硫酸計(jì)量泵及管道存在的問(wèn)題及解決措施

白虎雄，賀永斌，白榮榮

（陜西北元化工集團(tuán)有限公司化工分公司，陜西榆林 719319）

陜西北元化工集團(tuán)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱北元化工），現(xiàn)有1 100 kt/a聚氯乙烯裝置和800 kt/a燒堿生產(chǎn)裝置。北元化工燒堿生產(chǎn)裝置中有硫酸干燥氯氣工藝，利用w(H2SO4)98.5%的濃硫酸對(duì)氯氣進(jìn)行干燥，濃硫酸通過(guò)計(jì)量泵加入干燥設(shè)備中，但在運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)了計(jì)量泵附件故障、出口管道腐蝕等問(wèn)題。筆者針對(duì)計(jì)量泵附件故障和出口管道腐蝕問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決措施。

1 存在問(wèn)題

目前北元化工有6臺(tái)硫酸計(jì)量泵用于氯氣干燥，計(jì)量泵為Milroyal柱塞式單缸計(jì)量泵。在計(jì)量泵的工作過(guò)程中，泵出口管道頻繁發(fā)生泄漏，泄漏頻次增加導(dǎo)致檢修作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)增大，同時(shí)影響生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，計(jì)量泵出口壓力表故障頻繁，表現(xiàn)為壓力表顯示不準(zhǔn)、打偏、指針掉落等現(xiàn)象，計(jì)量泵單向閥組件經(jīng)常損壞。

2 問(wèn)題分析

計(jì)量泵是一種能夠進(jìn)行計(jì)量輸送液體介質(zhì)的容積式往復(fù)泵。借助于柱塞在液缸工作腔內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)工作腔容積產(chǎn)生周期性的變化。工作時(shí)，計(jì)量泵機(jī)械傳動(dòng)部件承受的載荷是交變的，雖然平均流量是恒定的，但是瞬時(shí)流量是脈動(dòng)的。由于管內(nèi)流動(dòng)液體的加速和減速，其入口管路和出口管路內(nèi)液體的壓力也是脈動(dòng)的，在節(jié)流部位以及彎頭處，不可避免地產(chǎn)生了液體的沖擊，具體分析如下。

2.1 管道腐蝕

對(duì)于濃硫酸管道腐蝕一般有3個(gè)方面的原因，分別是硫酸流速、溫度、管道情況。

2.1.1 硫酸流速

對(duì)計(jì)量泵來(lái)說(shuō)，硫酸的瞬時(shí)流速比平均流速更加有意義。在不考慮容積損失的情況下，泵在每一瞬間排出或吸入的流量稱為理論瞬時(shí)流量，簡(jiǎn)稱瞬時(shí)流量。單缸泵工作時(shí)，曲軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，工作腔完成吸入和排出功一次。計(jì)量泵工作曲線見(jiàn)圖1。

圖1 計(jì)量泵工作曲線

由圖1可知，在（0，π）區(qū)間，計(jì)量泵僅吸入液體而無(wú)液體排出；在（π，2π）區(qū)間，計(jì)量泵僅排出液體而無(wú)液體吸入，周期為2π[1]。根據(jù)目前正常工作時(shí)1 min做164次（163～165次）往復(fù)運(yùn)動(dòng)，輸送廢酸16 t/d，出口管道為DN32來(lái)進(jìn)行計(jì)算：

計(jì)量泵每次做功排酸量為：

16/(24×60×164)=6.7×10-5t

每次排酸時(shí)間為：60/(164×2)=0.182 9 s

排酸流量為：

6.7 ×10-5/0.1829=3.663×10-4t/s=0.3663 /(1.84×103)=1.99×10-4m3/s

計(jì)量泵出口管道內(nèi)徑為32 mm，則管道內(nèi)流速為：

1.99 ×10-4/（0.0162×π）=0.248 m/s＜ 1.2 m/s。

雖然當(dāng)前流量滿足化工設(shè)計(jì)中對(duì)硫酸流速的基本規(guī)定，但是實(shí)際同行業(yè)中對(duì)于硫酸輸送管道要求更嚴(yán)格。碳鋼的抗腐蝕性取決于其表面生成的一層硫酸亞鐵保護(hù)膜，當(dāng)這層保護(hù)膜被破壞時(shí)，其抗腐蝕能力大大下降，杜邦公司要求硫酸流速控制在0.3 m/s以內(nèi)，一般控制在0.1 m/s，較適宜濃硫酸流速為0.025～0.075 m/s[2]。因此，計(jì)量泵出口流量仍是偏大的。

2.1.2 硫酸溫度

硫酸是從儲(chǔ)罐中抽出，而儲(chǔ)罐內(nèi)硫酸溫度基本恒定在20 ℃左右，所以介質(zhì)本身溫度正常，不會(huì)造成管道的異常腐蝕。另一個(gè)因素是硫酸管道所包覆的電伴熱保溫，目前采用的是zwl-pf46-35-220型電伴熱，工作溫度最高能達(dá)到105 ℃，如果管道內(nèi)介質(zhì)不流動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致局部高溫。根據(jù)圖2低碳鋼在硫酸中的等腐蝕率曲線可知，硫酸溫度過(guò)高，腐蝕率會(huì)明顯增大。當(dāng)遇到系統(tǒng)停車檢修或者停止加酸時(shí)，管道內(nèi)壁溫度就會(huì)上升，此時(shí)管道內(nèi)的硫酸就會(huì)在短時(shí)間在局部造成嚴(yán)重腐蝕。

圖2 低碳鋼在硫酸中的等腐蝕率曲線[3]

