高壓甲銨泵填料破損原因分析與維護(hù)

(河南煤業(yè)化工集團(tuán)中原大化公司，河南濮陽 457004)

河南省煤業(yè)化工集團(tuán)中原大化公司年產(chǎn)11萬t尿素裝置，采用國內(nèi)傳統(tǒng)的水溶液全循環(huán)生產(chǎn)工藝，主要用來回收三胺事業(yè)部一、二、三套三聚氰胺生產(chǎn)裝置所產(chǎn)生的尾氣，在不加入新鮮二氧化碳的條件下重新進(jìn)行尿素的合成，產(chǎn)品返回三聚氰胺裝置作為原料循環(huán)利用，有效地降低了三聚氰胺裝置的生產(chǎn)成本，同時(shí)解決了三聚氰胺工藝尾氣回收困難的問題。由于高壓甲銨泵為臥式三缸單作用柱塞往復(fù)泵有量程大、打壓高、成本低等特點(diǎn)，因此選用該泵向合成塔輸送甲銨液，但是在正常生產(chǎn)運(yùn)行過程中其填料經(jīng)常損壞泄漏，從而嚴(yán)重影響了小尿素和三套三胺的穩(wěn)定運(yùn)行，本文將對(duì)高壓甲銨泵填料損壞的原因進(jìn)行分析，并提出操作與維護(hù)的注意事項(xiàng)。

1 高壓甲銨泵的特殊性

甲銨泵缸體要受甲銨液的強(qiáng)烈腐蝕，而且還要受排出高壓和吸入低壓的脈動(dòng)應(yīng)力，因此在缸體內(nèi)側(cè)應(yīng)力集中的區(qū)域特別容易發(fā)生由于腐蝕疲勞而引起的缸體填料損壞現(xiàn)象。

1.1 應(yīng)力集中區(qū)

缸體通道在有交變載荷下開孔相貫處的應(yīng)力達(dá)到最大值，然后逐漸減少，最后基本穩(wěn)定，可見開孔相貫處是缸體的應(yīng)力集中區(qū)。

1.2 腐蝕疲勞

腐蝕疲勞是由脈動(dòng)應(yīng)力及腐蝕兩個(gè)因素聯(lián)合作用造成的。金屬表面，由于交變載荷長期作用，使局部變形，晶格斷裂而產(chǎn)生細(xì)微裂紋，從而使保護(hù)膜發(fā)生破裂井形成易損壞的微小區(qū)域。另一方面在甲銨液流速較大或沖刷嚴(yán)重的部位，由于溶液的高速運(yùn)動(dòng)對(duì)不銹鋼表面的氧化膜產(chǎn)生機(jī)械磨損，被損壞的氧化膜由于溶液中氧含量偏低得不到及時(shí)補(bǔ)充，也引起金屬表面的腐蝕。上述雙重作用使高應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生腐蝕疲勞裂紋。

缸體開裂的原因，還與缸體結(jié)構(gòu)不合適有關(guān)。原采用四通缸體，開孔相貫處多，另一原因是鍛件質(zhì)量不高。從工藝流程上說，甲銨泵入口應(yīng)有足夠的液柱高度，使介質(zhì)在缸體內(nèi)不發(fā)生汽蝕現(xiàn)象也是相當(dāng)重要的。中尿裝置初始時(shí)80 kt/a的裝置一吸塔至一甲泵入口標(biāo)高在6 m以下，甲銨泵的氣縛現(xiàn)象特別嚴(yán)重，四通缸體使用不到兩個(gè)月就開裂，嚴(yán)重時(shí)不到半個(gè)月，在11萬t/a裝置中有比較合適的位差，開裂情況就不嚴(yán)重，一般可用一年，小尿素裝置一吸塔至一甲泵進(jìn)口有11 m的位差，使一甲泵運(yùn)轉(zhuǎn)工況大為改善，而且泵的結(jié)構(gòu)和骸件材質(zhì)也作了改進(jìn)，至今還沒有發(fā)生缸體開裂的設(shè)備事故。

結(jié)構(gòu)上為了減少開孔相貫處的應(yīng)力集中，將四通缸體改為三通式，使用組合閥，但還不夠理想，又將三通缸體改為直通式，在組合閥安裝點(diǎn)、高低壓交變區(qū)不開設(shè)相交孔，這樣消除了交變應(yīng)力腔內(nèi)應(yīng)力集中現(xiàn)象，改進(jìn)后泵體壽命明顯提高。

上述直通式缸體在加工時(shí)采用合理的相交圓角，降低最大應(yīng)力，提高相交圓角的表面光潔度。表面噴丸或滾壓，產(chǎn)生壓應(yīng)力，抵消一部分工作時(shí)的拉應(yīng)力，將缸體鍛件的纖維方向和軸線垂直，使材料能承受較高的拉應(yīng)力。

