大型化工流程泵转子国产化改造技术何宗旺

《大型化工流程泵转子国产化改造技术何宗旺》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大型化工流程泵转子国产化改造技术何宗旺（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 何宗旺：大型化工流程泵转子国产化改造技术 83 大型化工流程泵转子国产化改造技术 何宗旺 （镇海石化建安工程有限公司，浙江 宁波 315207） 何宗旺：大型化工流程泵转子国产化改造技术 摘 要： 本文根据对PX装置进口的一高温大型烃用流程泵的运行工况和出现的问题，对转子部件的材料、设计参数进行分析和计算，成功设计和制造了适合生产工况要求的国产转子部件，取代进口备件，节省了可观的备件费用，取得了显著的经济效益。 关键词： 转子部件；国产化；静挠度；临界转速 前言 随着化工装置单套生产能力的不断提高， 作为装置生产流程的的动力提供者-流程泵的单台负载能力也被要求不断提升，尤其是在大型、特大型的

2、石油化工行业，大型的化工流程泵的应用日趋广泛， 本文所要提及的是某大型石化企业PX装置的二甲苯蒸馏塔回流泵，在装置建设设计时选择了引进日本NIIGATA WORTHINGTON公司的产品。但是该泵投入生产运行后可靠性没有达到设计预期，常出现节流套、叶轮、轴等部件间咬死，机械密封冷却罐易结垢、正常工作寿命达不到设计要求等故障现象， 给正常的生产带来了较大的影响；而且由于该泵较大，维修强度大，进口备件价格很高，高频率的检维修造成很高生产成本。针对以上情况，对该泵的所存在问题进行分析，对维修部件进行国产化研制，力求设计并制造出高效实用的产品从而取代进口部件并提高该泵的应用可靠性。 1 故障分析与国产

3、化研制 1.1 泵的相关技术参数 表1 泵主要技术参数表 泵型号 12HDS-294 驱动电机型号 TIKK-FCKW11 输送介质 C 8芳烃 额定流量 1900 m3h 扬程 162 m 介质温度 237 工作转速 1470rpm 轴功 率 656 KW 入口压力 0.76MPa 出口压力 1.78MPa 叶轮直径 702mm 密封形式 串联机械密封 轴承形式 滚动轴承 1.2 故障原因分析 总结历次的检修情况后， 发现该泵的运行故障主要集中在两个方面： 一是部件间的咬合故障， 二是机械密封的失效。从运行工况上分析来看：该泵输送介质为237的C 8芳烃，具有黏度小、比重小、易汽化，运行过程

4、中可能存在汽化的现象， 直接影响了机械密封的运行环境， 导致工作寿命缩短。从部件材质来分析看：为了有效抵制介质的腐蚀性，均采用了2Crl3作为所有消耗部件的材质。但由于材料的相同、硬度的相近， 大大提高了部件经过运行过程的温度变化后产生相互粘连甚至咬死的故障概率。 这两方面原因需要在国产化研制过程中做充分的考虑。 1.3 叶轮水力模型的设计 原泵为单级双吸两端支撑、顶吸顶出结构，由于现场条件的限制，泵的涡壳等外部安装部件将保持不变，则就必须保证所有外形安装尺寸不变， 在此基础上针对叶轮部件内部进行模型优化设计，得以提高泵的水力效率，改善抗汽蚀性能。在完成原泵叶轮部件的测绘后，结合参考国内相关的

5、改造技术理论，对原叶轮的内部结构进行以下几个方面的改进： （1）根据对原叶轮的尺寸测绘，新叶轮叶片入口取正冲角，从而减小了叶片入口处排挤系数，增大了叶片入口面积，同时使叶片向入口延伸，改善了液流在叶轮入口时的流动情况， 避免产生入口回流的产生， 提高了泵的抗汽蚀性能； （2）进一步优化设计叶片型线，使流道断面的面积变2011年 第 12 期 2011年 12月 化学工程与装备 Chemical Engineering & Equipment 84 何宗旺：大型化工流程泵转子国产化改造技术 化趋于平滑过渡，保证流道内速度和压力的合理分布，提高了叶轮的水力效率和抗汽蚀性能； （3）合理选用较大的叶

