國產化大化肥高壓甲銨泵運行故障及檢修對策

鄭明統，范天祥，初保衛，于 濤

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750026）

為了研發我國自主知識產權的大化肥工藝技術，2009 年中國石油啟動了45/80 國產大化肥關鍵設備國產化，研發了我國自主知識產權的合成氨、尿素工藝包大氮肥工藝系統，建成了中國石油寧夏石化公司第三套化肥裝置[1]。該裝置合成氨1 500 t/d，尿素2 640 t/d，年產合成氨45×104t，尿素80×104t。其中尿素裝置高壓甲銨泵是首臺國產化高速、高壓分段多級離心泵，在原始開車過程中該泵頻繁出現軸瓦溫度高、軸承振動大、油封漏油等設備隱患。本文針對高壓甲銨泵在運行中出現的故障進行分析并提出具體的技改措施，為今后同類國產設備的設計、維護、檢修提供借鑒和幫助。

1 設備簡介

1.1 設備結構和性能參數

高壓甲銨泵泵體外缸采用徑向剖分，內缸采用水平剖分的形式，有8 級葉輪、葉輪對置布置、采用米契爾止推軸承和段間平衡軸封平衡裝置、機械密封采用雙端面集裝式、徑向軸承是五塊可傾瓦徑向軸承、油封為矩形槽梳齒密封，該泵主要性能參數（見表1）。

表1 高壓甲銨離心泵主要性能參數

1.2 工藝流程

高壓甲銨泵的工藝流程是將低壓碳銨分離罐中含有CO2（質量含量38.73 %）、NH3（質量含量30.12 %）和水（質量含量31.15 %）的75 ℃氨基甲酸銨溶液，從0.3 MPa 加壓到15 MPa 后注入高壓洗滌器E3203 頂部作為合成塔的氣體溶解液。

2 高壓甲銨泵運行中存在的故障分析

該泵自2018 年原始開車以來，多次出現推力軸承燒損，徑向軸承振動大，溫度高等現象，下表為開車以來歷次出現的問題（見表2）。從表2 中看出高壓甲銨泵出現故障頻次最高的是徑向軸瓦溫度高和振動大，對于出現的問題分析如下。

2.1 影響高壓甲銨泵徑向軸瓦溫度高的因素

（1）油壓低，進油量少；（2）潤滑油溫度高；（3）潤滑油質不好；（4）軸承間隙太小；（5）進油油楔與泵軸旋轉方向相反。

高壓甲銨泵的徑向軸承采用可傾瓦五油楔軸承，在上、下軸承座內裝有五塊可以自動調節傾斜角的活動瓦塊，瓦塊表面澆筑巴氏合金層。五塊瓦呈半圓柱面各自鑲入瓦座內，瓦塊與槽形成線接觸，瓦塊可繞接觸線在垂直于軸線的平面內擺動，從而自動調節轉子偏離軸心。潤滑油從油孔進入軸承座內，為徑向軸承和推力軸承建立、形成油膜，同時帶走軸承產生的熱量，起到冷卻軸承的作用。這兩臺泵在前期試運行過程中驅動端和自由端的徑向軸承溫度最高達到75 ℃，比原設計溫度高出25 ℃，盡管對油壓和油溫做出適當調節，但徑向軸承溫度沒有明顯改變，造成整套裝置低負荷運行。

2.2 影響高壓甲銨泵徑向瓦振動大的因素

（1）基礎松動；（2）軸承磨損；（3）轉子對中不量；（4）轉子動不平衡；（5）動靜摩擦；（6）軸承座與轉子不同心；（7）抽空、汽化頻繁。

高壓甲銨泵原始試車時徑向軸承振值最高上漲到75 μm，雖然能穩定運行一段時間，但已經超過了振值報警值60 μm，非常接近振值聯鎖值85 μm。該泵帶“ 病” 運行，給裝置的長周期運行造成隱患。

