劉廣廈，何 源

(神華新疆化工有限公司，新疆 烏魯木齊 831400)

MTO裝置的核心是反應(yīng)再生系統(tǒng)，甲醇在催化劑、高溫條件下反應(yīng)生成富含乙烯、丙烯的反應(yīng)氣，經(jīng)過(guò)降溫、除雜、壓縮、分離之后可以得到高純度的乙烯、丙烯產(chǎn)品。反應(yīng)氣在壓縮前需要經(jīng)過(guò)急冷水洗滌，以脫除反應(yīng)氣中攜帶的少量催化劑，并完成脫過(guò)熱。急冷水泵是急冷水系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)急冷水循環(huán)的動(dòng)力來(lái)源，該泵的運(yùn)行狀況直接影響到裝置的水系統(tǒng)循環(huán)和反再系統(tǒng)能否平穩(wěn)運(yùn)行。因此，急冷水泵需具備大循環(huán)量、耐腐蝕、耐磨損等條件，以提高對(duì)急冷水系統(tǒng)的適應(yīng)性。

1 急冷水泵易磨損部件及影響

根據(jù)多年對(duì)MTO急冷水泵進(jìn)行維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)可知，其90%的故障由急冷水的沖刷磨損所致。磨損主要發(fā)生在口環(huán)、機(jī)械密封(簡(jiǎn)稱機(jī)封)、泵殼、葉輪、泵軸等接液部位和主要摩擦副。其中，口環(huán)、機(jī)封的磨損故障占80%，泵殼、葉輪、泵軸磨損故障占10%?？诃h(huán)的磨損直接導(dǎo)致口環(huán)間隙增大，使泵內(nèi)流體損失增加、泵輸出流量嚴(yán)重降低，影響急冷水系統(tǒng)的正常循環(huán)；此外，在影響流量的同時(shí)，還會(huì)引起泵振動(dòng)增大、噪音增大、管路振動(dòng)增大。以振動(dòng)為例，泵高效運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)通常小于3 mm/s，當(dāng)口環(huán)磨損時(shí)，則振動(dòng)值增大，超過(guò)5 mm/s，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致機(jī)械密封、軸承、轉(zhuǎn)子等部件過(guò)早發(fā)生磨損故障。

在國(guó)內(nèi)早期的MTO裝置中，急冷水泵機(jī)械密封采用Plan23自沖洗方案，機(jī)封磨損泄漏經(jīng)常發(fā)生。泄漏通常直接導(dǎo)致高溫急冷水外漏，降低泵運(yùn)行效率，同時(shí)帶來(lái)較大的不安全因素。目前，急冷水泵機(jī)封已逐漸選用密封效果更好的串聯(lián)式兩級(jí)彈簧機(jī)械密封，采用Plan32+52沖洗方案。該方案的一級(jí)密封沖洗介質(zhì)更加清潔，可以有效延長(zhǎng)機(jī)封的使用壽命，同時(shí)降低介質(zhì)外漏的安全風(fēng)險(xiǎn)，但機(jī)封的磨損仍不可完全避免。

泵殼、葉輪、泵軸的磨損故障率較低，通常在泵輸送介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)、固含量高、長(zhǎng)周期等條件苛刻的情況下發(fā)生。泵殼的磨損主要分布在口環(huán)座、殼體、蝸殼等部位；葉輪的磨損主要分布在葉輪流道內(nèi)，葉片及流道出口處的磨損較為突出。這一類的磨損通常表現(xiàn)為振動(dòng)增大、流量下降，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致泵體磨穿泄漏，無(wú)法滿足工藝需求。

2 急冷水泵磨損原因分析

2.1 急冷水固含量的影響

急冷水泵磨損的直接原因是急冷水固含量高所致，這里的固含主要是來(lái)自反應(yīng)氣中的催化劑細(xì)粉顆粒。在反再系統(tǒng)流化反應(yīng)過(guò)程中，部分催化劑會(huì)發(fā)生磨損、破碎而產(chǎn)生細(xì)粉顆粒。一般認(rèn)為，催化劑的磨損分為表層磨損和體相斷裂兩大類。表層磨損是指不同粒徑的催化劑顆粒經(jīng)過(guò)表面磨損后顆粒主體粒徑逐級(jí)減小，同時(shí)生成超細(xì)粉；體相斷裂是指較大的催化劑顆粒一次斷裂形成幾個(gè)較小的催化劑顆粒，其是否發(fā)生主要取決于催化劑的組成、顆粒結(jié)構(gòu)、顆粒大小、反應(yīng)器設(shè)計(jì)和操作條件。在許多需要流化反應(yīng)的過(guò)程中，一般表層磨損機(jī)制和體相斷裂機(jī)制同時(shí)存在【1-2】。

