高壓油煤漿進(jìn)料泵國(guó)產(chǎn)化研究及應(yīng)用改進(jìn)

牛 剛

（中國(guó)神華鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017209）

0 引言

油煤漿進(jìn)料泵的作用是將上游送來的煤漿升壓進(jìn)入煤漿加熱爐，然后和氫氣混合后進(jìn)入反應(yīng)器進(jìn)行煤漿加氫反應(yīng)，生成液化油。某公司的核心設(shè)備油煤漿進(jìn)料泵，是以油煤漿為工作介質(zhì)的五柱塞往復(fù)式泵，由國(guó)外進(jìn)口。該泵入口壓力0.54 MPa，出口壓力20 MPa，操作溫度168.6 ℃，最大流量93.8 m3/h。由于該泵輸送的介質(zhì)由煤粉、溶劑油、催化劑組成，其中固體含量約50%（質(zhì)量比）、揚(yáng)程高、進(jìn)出口壓差大。由于該泵核心技術(shù)由國(guó)外掌握，且在長(zhǎng)周期運(yùn)行過程中也存在一定的問題，因此迫切需要開發(fā)一種用于高溫高壓高含固工況用的耐磨往復(fù)泵代替進(jìn)口產(chǎn)品，攻克技術(shù)難關(guān)、實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化?？紤]到技術(shù)難度及工業(yè)化應(yīng)用，該公司決定先國(guó)產(chǎn)化一臺(tái)三柱塞進(jìn)料泵進(jìn)行工程試驗(yàn)，待成熟后再進(jìn)行五柱塞的研制。

1 研究?jī)?nèi)容

主要研究?jī)?nèi)容為，高溫、高壓、高含固工況下耐磨往復(fù)泵整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及管路脈動(dòng)問題的消除。泵整體結(jié)構(gòu)主要由6 個(gè)方面組成，動(dòng)力端及液力端研究、密封、沖洗、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)研究、電氣檢測(cè)與控制系統(tǒng)研究、進(jìn)出口脈動(dòng)抑制器、高溫工況的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)針對(duì)泵出入口工藝配管及布置、管路脈動(dòng)問題進(jìn)行專項(xiàng)研究，對(duì)整泵進(jìn)行長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)考核。

其主要?jiǎng)?chuàng)新及攻關(guān)點(diǎn)有12 個(gè)：①新穎的高溫高壓高含固三柱塞進(jìn)料泵機(jī)組；②大推力動(dòng)力端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；③機(jī)座、曲軸等受力件的有限元分析；④專用、可靠的潤(rùn)滑油系統(tǒng)；⑤先進(jìn)結(jié)構(gòu)的國(guó)產(chǎn)化高溫高壓三柱塞進(jìn)料泵的液力端；⑥特殊泵體結(jié)構(gòu)；⑦進(jìn)、排液閥的關(guān)鍵技術(shù)；⑧可靠的桁架定位連接結(jié)構(gòu)；⑨減少介質(zhì)淤積的吸入總管；⑩進(jìn)出口壓力脈動(dòng)補(bǔ)償方法注入、沖洗、密封三合一回程沖洗技術(shù)；機(jī)組電氣、檢測(cè)與控制方法。

2 主要結(jié)構(gòu)型式

國(guó)產(chǎn)進(jìn)料泵按照三柱塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要由高溫高壓高含固進(jìn)料泵、電機(jī)、減速機(jī)、潤(rùn)滑站、進(jìn)口緩沖器、出口緩沖器、注入泵、三合一油箱及輔助管路系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、底架和支撐架等組成。

該泵的傳動(dòng)方式為：主電機(jī)→減速機(jī)→主泵（三柱塞進(jìn)料泵）→注入泵，注入泵由主泵直接驅(qū)動(dòng)。

關(guān)鍵部分的主泵為臥式三缸單作用往復(fù)泵，主要由動(dòng)力端和液力端組成（圖1）。

圖1 主泵結(jié)構(gòu)

2.1 動(dòng)力端結(jié)構(gòu)

動(dòng)力端由機(jī)座、曲軸、連桿、十字頭、中間桿等主要零件及采用SKF 滾動(dòng)軸承組成，采用三拐兩支點(diǎn)的支撐結(jié)構(gòu)，主軸承采用調(diào)心滾動(dòng)軸承。其中，動(dòng)力端的列間距從進(jìn)口泵的360 mm 提高到410 mm，動(dòng)力端的最大推力提高到40.9 t。動(dòng)力端采用壓力倒?jié)櫥褪綁毫?，?rùn)滑油從潤(rùn)滑站供油口出來分成兩支路，一路為泵內(nèi)潤(rùn)滑進(jìn)入主軸承，另一路依次經(jīng)過十字頭、小頭襯套、十字頭銷、連桿、連桿軸瓦等零部件。在保證額定參數(shù)的條件下，盡量降低泵的沖次（該設(shè)備為變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)）及柱塞線速度，從而提高易損件的使用壽命。

