常减压装置高温油泵的安全设计及运行管理

　　摘要: 介绍了常减压装置典型高温油泵的特点和常见故障，其故障主要表现为振动大，噪音高，轴承损坏甚至抱轴，机械密封泄漏甚至着火。结合常减压装置的特性分析了高温油泵故障的特点，主要故障原因为泵操作负荷波动大，波动频繁、泵有效气蚀余量低、密封辅助系统故障、维修质量差、备件质量差、选型不当和设计缺陷。阐述 了高温油泵安全设计需要注意的问题，如流量、扬程、气蚀余量等工艺参数的选取、泵型选择、机封及其辅助系统、工艺系统流程设计等; 并对高温油泵工艺操作、设备管理等方面提出了有效的措施。

　　关键词: 常减压装置 高温油泵 故障 安全设计 运行管理炼油化工企业的高温油泵泄漏易发生着火事 故，尤其是常减压装置的高温油泵，操作温度高、处理流量大，一旦泄漏将给装置的安全运行带来 严重危害。根据常减压装置高温油泵的特点，分 析了高温油泵故障的原因及表现，从设计参数选 择、选型、机封及其辅助系统、工艺系统流程设计 及运行管理等方面，对高温油泵的工程设计及运 行管理提出合理建议。

　　1常减压装置高温油泵常减压装置中常见的高温油泵是指输送介质温度在 200 ℃ 以上，尤其是介质温度大于或等于自燃点的离心油泵。这类介质一旦泄漏，在常压下会自燃。而且在较高的操作温度下，此类介质 的饱和蒸汽压较高，泄漏后容易气化大范围扩散， 易发生火灾，同时容易引发临近设备的过热损坏、泄漏、燃烧或爆炸危险。

　　传统常减压装置的原料及产品主要有原油、直馏汽油、直馏航煤、直馏柴油、直馏蜡油、减压渣 油以及除盐水、酸性水、药剂等。其操作温度及自 燃点。

　　以某炼油厂 15 Mt / a 常减压装置为例，操作温度超过 200 ℃ 高温油泵可知， 常减压装置中，最典型的高温油泵是常压渣油泵、减四线油泵及减压渣油泵，操作温度均超过了泵 送介质的自燃点。

　　泵送介质温度与自燃点对比Table 1  Comparison between self-ignition point and operating temperature of pumping medium油品名称泵送温度/ ℃自燃点/ ℃泵送介质近似所属类别汽油40 ～ 95510～ 530初顶油、常顶一级油、常顶二级油喷气燃料180 ～ 220380～ 425常一线油、常顶循油柴油220 ～ 330300～ 330常二线油、常三线油、减一线油、常一中油、常二中油蜡油220 ～ 350300～ 380减二线油、减三线油、减四线油、初馏塔底油、常压塔底油减压渣油365230～ 240减压塔底油2高温油泵故障原因分析高温油泵故障的发生，可以是由单一因素引起或由多种因素叠加的结果。高温油泵故障主要表现为振动大，噪音高，轴承损坏甚至抱轴，密封泄漏甚至着火。根据中石化集团公司对旗下 31 家炼油企业近 2 000 台高温油泵的调查，高温油泵故障的主要原因为: 密封辅助系统故障、维修质量差、操作波动频繁、备件质量差、选型不当、设计缺陷等。多种故障原因的发生比例如图 1 所示。

　　操作温度超过 200 ℃ 高温油泵设备名称介质名称温度/ ℃压力初底油泵初底油2330． 331． 241 062． 022510． 88． 0常一线油泵常一线油2240． 281． 62253． 721028． 54． 0常二线油泵常二线油2520． 191． 80297． 624018． 54． 5常三线油泵常三线油3260． 191． 77149． 12407． 55． 9常一中油泵常一中油2240． 310． 87769． 58628． 82． 5常二中油泵常二中油2910． 221． 391 108． 017924． 39． 7常压渣油泵常压渣油3340． 180． 61664． 85410． 17． 5减二线及二中油泵减二线油2240． 170． 98744． 110442． 87． 8减三线及三中油泵减三线油2970． 111． 55710． 926537． 56． 0减四线油泵减四线油3490． 101． 7872． 120632． 22． 5减压渣油泵减压渣油365常压2． 81557． 41489． 35． 0的 NPSHa 与必需气蚀余量( NPSHr) 相差较小，出现气蚀的可能性较大。

