延遲焦化多級離心切焦水泵故障分析

孔繁強(qiáng)　王建軍（蘭州石化設(shè)備維修公司　蘭州）

延遲焦化多級離心切焦水泵故障分析

孔繁強(qiáng)王建軍
（蘭州石化設(shè)備維修公司蘭州）

延遲焦化裝置中的切焦高壓水泵是裝置水力除焦工藝部分的關(guān)鍵機(jī)泵，自裝置工藝改革后，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)腐蝕嚴(yán)重現(xiàn)象，這與該泵介質(zhì)酸值升高、含有大量焦粉密切相關(guān)。

高壓水泵轉(zhuǎn)子腐蝕介質(zhì)酸值

一、設(shè)備概述

某延遲焦化裝置中的切焦高壓水泵是其水力除焦工藝的關(guān)鍵機(jī)泵，主要為水力除焦工藝提供壓力12～30 MPa的高壓水。泵系浙江科爾泵業(yè)股份有限公司生產(chǎn)，型號TDQG 275-295× 10，屬臥式、筒型多級離心泵。

二、典型故障描述

2013年10月起，該泵DCS控制系統(tǒng)中顯示其軸位移值一直維持在390 μm上下浮動(dòng)，接近其報(bào)警值400 μm，軸瓦溫度也一直徘徊在65℃（報(bào)警值75℃）。2013年11月17日，該泵軸瓦溫度與振動(dòng)值均達(dá)到聯(lián)鎖值，引發(fā)該泵組聯(lián)鎖停機(jī)，18日拆檢時(shí)發(fā)現(xiàn)該泵已無法盤車。軸承箱拆解后發(fā)現(xiàn)，該泵主推力瓦燒毀（圖1），轉(zhuǎn)子解體后，其第九級、第十級葉輪與隔板間存在異物，第九級葉輪磨毀（圖2），第十級葉輪間半圓箍環(huán)脫出。主軸表面點(diǎn)蝕嚴(yán)重（圖3），首級葉輪被腐蝕穿孔（圖4）。

圖1　主推力瓦燒毀

圖2　磨毀葉輪

圖3　泵軸著色探傷圖片

圖4　首級葉輪腐蝕部位

將泵解體檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子腐蝕嚴(yán)重導(dǎo)致葉輪間半圓箍環(huán)脫出，并卡在葉輪與隔板之間，引發(fā)轉(zhuǎn)子振動(dòng)，瓦溫升高，最終直接導(dǎo)致本次停車故障的發(fā)生。

三、原因分析

1.轉(zhuǎn)子腐蝕原因分析

延遲焦化裝置自2013年工藝改造后，切焦塔所用切焦水改為工藝循環(huán)水。工藝循環(huán)水中含有大量H+離子，導(dǎo)致切焦水pH值較低。pH值對葉輪金屬腐蝕的影響包括2個(gè)方面，一是鋼鐵會在酸性的水中發(fā)生析氫反應(yīng)，

化學(xué)方程式：負(fù)極Fe-2e-=Fe2+，正極2H++2e-=H2↑。當(dāng)pH值較低時(shí)，直接影響正極反應(yīng)過程，氫離子的還原過程變得比較容易，F(xiàn)e原子失電子變得更加容易，從而加快了腐蝕速度。二是pH值的改變會使金屬腐蝕產(chǎn)物的溶解度發(fā)生改變，低的pH有利于氫去極化（即氫離子的正極反應(yīng)）和金屬表面氧化膜的溶解，泵轉(zhuǎn)子所采用的材料為不銹鋼2Cr13及3Cr13，該類材料可以選擇性氧化Cr3+離子，使工件表面形成致密的Cr2O3保護(hù)性薄膜。這種保護(hù)性氧化膜具有良好的自愈性（即合金中含有的足夠量的鉻以形成基本上由Cr2O3組成的表皮，以便當(dāng)表面致密的薄膜破損時(shí)有足夠數(shù)目的鉻（Cr3+）陽離子重新形成薄膜）可使這類材料能夠工作時(shí)不失去抗氧化性，化學(xué)方程式：2Cr3++6OH-→Cr2O3+3H2O。

如果鉻的比例低于完全保護(hù)所需要的比例，鉻就溶解在鐵表面形成的氧化物中而無法形成有效保護(hù)膜。根據(jù)離子守恒定律，溶液中陽離子所帶的正電荷總數(shù)與陰離子所帶的負(fù)電荷總數(shù)相等，而大量的H+則抑制了Cr3+離子的形成，使不銹鋼表面形成Cr2O3保護(hù)膜的自愈性降低，從而加速了泵轉(zhuǎn)子腐蝕。

其次是大量的H+離子構(gòu)成了電解質(zhì)溶液，使泵轉(zhuǎn)子有了異種金屬腐蝕在電解質(zhì)溶液中發(fā)生電化學(xué)腐蝕的條件。如果兩種金屬互相接觸，則電位低的金屬比較活潑，會形成了腐蝕電流的陽極，加速自身的腐蝕；而電位較高的金屬就會成為陰極，受到保護(hù)。轉(zhuǎn)子各部位表面的化學(xué)組成不同，金相結(jié)構(gòu)不均一，例如葉輪材料為2Cr13，泵軸材料為3Cr13，這類材料中含有的滲碳體Fe3C與Cr的電位往往高于鐵素體本身，會構(gòu)成微電池的陰極，促使轉(zhuǎn)子表面金屬發(fā)生微電池腐蝕或微觀電偶，形成腐蝕來源。

