大型乙烯裝置急冷油泵國產化研發與應用

李博源

（中國石油大慶石化公司化工一廠，黑龍江大慶 163700）

0 引言

急冷油泵是乙烯裝置的重要設備，由于急冷油黏度變化大、含有大量硬質焦粉顆粒，急冷油泵的殼體、葉輪等零部件會出現嚴重的磨損腐蝕，嚴重影響泵的連續運轉壽命。這類泵的性能要求已超過國產普通BB2 泵的范圍，基本上是由國外著名品牌泵制造公司生產。

E3（裂解三套）裝置急冷油泵出口的急冷油有兩個去向：一是為裂解爐EF3110-3170 急冷器提供降溫急冷油，二是為急冷油循環與工藝水換熱器發生稀釋蒸汽。在生產過程中，一旦急冷油泵能力不足或發生故障，將影響急冷油系統的取熱、降低稀釋蒸汽發生量，進而造成急冷油溫度升高、黏度增大、急冷系統熱量失衡，嚴重時裝置被迫降低負荷。2018 年裝置運行末期，曾多次因為急冷油泵能力不足及檢修降低裝置負荷，影響了裝置的整體經濟效益。因此，需要針對裝置的工藝參數及原料特點，研制一種能夠長周期穩定運行的急冷油泵，以保障急冷油系統正常運行。

1 國內外技術現狀分析

1.1 國外技術現狀

目前進口急冷油泵主要有兩種技術類型，分別是HVOF（High Velocity Oxygen Fuel，超音速噴涂）技術和口環沖洗技術。其中，HVOF 技術初期成本投入較高，但綜合維護成本相對較低；口環沖洗技術需要持續注入外部的高壓沖洗源，年消耗量較大。從節能角度來看，HVOF 技術的急冷油泵更具潛力。

HVOF 工藝是將粉末注入高速火焰中，然后將粉末噴到基材上、形成致密均勻的涂層。由于基材未被加熱至熔化，其性能不受涂層應用的影響。部分國外泵業公司如SULZER（美）在急冷油泵上對過流部件進行HVOF 處理，提高材料的耐磨性能。

化工一廠乙烯車間原有的3 臺急冷油泵就是SULZER 生產制造的，采用超高音速噴涂技術，自2012 年10 月現場投用后至今，未出現過因過流部件沖蝕損壞而導致停機檢修的情況，運行狀況良好。

以德國、日本泵企為代表的急冷油泵制造廠家，主要采用口環沖洗技術。其設計思路為：通過外部高壓沖洗源，對口環處進行沖洗，防止急冷油中介質顆粒對口環產生磨蝕，同時口環間隙處可以獲得足夠的潤滑，防止發生干磨。此技術需要消耗2.5～10.0 m3/h 的沖洗液，年消耗量約5 萬立方米，但在鎮海煉化、中科（廣東）煉化等項目也有應用。

1.2 國內技術現狀

中國水利水電科學研究院對HVOF 涂層材料的抗磨蝕特性與應用進行了分析，通過磨損試驗證明碳化鎢涂層的磨損率遠小于Cr13Ni4 材料。因此，在實驗室條件下碳化鎢涂層具有極強的抗磨性。

在本項目實施之前，尚沒有使用HVOF 噴涂技術的國產大型乙烯裝置急冷油泵。

2 技術關鍵點

根據目前急冷油泵工況條件和運行參數，結合日常急冷油泵檢修維護經驗以及密封使用經驗，提出急冷油泵設計、生產、制造的技術關鍵點（表1）。

表1 急冷油泵設計、生產、制造的技術關鍵點

3 技術要求

當前，世界公認的泵用先進標準API 610—2010《石油石化及天然氣工業用離心泵》，國產化急冷油泵也參考該標準作為研發的技術要求。額定點揚程、效率不允許有負偏差，揚程允差0～3%；額定功率性能允差在＋4%；距聲源1 m 處聲壓值不大于85 dB（A）；工廠試驗軸承箱油池溫度不超過80 ℃，油池溫升不超過39 ℃；額定汽蝕余量不允許有正偏差；關死點揚程不允許超過規定值；同時要求與現裝置的3 臺急冷油泵任一臺并聯運行，實現互為備用。

大慶石化化工一廠乙烯車間急冷油泵的設計揚程120 m，效率88%，汽化壓力0.074 MPa，額定流量3267 m3/h，轉速1475 r/m，功率1500 kW。

4 設計與制造特點

4.1 主體材料耐磨性的保證

葉輪和殼體采用耐磨工藝方法，可以有效防止口環處焦炭顆粒的磨損。通過對兩家噴涂技術供應商技術驗證、6 件噴涂樣件對比、6 組結合力驗證樣件檢驗，最終確定噴涂技術主要特性滿足項目應用要求：①涂層外觀均勻，無劃痕和裂紋；②輪口環變形量滿足設計要求；③噴涂加工面PT（Penetrant Testing，滲透檢測）檢驗無缺陷，滿足設計要求；④噴涂層厚度滿足設計要求；⑤噴涂層硬度不小于62 HRC，滿足工藝要求；⑥口環鑲裝后涂層完好，滿足裝配要求；⑦體口環和葉輪，均勻加熱至300 ℃，噴涂層完好，滿足設計要求；⑧噴涂層結合力不小于40 MPa，滿足設計要求。