　　高温油泵故障原因分析除以上常见原因外，常减压装置高温油泵故障原因还有其自身特点:( 1) 操作波动较大常减压装置作为炼油厂工艺装置的龙头，最大特点就是装置进料受市场原油供应情况影响较大。若原油数据偏离设计工况较大，相同操作条件下会导致各塔侧线抽出或塔底渣油流量变化较大; 若调节不当，侧线泵或塔底泵流量低于泵设计最小稳定流量，会导致泵振动超标。API 610—2010 明确规定，离心泵在优先工作区之外，比在允许工作区之内的各流量点的允许振动增量为30% 。

　　( 2) 有效气蚀余量( NPSHa) 较小常压渣油泵及减压渣油泵均从塔底抽出，减 四线油泵也从减压塔较低标高位置抽出，使得这 几台泵的 NPSHa 受到塔底裙座标高的限制。裙座过高则塔设备投资过大，各侧线抽出位置抬高， 管道投资加大。从表 2 可以看出，对于同一台塔器( 裙座高度确定) 而言，如果装置出现异常波动，与其他侧线泵相比，常压渣油泵及减压渣油泵3高温油泵安全设计3． 1工艺参数的选择由于实际操作中装置不可能完全按照设计工况来操作，所以在选择泵的参数时，设计人员要充分考虑各种工况，科学选择泵的负荷，避免高温油泵长时间在低负荷下运行，从源头上消除高温油泵运行的安全隐患。

　　( 1) 最大、最小流量的选择流量的选择要兼顾到装置的操作弹性，一般常减压装置设计操作弹性为 60% ～ 110% ，最大流量要选择正常工况流量的 1． 1 倍，最小流量要选择正常工况流量的 0． 6 倍。对于中段回流等流量调节范围较大的泵，最大流量要选择正常工况流量的 1． 2 ～ 1． 3 倍，最小流量要选择正常工况流量的 0． 5 ～ 0． 6 倍。

　　对于大型常减压蒸馏装置，较大流量的泵可选用三台泵，当流量较大时，开二备一，流量较小时，开一备二，使高温油泵的负荷长期处在泵的高效点上，从根源上保证高温油泵的长周期安全运行，对于装置的节能降耗也具有重要意义。

　　( 2) 最大扬程的选择较大的操作流量必然造成较大的管路压降、换热器压降、孔板或流量计等其他阻力降。所以 在较大流量时，介质要泵送至一定的压力必然要 克服更高的阻力损失，需要更高的扬 程。在110% 工况下，泵的阻力损失一般取正常工况下阻力损失 1． 12 倍，对于中段回流等流量调节范围较大的泵，阻力损失一般取正常工况下阻力损失1． 22 ～ 1． 32 倍。根据合适的阻力降确定泵最大扬程才能满足装置流量调节的需要。

　　( 3) NPSHa 的选择根据泵抽出液面的高度、泵入口管径的大小、泵入口管路的设计等因素估算泵的 NPSHa。较大的操作流量会造成较大的阻力损失，使得输送 介质在泵入口压力更容易低于饱和蒸汽压，造成 泵的气蚀，所以泵的 NPSHa 应以泵最大操作流量下的最小 NPSHa 作为设计基准。

　　3． 2泵型选择根据 API 610—2010 的设计规定，常减压高温油泵一般选择中心线安装的径向剖分泵壳的离心泵。而且泵制造厂要有相应的业绩，至少应有两台同型号的泵在相同或相似工艺操作条件下积累了两年以上的成功运行经验。

　　在流量、扬程都满足设计条件的情况下，选择渣油泵等有效气蚀余量较低的泵型时，必须高度关注该泵的必需气蚀余量-流量( NPSHr-Q) 典型性能曲线，如图 2 所示。标准 SH / T 3139—2004《石油化工重载荷离心泵工程技术规定》中规定， 卧式泵在额定点的 NPSHr 应不大于 NPSHa 减去0． 6 m。工程设计中以常压渣油泵 NPSHa 比泵额定点的 NPSHr 大 0． 6 ～ 1． 0 m 以上、减压渣油泵及减四线油泵 NPSHa 比泵额定点的 NPSHr 大2 ～ 3 m 以上来判断泵的 NPSHr 能否满足要求。

　　另外需要注意的是，在小流量操作时，NPSHr并非随着流量减小而减小，而是随着流量减小而增大，NPSHr-Q 曲线是随着流量的减小上翘的，所以小流量点的 NPSHr 也应成为泵选型的判据之一。