2.2 機(jī)座、曲軸等受力件的有限元分析

（1）機(jī)座。通過對(duì)機(jī)座和曲軸等受力件研究及分析，采用三維造型軟件進(jìn)行建模，將機(jī)座和機(jī)蓋組合考慮進(jìn)行有限元分析。機(jī)座承受由柱塞推力產(chǎn)生的桁架拉力，作用于機(jī)座前端的4 根轉(zhuǎn)接件，方向遠(yuǎn)離機(jī)座中心，數(shù)值為2 倍的柱塞推力；曲軸工作時(shí)產(chǎn)生的主軸頸軸承處支反力作用于機(jī)座兩軸承孔處（圖2）。

圖2 桁架拉力

（2）曲軸。運(yùn)用ANSYS 17.0 對(duì)曲軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理（圖3）。通過計(jì)算，曲軸在設(shè)計(jì)極限工況下的強(qiáng)度能滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)參數(shù)工況下最小安全系數(shù)為4.73，具有足夠的安全裕量（圖4）。

圖3 曲軸俯視圖

圖4 曲軸強(qiáng)度計(jì)算

2.3 潤(rùn)滑油系統(tǒng)

主泵動(dòng)力端采用強(qiáng)制壓力潤(rùn)滑，潤(rùn)滑系統(tǒng)的潤(rùn)滑油由獨(dú)立的潤(rùn)滑油站提供，潤(rùn)滑油站配備雙齒輪油泵，齒輪油泵為高黏度擺線齒輪油泵，使用時(shí)一開一備。系統(tǒng)中配有油冷卻器、Y 形過濾器、雙筒網(wǎng)片式濾油器、截止閥、溢流閥等附件。同時(shí)配有監(jiān)測(cè)、控制儀表，如防爆壓力變送器、差壓變送器、雙金屬溫度計(jì)、壓力表等，能有效全面地檢查油溫和壓力，滿足泵的正常運(yùn)行需求。油站輸出的壓力油分為兩路，一路進(jìn)入十字頭、十字頭銷、連桿軸瓦、曲軸曲拐各摩擦副，另一路進(jìn)入泵的主軸承，滿足主泵曲軸雙出軸的特點(diǎn)，運(yùn)行時(shí)潤(rùn)滑系統(tǒng)各性能參數(shù)處于監(jiān)控狀態(tài)，確保潤(rùn)滑可靠。

2.4 液力端結(jié)構(gòu)

液力端由泵體組成、輸液導(dǎo)管、填料函、進(jìn)排液閥、吸入總管、排出總管、排出管、彎管法蘭、桁架等零部件組成，液力端是完成泵的輸送介質(zhì)主要功能的關(guān)鍵部件。

泵體的結(jié)構(gòu)特征：每臺(tái)泵采用3 個(gè)分體式泵體，泵體的裝拆方便，泵體出現(xiàn)損壞后只需替換相應(yīng)位置零件，降低泵體的鍛造成本，針對(duì)輸送介質(zhì)為高溫、高含固、高黏度、高腐蝕性的特性，采用馬氏體不銹鋼制成鍛件泵體，泵體設(shè)計(jì)成大小同心圓內(nèi)腔。為解決高溫對(duì)泵體熱變形的影響，泵體考慮了通蒸汽的通道和接口，在主泵起動(dòng)前連接蒸汽，進(jìn)行預(yù)熱，減少泵體熱變形。

由于輸送介質(zhì)具有高溫、高含固、高黏度的特性，泵的進(jìn)、排液閥采用球形閥線結(jié)構(gòu)是最合適的。對(duì)于有顆粒的高黏度介質(zhì)，球形閥線與閥座是線接觸，開啟、關(guān)閉靈活方便。閥座采用304 基材堆焊司太立合金，合金層作為閥線，閥座的兩面均有閥線（圖5）。

圖5 閥座結(jié)構(gòu)

吸入總管部件由吸入主管和封頭法蘭等組成，主管上的3個(gè)吸入口分別與主泵的彎管法蘭相連接，封頭法蘭側(cè)預(yù)留再循環(huán)接口，用于提高管內(nèi)流速，降低管內(nèi)淤堵。吸入口位于吸入主管的第四象限，且從主管底部吸入，能有效減緩顆粒介質(zhì)的沉降與淤積。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，如果出現(xiàn)淤堵，吸入主管的另一端留有清理淤堵的接口，用于疏通吸入主管。