2.3 影響高壓甲銨泵軸位移大的因素

（1）抽空、氣蝕；（2）軸向力平衡不好；（3）平衡管線堵；（4）平衡水壓力低；（5）平衡鼓段間間隙大。

在尿素裝置開車期間，因低壓碳銨分離罐液位計誤指示，造成兩臺泵入口抽空嚴重；在泵體解體后發現平衡鼓一段、二段段間平衡間隙大，這些因素將會導致主副推力軸瓦燒損。

2.4 備用泵切換過程中頻繁跳車，原運行泵停運后出現反轉

運行泵切換備用泵的過程中，啟動備用泵運行正常后，停原運行泵后備用泵驅動端和自由端振值高聯鎖跳車，多次檢修備用泵仍然無法解決問題。

2.5 泵軸承座油封漏油

兩臺高壓甲銨泵從2018 年4 月試車運行開始，驅動端和自由端油封多次出現泄漏，驅動端靠近聯軸節側漏油尤為嚴重，最大漏量達到近1 000 mL/h，嚴重影響了泵的安全穩定運行。

3 高壓甲銨泵故障檢修對策

表2 高壓甲銨泵試車以來出現的故障

3.1 徑向軸承溫度高的檢修對策

高壓甲銨泵自開車以來徑向軸承溫度一直偏高，從油壓低、進油量少；潤滑油油冷器堵油溫高、潤滑油品質不好，軸承間隙太小、進油油楔與泵軸旋轉方向相反等多個方面分析原因，最終從徑向瓦巴氏合金層和瓦背承力面的痕跡得出進油油楔與泵軸旋轉方向相反是造成徑向瓦溫度高的主要原因。通過制造廠家和徑向瓦設計的標準將徑向軸承瓦殼沿軸向旋轉180°，重新加工徑向軸承瓦殼定位銷釘孔。泵再次試運行時徑向軸承溫度降至50 ℃以下，較原試車溫度降了25 ℃，徹底解決了徑向軸承溫度高的問題。

3.2 徑向軸承振值偏高的檢修對策

高壓甲銨泵在經過開車初期運行平穩后，隨著裝置負荷不斷增大，徑向軸承振動值逐漸上漲，最高達到75 μm，超過了該泵設置的報警值60 μm。利用裝置停車機會從基礎松動、軸承磨損、轉子對中不量、轉子動不平衡、動靜摩擦、軸承座與轉子不同心等方面查找原因，最終檢查出軸承座與泵轉子同軸度相差0.25 mm，這是造成高壓甲銨泵徑向軸承振動高的主要原因。為此，設計專用工具將杠桿表緊固在軸頸處，旋轉泵轉子利用杠桿表找軸承座和轉子的同心度（見圖1），按照標準和要求將軸承座和泵軸的同心度調整到0.05 mm以內，而后緊固軸承座端面螺栓，重新鉸制軸承座定位銷孔，以保證軸承座定位后與轉子的同心度。同時復查了此處徑向軸承瓦背預緊力，盡管復測間隙為0.01 m，符合標準要求（0.01 mm～0.05 mm），但為了增加徑向軸承的剛度和穩定性，將徑向軸承瓦背預緊力調整至0.04 mm。

圖1 利用杠桿表檢測轉子和軸承箱的同心度

3.3 主推力軸承燒損的檢修對策

高壓甲銨泵在開車過程中因系統不穩定，泵入口抽空是造成推力軸承燒損的主要原因，但對該泵解體時發現一段、二段段間平衡軸封間隙大，復查間隙最大達到0.60 mm，遠遠超過設計值0.35 mm～0.40 mm，這將導致高壓側的甲銨泄漏到低壓側致使轉子平衡打破，轉子在不平衡力的作用下推向主推力瓦側，造成主推力軸承燒損（見圖2）。本次檢修將該處的間隙調整至0.45 mm，滿足設計要求和標準（見圖3）。為防止高壓甲銨泵入口抽空，引1.5 MPa 稀氨水配Φ57 管線進入低壓碳銨分離罐，泵抽空時給甲銨泵入口補液，從根本上解決了甲銨泵泵入口抽空的問題。