6、片包角，使得流道的扩散程度与摩擦损失达到最优结合点。 1.4 叶轮的加工制造 原泵叶轮采用的是整体铸造成型加工而成， 而根据设计该泵国产叶轮将采用焊接结构，制造工序是先将叶片、前后盖板和轮毂分别单独铸造成型， 后对各铸件分别进行机械加工， 达到各自设计图纸的尺寸、 光滑度等要求， 再进行组焊，最后对叶轮进行精密加工，达到叶轮整体设计要求。国产的焊接叶轮与原整体铸造叶轮相比，具有以下优点： （1）焊接叶轮重量较轻（原叶轮重254Kg，国产叶轮重230Kg） ，减小了整机的运行功率损耗，能取得较好的经济效益； （2）焊接叶轮内流道均经过机加工而成，叶轮流道光滑，水力损失下降，提高了整泵的水力效率。

7、 1.5 叶轮材料的选取 由于改造泵输送的工作介质为C 8+芳烃，具有腐蚀性、易汽化等特性；而且原随机在用的叶轮材质为2Crl3，属于马氏体不锈钢，焊接时有强烈的冷裂倾向，并且所形成的焊缝和热影响区焊后均为硬而脆的马氏体组织， 根据这一介质特性和叶轮的结构型式，叶轮的材质选用耐腐蚀性、耐汽蚀性和可焊性均较好的奥氏体不锈钢304代替原设计用的2Crl3。 1.6 叶片的选取 由于考虑到叶轮外型尺寸、运行参数的不变，叶片数量保持原叶轮设计数6枚，叶片采取精密铸造（铸造叶片如图1所示） 。对铸造好的一批叶片进行筛选，剔除有质量缺陷的叶片，选取合格的6枚叶片，然后对每一枚叶片进行去毛刺、打磨、称重，以

8、确保所选的6枚叶片基本完全一致。为确保铸件的品质，叶轮轮毂和叶轮盖板均采用精密铸造，然后对铸造好的轮毂和盖板按图纸进行初次机加工， 确保叶轮内流道光滑（叶轮盖板和轮毂铸件如图1所示） 。 图1 叶轮盖板、轮毂、叶片图 1.7 叶轮的组焊 国产叶轮采用奥氏体不锈钢(304)就具有良好的焊接性，但是叶轮焊接所涉及的焊接位置多样，为了进一步保证叶轮焊接的质量，在组焊时采用热影响区小的手工平焊方法，其更能适应各种焊接位置及不同板厚工艺的要求(如叶片和前后盖板的焊接以及叶片和轮毂的焊接)。叶轮在组焊前，须先在叶轮轮毂上按叶片实际型线划线，并且加工合适的焊接坡口角度(75)。施焊时，采用小电流(90-11

9、0A)、快速焊(焊接速度为150mmmin)方式， 焊缝共进行4层焊接，每焊完一层进行彻底清渣且层间温度低于60。 叶轮组焊完毕进行无损探伤检测， 再对叶轮进行固溶处理以使叶轮达到强度、塑性、韧性都较好的综合力学性能。 1.8 叶轮的精加工 叶轮进行焊后固溶处理后， 按照设计图纸要求对叶轮进行精加工。 2 主轴、轴套及密封环等零件的改造 2.1 材料的选取 泵主轴的选材，考虑泵输送介质的温度比较高(为237)， 选用高温重载荷下强度和韧性均较好的4340锻件(炮钢40CrNiMoA)作为泵轴的用材，调质处理使得HB=287315。原泵轴材料3Crl3(或SUS403)与新泵轴材料4340的机械

10、性能对比如表2所示： 表2 3Cr13与4340的机械性能对比表 材质 b （MPa） 0.2 （MPa） 5（%） 250下高温屈服强度不小于（MPa） 3Cr13 410 205 20 178 4340 9301100 760 18 360 何宗旺：大型化工流程泵转子国产化改造技术 85 为了提高耐磨环间的抗咬合性，叶轮口环材质选用3Cr13，壳体口环材质选用2Cr13，并将随机在用的轴套（包括径向轴套和叶轮定位轴套）的材质亦改为3Cr13，喉部衬套的材质选用2Cr13，从而解决了原泵在运行过程中，耐磨套间容易咬死的问题。 2.2 零件的加工 泵的主轴采用4340锻件进行加工， 初加工后进