與此同時(shí)，切焦水中在轉(zhuǎn)子輸送介質(zhì)與葉輪表面相對運(yùn)動(dòng)時(shí)會產(chǎn)生一種湍流腐蝕，這種湍流既加快了腐蝕劑的供應(yīng)量，又附加了一個(gè)流動(dòng)介質(zhì)對葉輪表面的切應(yīng)力，使腐蝕產(chǎn)物一旦形成就被剝離并被沖走，而切焦水中含有的大量焦粉則加劇了這一現(xiàn)象，加速了轉(zhuǎn)子腐蝕。

綜上所述，高壓水泵因介質(zhì)酸值高，含焦粉等雜質(zhì)多，在長期運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子受到湍流腐蝕、電化學(xué)腐蝕、電偶腐蝕等多種腐蝕因素影響，導(dǎo)致腐蝕嚴(yán)重。

2.轉(zhuǎn)子腐蝕帶來的進(jìn)一步影響

高壓水泵所采用的軸向力平衡結(jié)構(gòu)為平衡盤加平衡鼓結(jié)構(gòu)（圖5），平衡鼓外圓與節(jié)流襯套內(nèi)孔形成一個(gè)很小的徑向間隙，該間隙將平衡機(jī)構(gòu)分成前后兩個(gè)腔，其前面是末級葉輪后的泵腔，是高壓區(qū)，后面是介質(zhì)壓力較低的平衡腔，是低壓區(qū)。因此在平衡鼓上的前后端面形成壓差，從而產(chǎn)生指向低壓區(qū)的平衡力。平衡盤一側(cè)的壓力為末級葉輪的壓力經(jīng)過平衡鼓徑向間隙減壓后的較高的壓力區(qū)，平衡盤另一側(cè)的壓力為平衡腔內(nèi)較低的壓力，因此在平衡盤的兩個(gè)端面上形成壓差，從而產(chǎn)生指向低壓區(qū)的平衡力，該平衡力方向與轉(zhuǎn)子軸向力的方向剛好相反，用來平衡作用在轉(zhuǎn)子上的軸向力。平衡盤軸向間隙是隨轉(zhuǎn)子的軸向移動(dòng)而變化的。當(dāng)末級葉輪出口壓力隨負(fù)荷的變化而增大時(shí)，轉(zhuǎn)子的軸向力也隨之增大，這時(shí)平衡盤隨轉(zhuǎn)子向泵入口端移動(dòng)，其軸向間隙相應(yīng)變小，平衡盤鼓前后壓差增大，平衡力增大，直至軸向力與平衡力再次平衡，轉(zhuǎn)子重新找到平衡點(diǎn)。

轉(zhuǎn)子的腐蝕會加快平衡盤的軸向腐蝕，造成平衡盤與平衡環(huán)之間的間隙增大，這就相當(dāng)于既增大了轉(zhuǎn)子竄量，而其徑向腐蝕則削弱了平衡盤鼓與節(jié)流襯套之間的節(jié)流降壓能力，最終導(dǎo)致平衡盤前后壓差減小，平衡力下降，轉(zhuǎn)子向泵入口端移動(dòng)。

另一方面由于高壓水泵平衡盤鼓外圓表面的迷宮密封溝槽易被焦粉填充，迷宮密封主要是通過水力磨阻效應(yīng)、流束收縮效應(yīng)，來實(shí)現(xiàn)節(jié)流降壓的目的。流體沿流道的沿程摩擦和局部磨阻構(gòu)成了磨阻效應(yīng)，前者與通道的長度和截面形狀有關(guān)，后者與迷宮的彎曲數(shù)和幾何形狀有關(guān)。一般是：當(dāng)流道長、拐彎急、齒頂尖時(shí)，阻力大，壓差損失顯著，泄漏量減小。而焦粉堵塞迷宮溝槽后，齒頂尖變凸，液體拐彎變緩，整個(gè)迷宮密封效能減弱，最終影響了平衡機(jī)構(gòu)的平衡能力。

圖5　盤鼓結(jié)構(gòu)示意圖

四、結(jié)論

延遲焦化裝置高壓水泵介質(zhì)中含大量H+離子，酸值高，且固體顆粒多，長期運(yùn)行后，轉(zhuǎn)子發(fā)生電化學(xué)腐蝕，磨損腐蝕等多種腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致平衡盤鼓在長期工作后，軸向與徑向尺寸減小，增大了轉(zhuǎn)子竄量，平衡盤前后壓差減小，且平衡盤鼓外圓表面的迷宮密封溝槽因焦粉阻塞，導(dǎo)致節(jié)流降壓效果變差，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子平衡力降低，轉(zhuǎn)子向入口端偏移。

〔編輯利文〕

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