材料方面采用奧氏體—鐵素體復(fù)相鋼，這種鋼有較好的耐應(yīng)力腐蝕及抗開裂性能，日本認(rèn)為SUS329J是缸體的適宜材料，瑞典的Sandvlk 3RE60采用先進(jìn)的冶煉方法，減少鋼中夾雜物和缺陷，因?yàn)樗鼈兌加锌赡艹蔀楦g的裂紋，日本標(biāo)準(zhǔn)要求C≤0.01%，美國標(biāo)準(zhǔn) C≤0.01% ～0.02%，雜物顆粒 ＜0.2 mm。

在以后的水溶液全循環(huán)工藝裝置設(shè)計(jì)中，層高逐步加大，中尿裝置最初層高只18.5 m，為使尿素工藝正常運(yùn)行，使一甲泵缸體內(nèi)不發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，改造至23.5 m。中尿裝置最完善的設(shè)計(jì)版本是提至26.5 m。小尿素裝置試驗(yàn)版28.0 m，至通用設(shè)計(jì)時(shí)又提至30 m，這是解決一甲泵缸體開裂的重要措施。在工藝操作上逐漸掌握穩(wěn)定一甲液組分的操作方法，一甲液NH3/CO2波動(dòng)，造成一甲液溫度波動(dòng)，是一甲泵發(fā)生氣縛的主要原因。

2 高壓甲銨泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

高壓甲銨泵P8302A/B/C泵都是由上海大隆機(jī)器廠生產(chǎn)的臥式三缸單作用柱塞往復(fù)泵，用于氨基甲酸銨的輸送，泵液力端的過流原件采用耐酸堿不銹鋼制造，泵設(shè)計(jì)成連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)型，由電動(dòng)機(jī)通過變頻器帶動(dòng)齒輪減速器使泵的流量在13～26 m3/h范圍里進(jìn)行無級(jí)調(diào)速。

該泵主要包括底盤、驅(qū)動(dòng)部分、減速箱、曲軸箱、柱塞、缸頭和進(jìn)出口管線以及潤滑、儀表、電器、密封沖洗等輔助部分。相關(guān)參數(shù)如表1所示。

3 高壓甲銨泵填料損壞的原因與分析

高壓甲銨泵P8302A/B/C的操作溫度為95～110℃，出口壓力為18.5 MPa，介質(zhì)由三聚氰胺的尾氣形成的甲銨液。因此柱塞采用AIISI316Ti鍍Ni、Gr材質(zhì)，以提高柱塞耐蝕、耐磨、耐熱以及抗氧化性。軸封填料采用耐熱、耐蝕性強(qiáng)、潤滑性良好的聚四氟乙烯纖維填料。實(shí)際生產(chǎn)中盡管該泵操作工況較為苛刻，但隨機(jī)備件使用狀況、使用壽命基本達(dá)到技術(shù)要求。但是柱塞和填料經(jīng)常出現(xiàn)問題，柱塞表面的Ni、Gr鍍層剝離嚴(yán)重，大大加劇對(duì)填料的磨損，填料的最短使用壽命僅為15 d;填料本身耐蝕性和剛度、強(qiáng)度也不如隨機(jī)備件，密封效果不好，使用壽命短。這樣設(shè)備綜合維修費(fèi)用不減反增，嚴(yán)重影響裝置穩(wěn)定運(yùn)行。

針對(duì)缸體填料沖洗水經(jīng)常結(jié)晶堵塞這一問題，操作人員定時(shí)用蒸汽吹掃使管路暢通。后來經(jīng)過填料外加水降溫，加空氣降溫填料壽命比以前有所好轉(zhuǎn)，但是運(yùn)行長周期也不超過25 d。

針對(duì)該泵柱塞和填料出現(xiàn)的問題，多次分析比較后，發(fā)現(xiàn)了癥結(jié)之所在:填料質(zhì)量達(dá)不到要求，耐蝕、耐磨、抗氧化性不強(qiáng)。從而導(dǎo)致填料的密封能力和使用壽命。后來采用某航空工業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)廠加工制作的柱塞和填料，材質(zhì)仍為316Ti，不鍍Ni、Gr鍍層，采用熱處理提高硬度強(qiáng)度。實(shí)踐證明，采用這一改進(jìn)措施后，柱塞的密封效果、使用壽命在100 d左右。

表1 高壓甲銨泵設(shè)備參數(shù)

4 影響高壓甲銨泵填料使用壽命的因素

4.1 密封液

高壓柱塞泵都采用主副兩段填料密封，當(dāng)介質(zhì)從主填料函泄漏時(shí)，除了由密封液帶走外，還可由副填料函來密封，同時(shí)密封液使柱塞表面潤滑，使填料保持一定溫度(柱塞與填料摩擦發(fā)熱或液氨泄滑致冷，使填料變形冷縮)。密封液一般用脫鹽水，中型廠也有用油的。

4.2 導(dǎo)向套的材質(zhì)