催化劑磨損產(chǎn)生的細(xì)粉顆粒通過(guò)旋風(fēng)分離器跑損進(jìn)入急冷水，為降低催化劑自身磨損及跑損，要求催化劑具有較低的磨損指數(shù)。早期MTO催化劑本身的磨損指數(shù)≤2%。隨著催化劑的技術(shù)革新，磨損指數(shù)逐漸降低到≤1%，這意味著催化劑自身更加耐磨，對(duì)設(shè)備的磨損更加嚴(yán)重。因此，隨反應(yīng)氣跑損的催化劑進(jìn)入急冷水后，在高速經(jīng)過(guò)急冷水泵時(shí)，會(huì)對(duì)泵內(nèi)葉輪、蝸殼等部件產(chǎn)生較大沖刷磨損。根據(jù)5年的急冷水固含量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及泵檢修情況(見(jiàn)表1)可知，急冷水固含量越大，磨損越嚴(yán)重。

表1 急冷水固含量與泵檢修情況

2.2 急冷水pH值的腐蝕作用

由于MTO催化劑本身呈酸性，且MTO反應(yīng)過(guò)程中也會(huì)發(fā)生一些副反應(yīng)，產(chǎn)生酸性雜質(zhì)，這些酸性物質(zhì)溶入急冷水后會(huì)導(dǎo)致急冷水pH值下降。由于氫離子是有效的陰極去極劑，所以一般pH值越小，金屬的腐蝕越大【3】，也就是說(shuō)碳鋼在酸性環(huán)境下的腐蝕更嚴(yán)重。以碳鋼在110 ℃、不同pH值鹽酸溶液中的腐蝕速率來(lái)分析可以看出：pH值在4～7之間時(shí)，腐蝕速率較??；pH值>7時(shí)，碳鋼表面被鈍化，腐蝕速度繼續(xù)下降且非常??；pH值<4時(shí)，碳鋼表面保護(hù)膜被溶解，溶液中因氫離子濃度增加而發(fā)生析氫反應(yīng)，腐蝕速度急劇增大【4】。

為控制急冷水的pH值，通常向急冷水中注堿調(diào)和，將急冷水pH值控制在6～9。由于受甲醇原料、催化劑循環(huán)、操作溫度、壓力等因素的影響，反再系統(tǒng)存在一定的波動(dòng)，會(huì)影響反應(yīng)氣中酸性物質(zhì)的含量，往往導(dǎo)致急冷水pH值發(fā)生波動(dòng)。pH值降低時(shí)，就會(huì)增大急冷水的腐蝕性，在腐蝕和催化劑磨損的雙重作用下，使泵內(nèi)構(gòu)件的磨損加劇，從而大大縮短泵的運(yùn)行周期。

2.3 泵汽蝕加劇磨損

急冷水泵的汽蝕主要由泵入口過(guò)濾網(wǎng)堵塞所致。由于急冷水?dāng)y帶有催化劑，在其循環(huán)過(guò)程中，水中的催化劑在管道、設(shè)備內(nèi)壁附著結(jié)垢，在水力沖擊、管道振動(dòng)的作用下，部分附著不牢靠的催化劑垢就會(huì)脫落，隨急冷水循環(huán)至各個(gè)相關(guān)系統(tǒng)；當(dāng)含有催化劑塊的急冷水經(jīng)過(guò)泵時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致泵入口過(guò)濾網(wǎng)頻繁堵塞。由于急冷水溫度高達(dá)110 ℃，當(dāng)泵入口過(guò)濾網(wǎng)堵塞嚴(yán)重時(shí)，泵入口急冷水的絕對(duì)壓力低于飽和蒸汽壓力，這時(shí)，急冷水便會(huì)發(fā)生汽化形成氣泡；這些氣泡進(jìn)入泵內(nèi)高壓區(qū)時(shí)，急劇縮小以至破裂，破裂的同時(shí)，混有催化劑的急冷水高速填充氣泡孔穴，發(fā)生互相撞擊而形成局部水擊；這種水擊發(fā)生在泵殼、葉輪上時(shí)，就會(huì)造成部件表面局部點(diǎn)蝕破壞。

