(材質升級為 304L 不銹鋼)這也是抗汽蝕的一個重要措施。從裝置開工至今機泵雖存在汽蝕現象，但是運行比較穩定。

［1］化工用泵[M]. 北京：化學工業出版社.

［2］肖榮暢.離心泵汽蝕現象及降低措施[J].六盤水師范學院學報，2012,6(15).

［3］湯立宏.淺談水泵的汽蝕現象及防治措施[J].裝備制造，2009,4(1).

［4］戴宗惠.石油煉廠設備[M]. 北京：中國石化出版社,2006-06.

Analysis on Reasons ofpumpp-206B Cavitation andpipeline Vibration

WANG Bing-he, WANG Guan-li ,CHEN Cun-li, GUO Rui
（PetroChina Funshunpetrochemical Company, Liaoning Fushun 113001，China）

Aiming at someproblems of thepoor absorption liquidpump, such as abnormal vibration of entrancepipeline, easy cavitation,pressure and flow instability, causes of vibration and cavitation were analyzed. Inlet and outletpipeline installation, mechanical structure design andpump height were calculated and checked, the measures to reduce thepump vibration wereput forward. The results show that actual installation height of thepump was not reasonable, but to change thepump's installation height is not feasible from economicperspective, it'spointed out that the entrancepipeline should be changed, and thepump'sparts that are easily damaged due to the cavitation should be replaced by anti cavitationparts.

poor absorption liquidpump; Vibration; Cavitation; Abnormal sound

TQ 052

： A

： 1671-0460（2017）02-0353-03

2016-12-29

王兵和（1979-），男，遼寧省撫順市人，工程師，2003 年畢業于蘭州石油化工職業技術學院化工工藝專業，研究方向：設備管理。E-mail：wangbinghe@petrochina.com.cn。