三柱塞進(jìn)料泵是容積泵的一種，通過容積的收縮和擴(kuò)大實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的排出和吸入，因?yàn)閯?dòng)力端是曲柄連桿機(jī)構(gòu)，柱塞作變速運(yùn)動(dòng)，柱塞的運(yùn)動(dòng)速度按正弦規(guī)律隨時(shí)間變化，因此，柱塞泵的單缸流量也是按正弦規(guī)律變化的，脈動(dòng)的流量遇到系統(tǒng)阻抗產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，因此必須配置進(jìn)、出口緩沖器。以往一般采用在泵口附近安裝囊式蓄能器的方法來抑制，缺點(diǎn)是蓄能器壽命短、需充氣、操作不便，尤其在高溫、高壓及大流量時(shí)，膠囊使用溫度受限，容易損壞，而且穩(wěn)壓效果受蓄能器結(jié)構(gòu)參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)以及流量脈動(dòng)頻率等很多因素影響。該泵采用了一種機(jī)械式進(jìn)口緩沖器、機(jī)械式球形出口緩沖器，它沒有任何活動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、不需維護(hù)、工作頻帶寬、不需充氣、完全注滿了介質(zhì)。

為了解決高溫、高壓、高含固、高磨蝕料漿對(duì)柱塞及柱塞填料密封性能的影響，也為了簡(jiǎn)化使用方法，操作簡(jiǎn)單化，采用了注入、沖洗、密封三合一系統(tǒng)，注入油、沖洗油、密封油共用一個(gè)油箱供油。相比進(jìn)口產(chǎn)品，大大優(yōu)化了沖洗系統(tǒng)。

2.5 可靠的桁架連接結(jié)構(gòu)

桁架組件（圖6）是連接動(dòng)力端和液力端（分體式泵體與主副填料函體）的主要部件，由于該泵的柱塞超長(zhǎng)，所以柱塞、機(jī)座十字頭孔、填料函定位孔三者之間的同軸度就顯得非常重要，要求三者之間的同軸度≤Φ0.05 mm，而這主要依靠桁架組件來進(jìn)行定位，保證柱塞與密封件的使用壽命。

圖6 桁架組件

帶有蒸汽管路的專用組裝式桁架既解決分體式泵體與填料函定位，同時(shí)又解決桁架內(nèi)外溫差大，減少桁架熱應(yīng)力，延長(zhǎng)桁架使用壽命，避免組裝式桁架在高溫下的徑向膨脹，允許軸向方向在一定范圍內(nèi)膨脹。

2.6 電氣檢測(cè)及控制系統(tǒng)

該泵啟動(dòng)、停止、控制、監(jiān)控均由可編程的PLC 自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，并通過以太網(wǎng)、觸摸屏進(jìn)行監(jiān)控保護(hù)，需要的硬件和軟件將通過PLC 和SIS（Safety Instrument System，儀表安全系統(tǒng)）來實(shí)施。

2.7 泵出入口管路進(jìn)行聲學(xué)脈動(dòng)計(jì)算

執(zhí)行API 674 的脈動(dòng)控制技術(shù)E1.2 聲學(xué)分析、E1.3 管道系統(tǒng)的機(jī)械分析及管道設(shè)計(jì)和聲學(xué)模擬分析的指導(dǎo)方針，解決了泵出入口管路振動(dòng)的問題。

3 應(yīng)用情況及主要改進(jìn)

該泵國(guó)產(chǎn)化研制成功后，進(jìn)行了6000 h 的工程應(yīng)用及性能考核，主要出現(xiàn)了表1 中的問題。通過進(jìn)行故障分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)，初步解決了這些問題，目前設(shè)備運(yùn)行良好。

表1 國(guó)產(chǎn)進(jìn)料泵故障匯總

3.1 三合一注射油管線泄漏

國(guó)產(chǎn)進(jìn)料泵注射油作用是在節(jié)流襯套和缸內(nèi)形成部分潔凈空間，防止煤漿進(jìn)入高壓填料磨損填料，從而提高填料壽命。注射油泵采用柱塞泵，為保證在主泵吸入沖程時(shí)注入，注油泵和主泵軸頭連接，并保證一定的相位差，以確保注油泵和主泵運(yùn)行一致。注射油管線需要承受最大0～20 MPa 的交變壓力，原進(jìn)口油煤漿進(jìn)料泵均采用材料316、壓力等級(jí)2500LB、壁厚SCH160 的注射油管線、管件及法蘭。而國(guó)產(chǎn)進(jìn)料泵采用材料304、壓力等級(jí)2500LB、壁厚SCH80 的注射油管線、管件及法蘭，注射油管路系統(tǒng)壁厚不能滿足實(shí)際運(yùn)行工況，導(dǎo)致相關(guān)管線、管件焊縫在第一次長(zhǎng)周期油煤漿工況運(yùn)行期間頻繁泄漏（圖7）。經(jīng)過改進(jìn)后，更換了所有注射油管線、管件及法蘭，并對(duì)其材料進(jìn)行升級(jí)（采用材料316、壓力等級(jí)2500LB、壁厚XXS 的管線、管件及法蘭），之后注射油管線再未出現(xiàn)過焊縫泄漏的問題。