圖2 推力軸瓦燒損后的巴氏合金粉末

圖3 一段、二段段間平衡軸封圖

3.4 運行泵倒泵停運后反轉的檢修對策

高壓甲銨泵在原始開車過程中運行泵和備用泵為滿足工藝負荷要求經常倒泵，但運行泵停運后，備用泵驅動端和自由端振值會高聯鎖跳車，造成裝置系統大幅波動。對備用泵檢查徑向軸承、推力軸承的工作間隙及瓦背預緊力都在設計范圍內。然而在運行泵和備用泵切換過程中仍然出現啟動后的備用泵振值高聯鎖跳車現象，癥狀與檢修前相同。在現場工藝操作和檢修人員共同查找確認下，發現啟動備用泵后，停運泵發生反轉，這是由于備用泵開啟后一部分甲銨液沿逆止單向閥倒灌進入停運泵的葉輪中，造成停運泵反轉。結合現場停運泵反轉的現象最終確認該泵的出口單向閥內漏嚴重。即在運行泵停運后，啟動的備運泵出口甲銨液通過內漏的單向閥打回流，造成該泵出口壓力瞬間大幅度下降，泵內產生氣縛現象，導致啟動的備用泵振值高聯鎖跳車。在更換完內漏的單向閥后，進而修改了高壓甲銨泵的操作規程和倒泵操作法：即在停運行泵之前，先適當打開備用泵的最小流量循環閥，而后慢慢打開備用泵的出口閥。待備用泵壓力、溫度運行正常后然后再停運行泵，通過這種方法備用泵再沒出現過振值高聯鎖跳車的情況。

圖4 改造后的新油封

3.5 泵軸承座油封漏油的檢修對策

高壓甲銨泵油封與軸承座殼體采用梳齒密封，與軸采用O 型圈密封，材質為鋁鎂合金。由于與軸密封的O 型圈材質為橡膠，使用周期短，不耐油且易老化，直接造成油封與軸之間漏油。在檢修時將該處橡膠O型圈更換為耐油的聚四氟乙烯O 型圈。同時對原廠梳齒密封的齒數、齒面寬度、齒槽深度及回油槽進行技術改造：原廠設計的梳齒齒面寬4 mm，槽深2 mm，齒面間距3.5 mm，這種梳齒密封的齒型設計和齒槽布置對泄漏的潤滑油阻率變小，而且回油槽淺而窄，使得帶壓的潤滑油來不及回油箱就沿軸向外泄漏。現將原廠設計的齒型矩形槽加工成與泵軸旋向相反的螺紋齒型槽，齒間距為2.5 mm，槽深2.5 mm，同時將油封與軸之間的間隙由原來的0.40 mm 縮小到0.25 mm，并加大回油槽的寬度和深度。這種油封的技術改動，使得泄漏的潤滑油進入油封時，一部分隨著泵軸的旋轉泄漏的潤滑油沿著相反的螺旋槽回到軸承箱內；另一部分泄漏的潤滑油在油封末端順回油槽流到軸承箱內，從而達到密封的效果。此處的技術改動，徹底消除此處油封漏油的現象（見圖4）。

4 結語

高壓甲銨泵是國產大化肥尿素裝置的關鍵設備，與國外同類進口設備相比前期運行故障率較高，但經過工程技術人員和技師的不斷探索、分析和改進，徹底消除了該泵在設計、工藝及安裝過程中存在的缺陷，不僅提高了國產高壓甲銨泵的運行周期，而且為同類國產化設備解決同類問題提供了依據和途徑，更為國產化大化肥裝置關鍵設備的推廣和應用做出了貢獻。