3 急冷水泵磨損預(yù)防及防護(hù)措施

3.1 穩(wěn)定操作、精細(xì)管理

根據(jù)對(duì)急冷水泵磨損原因的分析可知，pH值、急冷水固含量、泵汽蝕是導(dǎo)致泵磨損腐蝕的主要因素，而這幾個(gè)因素能否得到有效控制，大都與生產(chǎn)操作有關(guān)。因此，可以從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)操作管理：

1) 加強(qiáng)對(duì)反再系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，反應(yīng)壓力、溫度，催化劑定碳，催化劑循環(huán)量，再生溫度、壓力等關(guān)鍵參數(shù)都需要平穩(wěn)精細(xì)控制，杜絕催化劑異常跑損，防止大量催化劑進(jìn)入急冷水，確保急冷水固含量穩(wěn)定在較低的水平。

2) 建立急冷水采樣分析臺(tái)賬，對(duì)急冷水pH值、固含量進(jìn)行定時(shí)分析和記錄，一旦出現(xiàn)異常，及時(shí)調(diào)節(jié)堿注入量，或進(jìn)行急冷水外甩操作，嚴(yán)格控制pH為6～9，防止急冷水酸性腐蝕。

3) 做好泵的巡檢工作，對(duì)泵運(yùn)行的流量、振動(dòng)、排出壓力、電流等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄，如果出現(xiàn)異常情況，及時(shí)對(duì)泵進(jìn)行檢查確認(rèn)，清理泵入口過(guò)濾器，防止汽蝕發(fā)生。

3.2 應(yīng)用新的催化劑和分離技術(shù)

目前MTO裝置所用的旋風(fēng)分離器比較先進(jìn)，分離效率基本都>99.995%，但對(duì)于細(xì)粉催化劑的分離效果普遍不佳，通過(guò)旋風(fēng)分離器脫除超細(xì)粉催化劑難度比較高。因此可以通過(guò)升級(jí)催化劑性能、優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、提高急冷水除固效率等方法來(lái)降低催化劑跑損和急冷水固含量。

首先，在MTO催化劑選用方面，磨損指數(shù)較高的催化劑正逐漸被淘汰，而磨損指數(shù)的降低可大大降低催化劑的磨損和跑損。幾種逐步改進(jìn)的催化劑特性見(jiàn)表2。其次，通過(guò)優(yōu)化反應(yīng)器進(jìn)料分布器、格柵、旋風(fēng)分離器等部件的結(jié)構(gòu)及布局，也可以有效降低催化劑的磨損和單耗。

表2 幾種逐步改進(jìn)的催化劑特性

此外，急冷水固液分離技術(shù)的革新和應(yīng)用，也是降低急冷水固含量的重要措施。以旋液分離器在MTO急冷水固液分離的應(yīng)用來(lái)看，目前，急冷水旋液分離器已升級(jí)到第三代，旋流管為斜倒置安裝，入口濃度可達(dá)到33 000 mg/L，大大增強(qiáng)了對(duì)急冷水的適應(yīng)性。但旋液分離器對(duì)急冷水中催化劑塊的分離效果很差。催化劑塊往往會(huì)加速旋液分離器失效，導(dǎo)致其運(yùn)行周期縮短、檢修維護(hù)成本增加，從而制約裝置的高效運(yùn)行。

對(duì)于急冷水的固液分離技術(shù)仍在不斷地探索革新中，目前最具代表性的新技術(shù)為沸騰床沙濾技術(shù)。沸騰床沙濾采用深床過(guò)濾和沸騰床再生方法實(shí)現(xiàn)催化劑(尤其是小顆粒催化劑)的分離，分離精度可以達(dá)到0.3 μm，分離效果及實(shí)用性均優(yōu)于旋液分離技術(shù)。

3.3 升級(jí)泵體材質(zhì)