2.1.3 管道自身情況

硫酸管道材質(zhì)選用的是碳鋼，通過(guò)對(duì)泄漏點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分析，大多數(shù)的泄漏發(fā)生在焊縫處。根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)焊縫以及焊接過(guò)程的觀察，若在焊接管道過(guò)程中，焊接工藝不夠精細(xì)，通常小管道焊接時(shí)不打坡口，焊后內(nèi)表面凸起、不平滑，則會(huì)存在接口焊縫存在氣孔、內(nèi)壁粗糙、焊接縫厚度不均勻等問(wèn)題。內(nèi)壁不光滑，會(huì)引起管內(nèi)硫酸湍流，造成腐蝕加劇。

2.2 壓力表故障

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，泵出口壓力呈現(xiàn)0.15～0.51 MPa脈沖波動(dòng)。計(jì)量泵進(jìn)出口管道無(wú)任何緩沖裝置，而且存在安裝非抗震壓力表的現(xiàn)象。所以計(jì)量泵每個(gè)周期產(chǎn)生的脈沖壓力會(huì)直接以脈沖形式頻繁作用于出口管道上，進(jìn)而表現(xiàn)為壓力表持續(xù)波動(dòng)大。如果壓力表選型也存在問(wèn)題，那么壓力表的損壞在所難免。

2.3 計(jì)量泵故障問(wèn)題

計(jì)量泵故障主要表現(xiàn)為出口單向閥組件的損壞。該計(jì)量泵單向閥組件材質(zhì)為316不銹鋼，316不銹鋼具有較好的耐腐蝕性，但是在輸送濃硫酸時(shí)，還是不能有效防止腐蝕。同樣由于脈沖流量以及單向閥組件內(nèi)閥球的撞擊，導(dǎo)致316不銹鋼的耐腐蝕性下降，總之還是單向閥的選型存在問(wèn)題。

3 解決措施

3.1 安裝脈動(dòng)阻尼器

根據(jù)SH/T3104—2013《石油化工儀表安裝設(shè)計(jì)規(guī)范》中第4.0.2款第2條中規(guī)定：“測(cè)量脈沖壓力時(shí)應(yīng)安裝阻尼器”。脈動(dòng)阻尼器是消除管路脈動(dòng)的常用元件，用于往復(fù)式計(jì)量泵的投加系統(tǒng)中，以吸收泵產(chǎn)生的脈動(dòng)峰值，安裝適當(dāng)?shù)拿}動(dòng)阻尼器，能延長(zhǎng)往復(fù)式計(jì)量泵及系統(tǒng)設(shè)備的壽命，減少系統(tǒng)的造價(jià)。當(dāng)安裝脈動(dòng)阻尼器后，管路阻尼器后瞬時(shí)最高壓力可以降低，壓力表的波動(dòng)也可以減弱，管道內(nèi)液體硫酸可以更加均衡，對(duì)于管線的沖刷以及壓力波動(dòng)損壞都能起到很好的緩減保護(hù)作用。

3.2 規(guī)范管道安裝

當(dāng)管道出現(xiàn)大面積較廣的泄漏和減薄，需要對(duì)管道進(jìn)行整體更換，管道選用SCH80等級(jí)系列，焊接必須嚴(yán)格按照GB 50236—2011《現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工規(guī)范》執(zhí)行，“厚度大于3 mm的焊縫，焊接層（道）數(shù)不少于2層（道），且層（道）之間的接頭要錯(cuò)開(kāi)，起、收弧處要填滿，并及時(shí)清除焊渣和缺陷”。另外建議焊接時(shí)必須打坡口，采用氬弧焊接，保證管內(nèi)壁的平滑性，避免焊接氣泡的產(chǎn)生。彎頭處優(yōu)化設(shè)計(jì)，安裝異徑管，增大彎頭直徑可以減輕對(duì)彎頭的腐蝕。同時(shí)也可以考慮用不銹鋼管道或者襯聚四氟乙烯管道進(jìn)行替換。

3.3 規(guī)范壓力表選型

壓力表一定要選用帶有阻尼螺釘?shù)哪驼饓毫Ρ?，使用時(shí)可以適當(dāng)關(guān)小壓力表根部閥，能夠緩減震動(dòng)對(duì)壓力表的損壞。脈動(dòng)壓力表選用工作壓力不得超過(guò)表量程的1/2。

3.4 規(guī)范管道電伴熱

增加電伴熱溫度檢測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電伴熱的自動(dòng)溫度控制。根據(jù)管道溫度決定是否投用電伴熱。根據(jù)濃硫酸的腐蝕、防凍防凝等特性，電伴熱溫度不宜超過(guò)20 ℃。

3.5 更換單向閥組件

鑒于單向閥在計(jì)量泵中的特殊工作環(huán)境，為了延長(zhǎng)計(jì)量泵備件的使用周期，建議將單向閥組件材質(zhì)由316不銹鋼更換為904L不銹鋼或者PVDF(聚偏氟乙烯)材質(zhì)。后兩者具有更佳的抗腐蝕性，同時(shí)又兼顧了優(yōu)良的耐磨性，可以更好地適用于硫酸計(jì)量泵中。在實(shí)際生產(chǎn)中，可以根據(jù)不同企業(yè)對(duì)備件成本的接受度進(jìn)行選型。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)硫酸計(jì)量泵的各項(xiàng)問(wèn)題的分析，并采取有針對(duì)性的措施，使問(wèn)題得到有效的控制和解決。生產(chǎn)過(guò)程中硫酸計(jì)量泵的故障還有很多，只要通過(guò)對(duì)介質(zhì)性質(zhì)的掌握、設(shè)備原理研究、運(yùn)行工況的分析，才能保證設(shè)備和裝置的正常運(yùn)行。