　　典型离心泵性能曲线3． 3  机械密封的选择高温油泵的轴端密封应选用符合标准 SH / T3156—2009《石油化工离心泵和转子泵用轴封系统工程技术规范》( 参考 API 682 ) 的串级或双端面波纹管机械密封，选择单端面密封的高温油泵 要选用高质量的进口密封。推荐采用焊接金属波 纹管机械密封，具有良好的浮动性和随机补偿性， 可以补偿密封环因磨损、轴向串动及振动等原因 造成的泄漏。

　　密封材料的选择是否合理对高温下集装密封的运行寿命起到了决定性的作用。API 682—2004 和标准 SH / T 3156—2009 规定，泵送介质操作温度大于 176 ℃ ，波纹管材料推荐采用 In-conel718 合金。Inconel718 材料来源众多，为保证质量，应要求制造厂提供必需的材料来源证明。

　　密封环应采用高级防起泡石墨环，另外密封环考虑高温下的润滑性能，可采用反应烧结的碳 化硅环材料。硬化断面宽度应大于软化断面。密封轴套宜采用 316，316L 或 316Ti 等不锈钢材料。高温下 O 形圈宜采用全氟化橡胶材料( FFKM) ，其最高允许工作温度可达 290 ℃ 。

　　3． 4机械密封辅助系统的选择密封冲洗方式推荐采用 PLAN 32 + 53A、PLAN32 + 52 或 PLAN 32 + 54。采用 PLAN52 的冲洗方式时，应特别要求封液罐及其附件能够承受泵出口压力和介质温度，防止第一级密封失效后介质进入封液罐发生泄漏。封液罐要求配备温度、压力、液位开关、压力开关等监测仪表及报警等安全措施。

　　机械密封背冷要采用除盐水或压力不大于0． 3 MPa 蒸汽，严禁使用循环水或新鲜水对机械密封进行冷却。

　　3.5高温油泵工艺系统流程设计( 1) 封油系统设计常减压装置一般选取温度为 90 ℃ 的减二线轻蜡油作为高温油泵的密封冲洗油，封油罐可设置为立式罐或卧式罐，但封油抽出口的设置应注意避免开工时封油带水，给泵的机封带来损坏，为将来泵机封失效埋下隐患。

　　封油泵出口管路应设置两台篮式过滤器，一开一备，过滤精度 30 目，确保品质稳定、清洁的密封冲洗油。

　　为保证封油压力的稳定，封油泵应设置泵出口压力低自启动备用泵的联锁。

　　( 2) 进出口管路设计对于进出口管径不小于DN300 mm 的高温油泵，进出口管线阀门应选用气动或电动闸阀，做到在事故状况下能迅速切断物料。

　　对于容积大于 10 m3 的塔和容器，其与高温油泵的吸入口总管上应设置紧急隔离阀，选用电动或气动执行机构，隔离阀门位置与泵的距离应不小于 6 m。

　　高温油泵出口宜设最小流量返回线。

　　4高温油泵运行管理4.1

   工艺操作( 1) 平稳调节工艺参数。炼油厂工艺管理和操作人员要平稳调节工艺参数，避免高温油泵发生汽蚀和抽空现象。

　　( 2) 适当增加旁路等。对于长期低流量运行的高温油泵，应采取增加旁路回流、切削叶轮等措施进行整改，运行中尽量避免用泵出口阀进行节流。

　　( 3) 确保高温油泵的平稳切换。严格按照高温油泵的切换步骤进行操作，预热速度不得超过50 ℃ / h，每 30 min 盘车 180°，防止机械密封在短时间内温升过大而引起泄漏。

　　4． 2设备管理将高温油泵列为重点监测设备，加强高温油泵的巡检管理和状态监测，重点关注机泵的润滑 油液位、振动、声音、密封泄漏、轴承箱温度、压力 等。加强高温油泵的检修管理，合理确定高温油 泵的密封检修和更新周期。在高温油泵的检修项 目中，必须包括对密封辅助系统的全面检查、维 护、清洗等内容，确保密封冲洗、冷却系统完好。加强备件特别是机械密封及轴承的质量管理。建 议安装机泵群在线状态监测系统。

　　5结束语对于故障率较高的常减压装置高温油泵，只有认真做好每一步工作，如合理的选型，保障安全的工艺流程设计，平稳的工艺操作及切换，严格的运行管理及维修等多方面的工作，才能保障高温油泵的安全可靠运行，实现常减压装置的长周期安全运行。