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BDO装置BYD给料泵选型及使用现状BDO装置BYD给料泵选型及使用现状
作者| 李桂兰，漆明贵 中国成达工程有限公司 摘要：BYD给料泵是炔醛法制1,4-丁二醇工艺流程中的核心设备，其可靠性直接决定整个装置的稳定性和产能。主要介绍了BYD给料泵工况特点、选型及高压柱塞泵使用现状。 关键词：BYD给料泵 选型 高压柱塞泵 使用现状 1. BYD给料泵工况特点 1,4-丁二醇，简称BDO，是一种重要的有机和精细化工原料。目前国内BDO有效产能中，炔醛法占比90%以上。原料乙炔和甲醛分别进入BYD反应器，在乙炔铜络合催化剂的作用下生成1,4-丁炔二醇(BYD)。精制BYD用泵依次送入BDO一级反应器、BDO二级反应器，在这两个反应器中精制BYD和氢气压缩机来的高压氢气在镍基催化剂的作用下发生加氢反应生成1,4-丁二醇(BDO)。由此可见，负责给BDO反应器输送主要反应原料的BYD给料泵[1-3]，运行是否稳定直接决定装置产能。 BDO反应器每半年左右需要更换催化剂，高压圈需要停车几天，也就是说BYD给料泵连续运行时间约半年。 以笔者所接触的典型单线1.04×105t/a BDO装置为例：BYD给料泵，共4台(两开两备)，输送介质为约53.8wt%的1,4-丁炔二醇水溶液，含0.4%甲醛、0.1%甲酸、0.2%炔丙醇和0.4%甲酸钠等有机物，黏度1.6cp，密度1070kg/m3，温度50~60°C，流量14.2m3/h，正常/最大入口压力约0.3/1MPa，出口压力31MPa，NPSHa为12m。 1,4-丁炔二醇，可溶于水，易燃，有毒，腐蚀性一般。甲醛易燃，沸点低，极度危害。甲酸易燃，中度危害，有腐蚀性。炔丙醇有剧毒，易燃。有业主曾委托化验所对BYD溶液中的低沸物进行了成分分析，除了BYD和水以外，发现大约30多种微量的化学组分，多为短链的烃基、烷基，醇类等，饱和蒸汽压较低，容易析出为气体，从而在泵体内产生轻度的汽蚀，并具有一定的化学侵蚀性，改变过流和承压部件的物理耐用性，从而加速机械疲劳。 关于介质含固情况，虽然工艺商文件中未提及，实际在装置开车初期的几个月，会有少量的铁锈和管道内壁残留的焊渣残余物存在，泵前的管道临时过滤器(通常为30~40目，正常运行后一般要拆除)可以把大颗粒挡住，但是细小的颗粒仍然可以随着介质进入泵体。同时泵上游10m范围内设有布袋式过滤器(精度约0.5~1μm)，用于过滤掉催化剂(铜基)，但小于0.5~1μm的微小的少量催化剂仍会随着BYD水溶液进入泵体。泵过流部件选材需充分考虑以上因素。 2. BYD给料泵选型 BDO装置规模发展到60~100kt/a，BYD给料泵单台流量增加至14.2~16.8m3/h，扬程高达2900m，属小流量高扬程泵。从表1可以看出，旋喷泵、高速泵均不适用，对BB5多级离心泵流量太小只能打回流(以后单线BDO装置规模扩大，泵流量加大到35m3/h以上后，可对重载BB5离心泵和高压往复泵进行技术经济对比，综合考虑择优选型)，高压往复泵更适用。鉴于上述参数，宜选用重型往复泵，执行API674标准[4]。 如选用隔膜泵，应综合考虑使用场合周边环境，注意隔膜对液压油和介质纯度的要求较高，不能混入坚硬的固体颗粒，以免损坏隔膜。需选用双隔膜并带隔膜破裂报警装置，避免液压油泄漏到工艺介质中，对BDO反应器中BYD与H2反应造成不利影响(如催化剂中毒等)。 目前在运行BDO装置几乎全部采用整机效率较高的高压柱塞泵。典型BYD高压柱塞泵为卧式单作用，由电动机、液力端(液缸体、柱塞及其填料函组件、进出口阀组、吸入和排出集合管等)、动力端(机身、曲轴、连杆、十字头、轴承和机架、泵内减速机构等)、润滑系统、密封冲洗系统、减速箱、脉动阻尼系统、安全阀等组成。表2为各品牌BYD给料泵供货商的典型技术参数。 关于机动往复泵最高允许转速，API674第3版表3中对应不同冲程有明确要求。基于BYD给料泵实际运行情况，各供货商泵转速均低于该标准，有的甚至低于标准限值的50%。柱塞线速度与曲轴转速、行程成正比。目前各厂商一般限制在最大柱塞线速度0.8m/s左右[5]。为延长填料等易损件的使用寿命，目前已投产用户基本都采用4台全开变频降速运行，实际运行柱塞线速度0.2~0.4m/s。 3. BYD高压柱塞泵的使用现状 早期BYD给料泵依赖进口，价格昂贵，且运行中设备维修率极高，存在缸体开裂、单向阀内构件开裂、填料函体开裂、填料函过流部件使用周期短、柱塞表面轴向拉伤、出口管线振动、安全阀频繁起跳等问题。BDO高压合成单元受4台进料泵频繁故障切换维修的影响，无法满足高压反应器的满负荷平稳运行。