张海波 雷 刚

(1.中国石油兰州石化公司石油化工厂；2.渤海装备兰州石油化工机械厂)

兰州石化公司石油化工厂年产24万t的乙烯装置初分馏单元主要任务是冷却裂解炉裂解出来的产物，使气液两相产品分离，同时回收裂解产物的热量，用于预热原料，工艺冷凝液发生稀释蒸汽供裂解炉使用。

1 初分馏单元流程

初分馏单元主要由气油分离系统、急冷水系统、工艺水汽提和稀释蒸汽发生系统组成(图1)。在急冷水系统中来自急冷塔107-E塔釜含油较多的工艺水，由泵104-J/JA、102-L/LA通过工艺冷凝预热器112-C与工艺冷凝液塔102-E塔顶气体换热后，送往工艺冷凝塔塔顶，用该塔再沸器产生的蒸汽汽提，以脱除工艺冷凝液中所含的酸性气体和易挥发的轻烃类组分。塔顶汽提出的气相产物与工艺冷凝进料换热后返回急冷塔。经汽提的工艺水，经过泵108-J/JA，通过工艺冷凝液预热器107-C、143-C、145-C与中压蒸汽凝液换热后进入103-F中，最终产生稀释蒸汽送往炉区。

图1 初分馏单元流程示意图

2 设备现状

2009～2011年汽提塔釜液泵108-J/JA多次发生轴背帽脱落或轴断裂现象。在最初几次轴断裂后加大了背帽尺寸，但运行一段时间后背帽仍然脱落，偶尔轴也会发生断裂。再次将背帽尺寸加大，并且在背帽上增加了防脱螺栓，泵在运行较长时间后仍然发生背帽脱落和轴断裂现象。这种改变背帽尺寸和加防脱螺栓的方法并没有彻底改变泵的不良运行状态，严重影响了装置的长周期生产，给企业造成了巨大的经济损失。

为了解决汽提塔釜液泵长期处于振动状态的问题，通过对汽提塔的工况、泵轴的理论强度计算、汽蚀余量计算及泵运行工况等多方面进行分析，给出了汽提塔工艺指标和操作方法的具体要求，并提出了合理的改造建议。

3 原因分析

3.1 机泵的理论计算及分析

汽提塔釜液泵108-J/JA的型号为BHP80-1000III，其设计参数、实际参数值如下：

介质 工艺冷凝液

介质密度 958kg/m3

介质粘度 720.8μPa·s

操作温度(设计) 110～125℃

操作温度(最高) 132℃

操作压力 1.3MPa

设计流量 50m3/h

实际流量 25m3/h

泵的入口直径 150mm

泵的出口直径 80mm

扬程 110m

轴功率 59kW

转速 2 950r/min

允许汽蚀余量 3m

轴材料 2Cr13

许用应力 635MPa

轴背帽端尺寸 20mm

3.1.1泵轴的强度计算

根据科学理论可知转矩计算式为[1]：

(1)

式中M——作用在轴上的转矩，N·m；

NK——轴传递的功率，kW；

n——轴的转速，r/s。

经计算M=191N·m。

剪应力计算式为[2]：

(2)

式中Wn——抗扭截面模量，mm3；

τp——实际剪切应力，MPa。

经计算τp=121.66MPa。

材料许用最大剪切应力τs与拉伸屈服极限σs之间的关系为[2]：

τs=(0.55～0.60)σs

(3)

τs=350MPa，τp<τs,所以，轴的背帽端尺寸和材料满足泵的正常运行要求，说明这不是泵背帽端轴发生断裂的原因。

3.1.2实际工况和理论工况的差异对机泵汽蚀余量的影响

泵的理论工况下额定流量是50m3/h，而实际流量只有25m3/h，这必然会导致介质流速的变化。根据稳定流体的连续方程可知：泵的入口流体流量Q1等于泵出口流体流量Q2，即入口流速u1和出口流速u2分别为0.39、1.38m/s。而根据额定流量Q=50m3/h，计算得到额定流速为u=0.785m/s。

离心泵的临界汽蚀余量(NPSH)c和允许汽蚀余量(NPSH)r计算式分别为[3]：

(4)

(NPSH)r=(NPSH)c+0.5

(5)

式中hf1,1-k——泵入口到叶轮入口压头损失，m。

可以计算出泵入口到叶轮入口压头损失hf1,1-k=2.469m，(NPSH)r=2.9768m，由此可知，流量变化对汽蚀余量的影响不大。

3.1.3阻力降对机泵汽蚀余量的影响

范宁公式的表达式为[4]：

(6)