11、行调质处理和电镀，最后根据轴与叶轮的配合要求，对电镀层进行外圆磨削处理，以达到设计图纸要求的尺寸和表面技术要求。 在设计中考虑到该泵的口环和轴套直径尺寸相对较大，在车削等机加工过程中容易变形， 因此在材料的选用方面都采用了锻件加工，然后进行热处理，使叶轮口环与泵体口环之间、候部衬套与轴套之间形成硬度差，提高了摩擦副的抗咬合性。 2.3 转子摩擦副最小运行间隙的控制。 在泵的运行过程中， 转子摩擦副最小运行间隙是一个直接影响两端机械密封运行寿命和泵运行效率的关键因素， 在改造设计过程中给予了充分的考虑。 考虑到该泵的转子主轴较长、自身重量较大形成较大的转子静挠度，而且该泵输送的介质温度相对较高（

12、237） ，热膨胀量相对较大。为了保证泵在日常生产过程中可靠运行，必须对叶轮与泵体口环、轴套与喉部衬套等摩擦副处的运转间隙进行控制。按照APl610(8)标准中的规定，结合国内高温大型化工流程泵加工制造方面的成功经验，规定其最小运转间隙如表3所示： 表3 最小运转间隙表 单位：mm 部位 旋转零件 的直径 最小直径间隙 考虑高温热膨胀的补偿间隙 总直径间隙 叶轮口环 与泵体口环 前410 后405 0.70 0.125 0.825 轴 套 与喉部衬套 155 0.45 0.125 0.575 3 转子部件的刚度校核 3.1 转子静挠度的计算 泵轴在运转过程中的挠度等于转子自重引起的静挠度，加上

13、残余不平衡质量的离心惯性力引起的动挠度。 对叶轮以及转子部件作精确的静平衡和动平衡试验，使其达到APl610(8)标准中规定的要求。所以，动挠度不予考虑。一般只用转子自重引起的静挠度，作为近似的比较标准，使主轴在运转过程中的挠度小于转子和壳体间的半径间隙。 转子的工作状态的简支梁示意图如图3所示。 图3 转子简支梁示意图 静挠度： （cm） （1） 其中：G转子总重 500Kg（其中叶轮重约230 Kg，轴重约200 Kg） a载荷到径向轴承间的距离 79.1cm L两轴承间的距离 158.5cm E弹性模量 2106Kgf/cm2 J惯矩 =1401.3 cm4 d-载荷处的轴径为13cm

14、将转子的数据代入公式（1） ，得到转子的最大静挠度： 5.1583.1401101.231.795.1581.79500622max）（y=0.014cm=0.14mm0.45/2=0.225mm 故该转子的静挠度满足运行工况的要求。 3.2 转子临界转速的计算 转子的临界转速主要取决于轴系的内部因素-质量m和刚性系数K，其中质量可用转子的重量来度量，决定刚性系数的因数有：材料的弹性模量E、轴截面惯性矩J、轴承间距L、轴承特性以及载荷的分布等。在新转子的国产化研制过程中，叶轮采用焊接结构，叶轮及主轴的材料进行了重新选取，其他的装配尺寸等都保持了原来的设计值，因而需对86 何宗旺：大型化工流程泵

15、转子国产化改造技术 国产转子的临界转速进行重新校核。 临界转速： LGLdKnc81.92）（r/min） （2） 其中：G转子总重量 约4900N d主轴的最大直径 为130mm L轴承间距 为1.580m K经验系数 根据该泵轴的外形和尺寸取K=7.5 将上述的数据代入公式（2）得到临界转速： 58.181.9490058.11305.72）（cn=2852（r/min） 一般对刚性轴来说，其工作转速应满足： n0.8n c=0.82852=2281.6 （r/min） 在实际的运行中，泵的工作转速n=1470（r/min） 。故主轴满足工况需求。 3.3 转子部件动平衡校核 根据API6

16、10标准中的相关规定， 国产转子进行了动平衡试验，采取了去不平衡重的方法，对转子部件进行了动平衡校正，达到了最大连续转速在3800 r/min以下静配合转子其动平衡试验达到G2.5的要求。 4 改造效果检验 国产化的转子部件及相关的零配件成功应用后， 正式投入运行，根据现场测量运行数据如下：入口压力为0.76MPa，出口压力为1.78MPa，基本满足了工艺的要求。另外现场的电流表显示值比改造前少了8A，由此可见，改造后的泵的效率得到了有效的提高， 并且改造后至今已经累计连续平稳运行近48个月，无明显的运行故障出现，满足了装置生产的需要，成功度过实际应用试验期与配件运行强度考验期，达到了此次国产化技术改造的预期效果。 5 结束语 本文介绍的高温烃用大型流程泵的转子部件国产化技术改造