这些年来，经过供应商、用户和设计方的共同努力，采取了提高入口压力，升级材料，泵体结构优化设计，降低泵转速，降低柱塞线速度，改善进出口阻尼器型式和容积等办法，柱塞泵的主要问题得到了较大的改善，检维修周期有所延长。 因原厂备件费用高，在运BYD给料泵的备件已基本国产化，检修频率和备件费用均有下降，但仍不乐观。据市场调查，某品牌进口泵近3年的单台维修费用就可购买一台新泵。 3.1 液缸体 液缸数量由供应商根据流量选择自身合适泵型决定，与各家的加工精度、泵体材质、阻尼系统设计等有关。经过十多年的发展，目前BYD给料泵主要采用三柱塞和五柱塞两种泵型，七柱塞基本不再选用。 液缸体是往复泵中主要承受液压的零件之一，形状复杂，承受内压交变载荷[6]。目前BYD高压柱塞泵液缸型式主要有整体式和分体式两种。相比分体式独立小缸体，整体锻造缸刚性好，强度更高，应力集中不明显，降低了缸体开裂的风险。尽管BYD溶液腐蚀性一般，但由于含多种低沸物，容易出现汽蚀。 早期装置中，缸体开裂现象普遍。经过不断摸索，通过采用有限元法等应力分析，对应力集中处进行加固，提升液缸体内表面加工精度，及在可实现的情况下，在流道孔相交处倒圆等措施，并将液缸体材质由316SS、316LSS升级到钛合金或超级双相不锈钢(如1.4410，主要组分如下：C<0.03%，Cr24%~26%，Mo3%~4.5%，Ni6%~8%，Si<1.0%，Mn<0.02%)后，液缸体开裂问题得以解决。 3.2 泵阀 泵阀专指往复泵液力端上的吸入阀和排出阀，是往复泵工作过程的直接组成件。BYD介质中可能出现的铜催化剂颗粒会使阀密封面破坏，也会因杂物进入密封面而导致阀关闭不严密。早期同类装置泵选型时未考虑这一点，且阀的型式为平板阀，阀材料采用316SS+Stellite，频繁出现泵阀损坏、阀座开裂。后经过改进，平板阀改为翼型阀，阀材质升级为超级双相不锈钢，甚至钛合金后，泵阀使用情况得到明显改善。目前在役进口品牌BYD高压柱塞泵进出口阀型式主要有钛合金翼型阀和1.446 2锥形阀两种。国内厂商针对该工况研制了组合阀。几种阀型的优缺点如表3所示。 3.3 柱塞和密封填料 柱塞和填料箱组成一对动密封副，其同心度很重要，十字头与柱塞最好采用挠性连接，调心性较好。密封质量是评价一台高压泵性能和使用寿命的重要指标。柱塞、填料与介质接触，由于BYD溶液中含甲醛、甲酸及其他易汽化介质，早期对其认识不足，选材未充分考虑其耐蚀性和耐磨性，填料函结构不合理，频繁出现柱塞轴向表面拉伤，填料磨损泄漏等问题。大多填料使用寿命远远达不到期望值8000h，从早期的一天需检修几次(主要是线速度过高，达到1.18m/s)，通过降低转速，不断进行结构改进，材料升级，目前在满负荷工况(两开两备)下传统压紧方式填料寿命为3~5个月，内置弹簧压紧方式填料寿命可达12个月。 关于材料，柱塞由早期的316SS已升级到双相钢S31803，并进行表面硬化处理并磨光。填料箱壳体材料由316SS已升级到超级双相不锈钢，填料(盘根)材料兼具耐磨性和润滑性，良好的自润滑性对填料和柱塞寿命有利。 关于填料函结构，目前典型的有两种：一种是传统的两组润滑矩形填料(高压一组，低压一组)，带支撑环，手动外压紧结构(两组填料可分别压紧)，两组填料间接入冲洗水。磨损后，需要人工压紧。检修时拆换填料需要拆卸液缸体。另一种是内置弹簧压紧填料，高压侧为多组矩形填料+弹簧，低压侧为V型密封圈+弹簧，冲洗水在高低压段间补入，填料函密封能力和自我补偿能力较强。传统外压紧结构使用效果比内侧压紧结构差很多，内置弹簧密封结构也存在一些问题，比如压紧力过大、衰减和弹簧断裂等[7]。 4. 结束语 本文主要对BDO装置用BYD给料泵工况特点、选型及高压柱塞泵使用现状进行了介绍。BYD给料泵工况恶劣，经工艺系统参数优化、泵液力端选材及结构设计优化，国内外厂商已基本解决液缸体、单向阀和填料函体开裂问题，四台全开的工况下，单向阀寿命可以达到2年以上，柱塞寿命可达6~12个月左右，填料环等密封件寿命3~12个月不等，用户体验明显改善。 密封副寿命差距关键在于柱塞线速度、填料密封结构型式及材料、加工装配精度等因素。此外，BYD给料泵作为高压疲劳设备，尤其液力端，不应对其寿命期望过高。由于装置连续运行时间大约半年，因此国产泵通过改进填料密封结构型式等使填料等易损件更换周期达到6~12个月以上，应能满足BDO装置的生产管理需要，凭借高性价比和良好服务将逐渐赢得市场的青睐。 希望本文能为类似项目的机泵选型设计和设备采购提供一点参考，并为泵的优化设计指明方向。 版权说明：感谢每一位作者的辛苦付出与创作，《泵友圈》均备注了来源。如转载涉及版权等问题，请发送消息至公号后台与我们联系，我们将在第一时间处理，非常感谢！ 邮箱：bengyouquan@126.com 微信：stephen528（验证消息：泵友圈） |