圖7 管線泄漏點(diǎn)

3.2 潤(rùn)滑油過濾器壓差高

國(guó)產(chǎn)進(jìn)料泵在第一次油煤漿工況長(zhǎng)周期試運(yùn)過程中，出現(xiàn)過兩次啟動(dòng)24 h 后左、右潤(rùn)滑油壓力逐漸降低至聯(lián)鎖停機(jī)的情況。第一次拆檢潤(rùn)滑油過濾器發(fā)現(xiàn)，潤(rùn)滑油濾芯被黑色黏稠物質(zhì)堵塞，懷疑潤(rùn)滑油系統(tǒng)內(nèi)部潔凈度不夠，但清理啟動(dòng)后仍未消除故障。結(jié)合主泵曲軸箱軸封泄漏的問題再次停機(jī)處理，發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑油濾芯內(nèi)部物質(zhì)為主泵軸封碳纖填料磨損碎末。將主泵軸封靠曲軸側(cè)碳纖填料更換為聚四氟乙烯薄片后，徹底解決該問題。

3.3 主泵曲軸箱軸封泄漏

國(guó)產(chǎn)進(jìn)料泵主泵軸封采用3 根10 mm×10 mm 碳纖填料串聯(lián)布置的型式，首次試運(yùn)行過程中就發(fā)現(xiàn)主泵輸入側(cè)軸封有滲漏現(xiàn)象。隨后對(duì)該處滲漏點(diǎn)進(jìn)行改造，將最靠曲軸側(cè)的1 根碳纖填料更換為同等厚度的聚四氟乙烯薄片，這解決了填料磨損、堵塞潤(rùn)滑油過濾器的問題，但是仍存在軸封滲漏的問題。裝置檢修期間又更換該處填料壓蓋，并將碳纖填料更換為聚四氟乙烯材料剖分式骨架油封型式，徹底解決上述問題。

3.4 主泵填料函彈簧壓套碎裂

國(guó)產(chǎn)進(jìn)料泵連續(xù)運(yùn)行5000 h 后發(fā)現(xiàn)泵出口壓力波動(dòng)并且齒輪箱異響，停泵后檢查減速箱、未發(fā)現(xiàn)異常，柱塞連接件的第一列柱塞連接處3 片碟簧組已經(jīng)壓平。對(duì)三列柱塞進(jìn)行檢查更換后再次啟動(dòng)，異響仍然存在。拆卸第一列閥組件時(shí)發(fā)現(xiàn)：第一列入口閥球不能自由動(dòng)作，有金屬碎屑卡澀；解體第一列填料函，發(fā)現(xiàn)填料函彈簧壓套碎裂（圖8）。分析認(rèn)為，故障主要原因是填料函彈簧壓癟失效，導(dǎo)致彈簧壓套撞擊高壓填料函內(nèi)壁臺(tái)階。更換填料函彈簧、彈簧壓套并對(duì)三列高壓填料函體進(jìn)行機(jī)加改造后，啟動(dòng)運(yùn)行正常。

圖8 填料函壓套

4 結(jié)束語

本文針對(duì)某公司生產(chǎn)裝置中操作條件最為苛刻的油煤漿進(jìn)料泵的介質(zhì)特性、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)行情況，對(duì)該泵從選型、泵體結(jié)構(gòu)、使用情況、故障分析與改進(jìn)等方面進(jìn)行論述，并研發(fā)出了適用于高溫、高壓、高含固油煤漿工況的進(jìn)料泵。通過生產(chǎn)實(shí)踐證明，該進(jìn)料泵可長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，有效解決了進(jìn)口備件國(guó)產(chǎn)化和同類進(jìn)口設(shè)備的替代問題，降低了生產(chǎn)投資和維護(hù)成本，為關(guān)鍵機(jī)泵國(guó)產(chǎn)化指明了研究方向。一系列相關(guān)改進(jìn)也適用于其他含固、易磨損、高溫、高壓的相關(guān)工況，市場(chǎng)應(yīng)用前景非常廣泛。