4.2 水力模型設計

該水力模型為高效水力模型設計，采用大流量、高揚程水力設計，能夠滿足與現場原有進口泵并聯運行要求。

通過相關試驗，可以得出以下結論：①通過兩組不同葉片數水力模型設計，4 次CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學）模擬分析，國產急冷油泵額定點效率達到88.3%，滿足項目效率要求；②流量揚程曲線與現場進口急冷油泵曲線（曲線斜率1.17）相近，滿足并聯運行要求。

4.3 主機泵振動性能的保證

主機泵采用大軸徑轉子抗軸振動設計和殼體抗振動設計，確保設備的振動性能。

（1）泵組模態分析。根據運行工況，分別對整機及轉子進行模態分析：整機一階固有頻率為58.624 Hz，與轉頻（24.58 Hz）有20%以上的安全間隔，滿足API 610—2010 的設計要求；轉子橫向一階固有頻率為82.586 Hz，扭轉一階固有頻率為812.59 Hz，滿足API610—2010 的橫向分析和扭轉分析要求。

（2）嚴格的制造過程管控，保證機組振動性能滿足設計要求：①軸振位置“輥壓”處理，粗糙度Ra0.4；②退磁處理，軸剩磁含量低于2 Gs；③軸振位置機械和電氣跳動值不大于0.01 mm；④轉子部件動摩擦副跳動值不大于0.05 mm；⑤軸振探頭夾角檢查；⑥軸瓦內孔尺寸測量。

4.4 機械密封的可靠性保證

關于國產泵機械密封的選型，可以從以下4 個方面開展。

（1）調研結果。通過調研發現，國內已實現急冷油泵機械密封國產化，主要采用PLAN32+53 沖洗方案，配靜止型波紋管、效果較好，本次新國產泵決定選用PLAN32+53A 方案。

（2）結構優點。靜止型波紋管，耐高溫、穩定性好，而雙端面機械密封設計，更符合高危泵管理要求，降低現場運行風險。

（3）價格優勢。相對進口機械密封，國產機械密封價格更低，且服務相應速度更快。

通過研究可知，本次選用的機械密封可以滿足項目長周期、穩定運行的要求。

5 出廠及現場測試

5.1 出廠測試

為檢驗國產急冷油泵整機的性能指標，確認達到設計要求。在大連深藍泵業有限公司工廠試驗臺進行出廠性能驗收試驗，試驗項目包括性能試驗、運轉試驗、汽蝕試驗，試驗效果良好，滿足性能指標達到API 610（第11 版）和該項目技術協議的要求。

5.1.1 試驗方法

（1）性能試驗的試驗方法。主要分為水力性能和振動性能試驗，其中前者采用的標準為GB/T 3216—2016《回轉動力泵 水力性能驗收試驗1 級、2 級和3 級》（ISO 9906：2012，IDT）中1 級標準；后者（振動性能）采用的標準有3 個，分別為GB/T29531—2013《泵的振動測量與評價方法》、API 610—2010 和API 670—2014《振動、軸向位置和軸承溫度監測系統》。

（2）運轉試驗的試驗方法。試驗方法主要有3 個：①油池溫升，相關標準為API 610—2010；②噪聲測量，相關標準為GB/T 29529—2013；③軸封泄漏量，相關標準為API 682—2014《離心旋轉泵的軸封系統》。

（3）汽蝕試驗的試驗方法：GB/T 3216—2016（ISO 9906：2012，IDT）中1 級標準。

5.1.2 工廠試驗結果

國產化急冷油泵出廠驗收試驗數據見表2。

5.2 現場測試

試驗完成的國產急冷油泵于2019 年9 月出廠，2020 年8月裝置現場完成所有配套施工并驗收合格，并對國產急冷油泵進行了現場試運。試運一次成功，各項指標均正常，機泵各點振動均處于優良狀態，全部達到工況參數要求，并能與裝置原有的3 臺進口急冷油泵的任一臺并聯運行，實現互為備用（表3）。

表3 現場試運數據

6 結束語

國產化急冷油泵經過兩年的工業裝置的安全穩定運行，各項性能指標達到國際先進水平，滿足工業裝置運轉需求，標志著國內已具備大型乙烯裝置急冷油泵國產化的設計和制造能力，打破了國外壟斷，填補了國內空白。國產急冷油泵替代進口急冷油泵后，不僅采購成本顯著下降，而且還可以為急冷油泵的維護提供快速響應和服務，降低裝置運營維護成本，經濟效益明顯。