臥式柱塞泵設(shè)置有導(dǎo)向套，主要是起支承和導(dǎo)向柱塞的作用，也使柱塞在往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)不因柱塞的重力而打偏填料，因此導(dǎo)向套要求有一定強(qiáng)度且耐磨耐蝕的性能，一般采用填充石墨，二硫化鉬的聚四氟乙烯、鋼環(huán)內(nèi)襯石墨環(huán)、浸漬鋁石墨環(huán)等。

4.3 填料形式和材料

填料形式和材料質(zhì)量直接影響到填料的使用壽命。因此填料應(yīng)選用耐磨、耐低溫、強(qiáng)度高、自潤滑性能好的材料，現(xiàn)在成熟的是壓制成型的碳纖維編織方型TFA填料。

4.4 柱塞鍍鉻質(zhì)量及連接

柱塞一般采用表面鍍鉻，經(jīng)精加工使其具有較高的硬度和光潔度，鍍鉻質(zhì)量不好易剝落，直接磨損填料。鍍鉻層厚度不要超過0.15 mm，表面不得有任何缺陷。柱塞與十字頭連接采用平墊或球墊連接。采用球墊連接可自動(dòng)和柱塞對(duì)中，改善填料的磨偏。

4.5 安裝質(zhì)量

未成型填料在安裝前應(yīng)預(yù)壓(預(yù)壓可用液壓裝置，剪切填料放在模具中，填料上預(yù)壓力應(yīng)比泵的排出壓力高15% ～25%)，主要目的是使填料成型，能充滿填料函，防止柱塞運(yùn)動(dòng)時(shí)因填料松動(dòng)而加快磨損。填料裝入填料箱，應(yīng)采用組裝法，盡量使填料中心和柱塞中心對(duì)中。

5 高壓甲銨泵的操作與維護(hù)注意事項(xiàng)

啟動(dòng)前應(yīng)注意以下幾點(diǎn):①啟動(dòng)前必須先打開填料函箱的密封液，并檢查是否流通，量不宜過大。②啟動(dòng)油泵，調(diào)整油壓至正常范圍(0.3～0.5 MPa)。③打開入口閥和副線閥，副線閥必須全開。④啟動(dòng)前用調(diào)速機(jī)構(gòu)調(diào)速，使泵在量低速下啟動(dòng)。

甲銨泵開車前用蒸汽冷凝液先預(yù)熱泵體，預(yù)熱后水由泵后排放閥排至地溝。停車后應(yīng)及時(shí)清洗泵體。

運(yùn)轉(zhuǎn)中經(jīng)常檢查主機(jī)軸承蓋上的潤滑油壓力表，油壓應(yīng)保持在0.3～0.5 MPa，有的制造廠未設(shè)置油冷卻器，則在啟動(dòng)后一段時(shí)間內(nèi)由于循環(huán)油溫度上升，黏度下降，使油壓下降，要及時(shí)調(diào)整油壓，避免主機(jī)跳車。

定時(shí)分析(每班一次)密封液中泄漏介質(zhì)的含量，如泄漏嚴(yán)重，填料壓蓋外漏較多時(shí)，應(yīng)及時(shí)緊填料壓蓋(一般需在泵卸壓打循環(huán)下緊填料壓蓋，不得在運(yùn)轉(zhuǎn)中緊填料壓蓋)，不能到填料刺壞再緊。

在一般巡檢中，應(yīng)該常注意柱塞發(fā)熱情況、磨損程度以及有無拉毛等現(xiàn)象。

經(jīng)常檢查各柱塞作功是否正常，如發(fā)現(xiàn)出口壓力表大幅度擺動(dòng)，電流表也擺動(dòng)，缸體有不正常響聲，泵的轉(zhuǎn)速與打量不對(duì)應(yīng)等不正?，F(xiàn)象，要及時(shí)檢查和消除。

減速器在日常運(yùn)行中，必須保持有足夠的潤滑油，潤滑油的情況可自兩側(cè)窺視孔觀察，應(yīng)有均勻的軸向潑濺的油液，且存油油位不應(yīng)在窺視孔看見。如潤滑不足或存油過多都不行，減速器在運(yùn)行中僅有輕度的嚙合噪音，應(yīng)無沖擊響聲。

如果缸體密封點(diǎn)有泄漏，不能在運(yùn)轉(zhuǎn)下緊螺栓，必須開副線閥打循環(huán)下緊螺栓。合成塔可以在2～3 min內(nèi)暫停某一物料，但塔底截止閥必須與泵主線同時(shí)關(guān)閉或打開，以防物料倒流。

6 結(jié)束語

本文通過對(duì)高壓甲銨泵的特點(diǎn)及原理的分析，從設(shè)備到工藝方面分析了填料損壞原因，在設(shè)備方面通過更換填料類型，從工藝上提出了操作與維護(hù)的注意事項(xiàng)，有效地提高了填料的運(yùn)行壽命，保證了裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。