式中d——管道的直径；

l——管道的长度；

Δpf——流体在管道内的阻力降，Pa；

u——介质的流速，m/s；

λ——无量纲的系数；

ρ——介质的密度。

根据雷诺数来判断流动流体的状态，Re=duρ/μ=77751>4000，故入口管线流型为湍流。根据柏拉修斯公式λ=0.3164/(Re0.25)(5×103

3.1.4介质通过管线温度变化对泵的影响

塔釜出料口至泵入口总长20m，并且全部由热保温材料包裹，多次实际测量温差变化很小，可以忽略不计。

3.2 系统辅助设备长期运行和工艺操作造成工艺波动对转动设备的影响

在整个工艺冷凝液塔的操作中，塔釜液面50%和塔釜温度110～125℃是两个关键操作指标。在过去的几年当中，辅助设备长时间使用和多次检修查漏之后导致工艺冷凝液塔塔釜加热器无法满足工艺冷凝液塔的汽提需要，工艺人员只有通过打开工艺冷凝液塔事故线(0.3MPa的低压蒸汽直接通入到最底层塔盘和塔釜液面之间的位置)来满足汽提需求(正常工艺流程是要求事故线处于完全关闭状态)，而打开事故线直接导致塔釜温度上升，使得操作温度一度超过了130℃。

急冷塔由于工艺波动时常造成塔乳化，使工艺冷凝液含烃组分增多，在事故线全开的情况下也无法将烃组分全部汽提出来。当大量带有烃组分的工艺水进入工艺冷凝塔时，操作人员只有通过打开事故线来逐步缓解乳化现象，但无法在短时间内改变乳化现象。这样的处理过程必然会导致工艺冷凝塔塔釜长时间将带有大量烃组分的高温工艺水通过汽提塔釜液泵送出。

通过计算工艺冷凝塔塔釜容量，每12min塔釜工艺水就会置换一次，加热器也失去了加热、汽提能力，大量带有烃组分的高温工艺水流入泵口。由于泵入口到叶轮入口的压头损失为2.469m，会使烃组分和水达到饱和蒸汽压后瞬间汽化，导致泵体内产生大量气泡，这些气泡在水泵排出口之前被高压挤碎，由于气泡的占有空间突然“消失”，引起水质点的强烈冲击，造成对泵叶轮的汽蚀破坏[5]。这是泵发生振动和导致轴断裂的主要原因。

108-J/JA和104-J/JA是同样型号的泵，流过104-J/JA泵的介质含油量大于108-J/JA介质的含油量，但是104-J/JA从未发生过背帽脱落和轴断裂现象，这是由于泵所输送的介质温度变化不同。104-J/JA输送介质温度为83℃，而108-J/JA 输送介质的温度为120～125℃，在事故状态下还会升到更高的温度，含烃组分的工艺水在温度不断提升的状况下导致泵发生汽蚀现象。

4 解决办法

现阶段工艺冷凝液塔102-E事故线仍然是开启状态，开度只有10%～20%，但目前108-J/JA发生背帽脱落和轴断裂事故的次数明显减少。这主要有以下几点原因：

a. 2011年7月，大检修期间142-C换热器整台更换，提高了102-E的加热能力，减少了事故线蒸汽注入量。

b. 107-E运行良好，大检修后未发生乳化现象，工艺冷凝液含烃组分较少，通过事故线加入的低压蒸汽将部分烃组分气体带走，极少量的通过塔釜换热器142-C汽提后带走。

c. 由于事故线低压蒸汽的注入量很少，不能在最底层塔盘下形成自上往下压力逐渐降低的压力层，塔釜汽提出来的烃组分可从塔顶送走。

在工艺操作方面提出的要求和解决办法有：加大102-E塔釜换热器142-C的加热能量，停止事故线的使用；合理控制事故线低压蒸汽的注入量；控制塔釜温度，严禁超过塔釜操作温度指标的操作；严格控制岗位人员的操作，防止107-E发生乳化现象。

在机械改造方面提出的要求和解决办法有：改变轴的结构，尝试增加导叶轮；增加防脱机构；紧固叶轮键销(叶轮键销松动，也会加速叶轮振动和脱落)；定期对轴、叶轮和背帽做动平衡实验。

5 结束语

通过对机泵轴进行更换轴背帽尺寸、增加防脱落螺栓试验、强度校核、流量变化和工艺波动及工艺流程变更等对泵汽蚀余量的影响进行分析，了解到介质工艺指标的波动和操作人员的操作手法会导致107-E的塔釜乳化。工艺冷凝塔塔釜泵108-J/JA是将乳化后的高温工艺水送出的唯一手段，长时间的工艺介质带油和事故线的开启造成介质温度升高，导致工艺冷凝塔塔釜泵108-J/JA发生汽蚀现象。这是泵发生振动、轴背帽脱落和轴断裂的根本原因。

[1] 李家民.炼化设备手册[M].兰州:兰州大学出版社,2008.

[2] 苏翼林，王燕群，赵志岗，等.材料力学[M].天津：天津大学出版社，2001.

[3] 诸林，刘瑾，王兵，等.化工原理[M].北京：石油工业出版社，2007.

[4] 尹先清.化工设计[M].北京：石油工业出版社，2006.

[5] 姜培正.过程流体机械[M].北京：化学工业出版社，2001.