升級(jí)泵體材質(zhì)，提高泵的耐磨、耐腐蝕特性是改善急冷水泵工況適應(yīng)性的主要手段之一。參考API 610標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)選用表可知，C6級(jí)材質(zhì)整體性能優(yōu)于S6級(jí)。以泵殼材質(zhì)為例，S6級(jí)材質(zhì)通常選用ZG230～ZG450，屬于鑄造碳鋼，具有較好的抗拉強(qiáng)度和硬度，但是耐腐蝕性較差；C6級(jí)材質(zhì)為CA6NM，也是目前急冷水泵經(jīng)常選用的材質(zhì)，是一種低碳馬氏體鉻鎳不銹鋼，比1Cr13具有更好的力學(xué)性能(見(jiàn)表3)，可用于高強(qiáng)度、高硬度、同時(shí)具有中等腐蝕環(huán)境的場(chǎng)合。

表3 幾種泵殼材質(zhì)性能對(duì)比

就耐腐蝕性而言，不銹鋼的耐腐蝕性優(yōu)于碳鋼，能夠耐大氣、水、硝酸、堿、鹽、有機(jī)酸、有機(jī)化合物及其他氧化性環(huán)境的腐蝕。其腐蝕數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表4【3】。

表4 腐蝕數(shù)據(jù)對(duì)比

3.4 防腐涂層技術(shù)的應(yīng)用

涂層防腐技術(shù)是提升設(shè)備表面耐腐蝕和耐磨損性能的新技術(shù)。該技術(shù)通常采用熱噴涂的方法，將涂層材料加熱熔化，用高速氣流將其霧化成極細(xì)的顆粒，并以很高的速度噴射到工件表面，形成涂層【5】?？捎糜跓釃娡康牟牧媳容^廣泛，包括金屬、合金、陶瓷、金屬陶瓷、塑料以及由它們組成的復(fù)合物等，因而能賦予基體以各種功能(耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化、絕緣、隔熱、生物相容、紅外吸收等)的表面【6】。目前，在急冷水泵上有所應(yīng)用的熱噴涂材料有硼、硅鐵基噴涂合金、碳化硅陶瓷、金屬陶瓷等材料。這些材料的硬度比較高，且具有優(yōu)質(zhì)的耐磨、耐腐蝕性，其中金屬陶瓷兼有金屬的韌性和陶瓷的硬度、耐高溫等特點(diǎn)，是常用的耐磨材料【7】，可以通過(guò)合理的熱噴涂方法將其均勻地噴涂在泵殼、葉輪、泵蓋等易發(fā)生腐蝕和磨損的部位，大大提高泵對(duì)急冷水工藝條件的適應(yīng)性。

根據(jù)急冷水泵檢修維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，泵內(nèi)的表面涂層壽命一般為3～5年，在此壽命期間，表面涂層可以有效保護(hù)設(shè)備免受急冷水的腐蝕和磨損。當(dāng)表面涂層發(fā)生破損時(shí)，保護(hù)作用就會(huì)大大降低，因此在檢修過(guò)程中，需特別注意保護(hù)涂層，防止檢修工具撞擊涂層而造成不必要的破損。當(dāng)發(fā)現(xiàn)涂層破損嚴(yán)重時(shí)，建議進(jìn)行返廠修復(fù)，否則泵內(nèi)部構(gòu)件將很快發(fā)生局部腐蝕和磨損，泵的故障率和檢修頻次也將大大增加。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)MTO裝置急冷水泵磨損問(wèn)題進(jìn)行分析研究，找到了一些影響泵磨損的重要因素，并針對(duì)這些因素提出了相關(guān)預(yù)防及防護(hù)措施。根據(jù)目前的MTO工藝，解決催化劑跑損問(wèn)題、降低急冷水催化劑含量仍然是生產(chǎn)過(guò)程中的瓶頸問(wèn)題。只有對(duì)MTO工藝技術(shù)進(jìn)行不斷地探索和創(chuàng)新，并進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)操作，才能逐步改善急冷水的固含量，從而降低其對(duì)設(shè)備的磨損腐蝕。此外，泵的材質(zhì)升級(jí)以及涂層防護(hù)技術(shù)的探索及應(yīng)用，可以提升設(shè)備對(duì)復(fù)雜工況條件的適應(yīng)性，是解決磨損問(wèn)題的重要措施。