柴油加氢进料泵是柴油加氢装置关键转动设备之一,在装置中起着向反应器输送待加氢原料油,为最终生产出合格加氢柴油提供先决条件的重要作用。它的安稳运转直接关系到柴油加氢装置的安全高效运行。某化工厂240万t/a柴油加氢装置于2010年10月投入使用,在2019年10月停泵重起后出现转轴抱死故障
泵工况参数
柴油加氢进料泵为FLOWSERVE泵业有限公司生产的8BP-186型多级离心泵,结构为内芯节段式,共6级叶轮,采用强制润滑轴承。泵输送介质为汽柴油,密度为772.78kg/m3,工作温度为105℃。其基本性能参数为:流量Q=407m3/h,扬程H=1189m,转速n=2991r/min,轴功率P=1358kW,效率η=75%。泵轴和叶轮材质均为C-6。泵装置如图1所示。
解体检查情况
为了查明转轴抱死原因,需要将柴油加氢泵进行拆解,通过对各零部件进行检查,发现转轴抱死位置发生在平衡鼓处。叶轮口环处均无刮蹭,拆卸后轴弯约0.2mm。泵拆解如图2所示。
转轴抱死原因分析
经初步分析,导致泵转轴平衡鼓处抱死的可能原因如下。
1. 流体中硬质杂质堵塞动静间隙。平衡鼓与平衡套之间的动静间隙内有焦炭等硬质杂质颗粒进入,引起转轴抱死。
2. 平衡鼓平衡轴向力作用减弱。由于平衡套与平衡鼓之间的间隙较小,一般为0.2~0.3mm。随着泵的高速运转,在摩擦力的作用下,经过一段时间间隙会逐渐变大。从而使得平衡鼓不能完全平衡轴向力,导致平衡鼓处发生抱死。
暖泵工作不到位,负荷骤然加快会引起泵轴抱死。如果机器处于冷状态中,起动时需要足够的暖泵工作,因为介质温度较高,如果暖泵不到位,介质流动中极有可能加大泵内外的温差,则出现膨胀不均的状况。此外,泵的补给速度应该均匀,如果骤然间加大补给流量,负荷过重则会对泵转轴形成较大冲击,从而导致转轴抱死的发生。
4.泵没有定期盘轴,轴发生弯曲。由于泵长期的运行,停泵后转轴还处于热态,如盘车不彻底,尚未处于冷态,一旦长时间停用,转轴很容易发生弯曲变形,以至于重起时出现转轴抱死。
5.平衡鼓间隙内发生空化现象。平衡鼓前面是末级叶轮的后泵腔,后面是与吸入口相连通的平衡室。平衡鼓前后存在较高的压差,介质从高压到低压的降压过程中易发生空化现象,而导致转轴抱死。
6.平衡鼓轴向长度过大。由于本文研究的多级离心泵泵轴为挠性轴,平衡间隙轴向长度过大,所以不利于控制转子的抬量,运转时平衡鼓与平衡套容易发生接触,从而发生抱轴现象。
解决方案
针对以上可能导致平衡鼓抱死的情况逐一进行排查。
1. 解体过程中未发现泵流道内有较大的硬质杂质,排除因硬质杂质进入平衡鼓间隙导致转轴抱死的因素。
2. 解体后测量平衡鼓间隙值在公差允许范围内,不是因轴向力不平衡导致的平衡鼓抱死。
3.检查泵运行操作人员工作日志,暖泵过程按照泵厂家产品手册要求执行,且运行过程中也没有突然增加流量的操作。
4. 查看值班人员运行日志,每次停泵后均有彻底盘轴记录,且每周都有进行180°盘轴记录。
5.针对平衡鼓间隙降压过程可能存在空化现象进行数值模拟,模型为环形缝隙,直径为223 mm,长度为265mm,单边间隙为0.2mm。采用网格划分软件对间隙模型进行网格划分,最终生成网格数为2523504个,节点数为2587745个,如图3所示。
采用有限体积法对控制方程进行离散,对流相使用二阶迎风格式离散,扩散项选用中心差分格式。在计算域的进口定义压力为11.89MPa,出口处压力为常压。壁面条件采用无滑移固壁条件,并使用标准壁面函数法处理固体附近流动。
流体介质为105℃的汽柴油,先对流场进行稳态计算,得到稳态流场的计算结果作为汽液两相计算的初始条件。
平衡鼓间隙内空泡体积分数分布云图如图4所示。由图4可知,间隙内存在局部的空化区域,但区域范围较小,不会导致转轴抱死现象发生。
1. 应用ANSYSWorkbench软件对泵转子部件进行挠度计算,原平衡鼓位移分布云图如图5所示。由图5可知,平衡鼓处最大位移值为0.10399mm。将平衡鼓长度由265mm缩短到 150mm,重新进行泵转子挠度计算,结果如图6所示,平衡鼓处最大位移值降低到0.085177 mm,比原平衡鼓挠度减小了0.018813mm。
根据平衡间隙泄漏量计算公式,减小轴向间隙长度会使泄漏量增大。在转轴上开槽型密封,轴旋转时产生泵送作用,它可以平衡因压差产生的泄漏量,从而阻止泄漏。同时,当流体中有硬质颗粒时,可以通过螺旋槽流出,尤其是在泵试车阶段,极大地降低了转轴抱死的风险。所以采用在平衡鼓上开螺旋槽的方式降低泄漏量,通过理论计算,选用槽宽为2mm,槽深为1mm,头数为 2头的螺旋槽方案。
改造后运行情况
通过对8BP-186型柴油加氢进料多级离心泵平衡鼓结构进行更改,泵重新起动运行至今状态平稳,未出现转轴抱死等故障,证明了减小平衡鼓间隙长度和增加螺旋槽的方案是可行的。
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作者:本刊编辑部
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