立式潛水泵為硫酸工廠的生產(chǎn)提供安全解決方案

2009-10-17 world-pumps 世界泵業(yè)

　　瑞典一個(gè)卸船港口上管道的損壞促進(jìn)了一種特殊的熔融硫磺儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)。一臺(tái)17米長(zhǎng)的立式泵需要從罐頂放低到罐底，并避免敲擊到儲(chǔ)罐的底部。德國(guó)機(jī)械設(shè)備制造業(yè)聯(lián)合會(huì)（VDMA）的Stephan Nakel和Per Karlsson介紹了這種技術(shù)的開發(fā)過(guò)程。

　　2005年6月，瑞典Helsingborg的Kemira Kemi公司的工廠內(nèi)發(fā)生了一起事故，一段管道受損后使得地表受到強(qiáng)烈腐蝕，從而導(dǎo)致硫酸儲(chǔ)罐坍塌。工廠內(nèi)充滿了硫酸，存放儲(chǔ)罐的場(chǎng)地，還有安裝在地表的臥式泵都受到了嚴(yán)重破壞。因此，經(jīng)過(guò)風(fēng)險(xiǎn)分析，工廠決定開發(fā)一種新的安全防護(hù)措施，即在卸船端為新的硫磺儲(chǔ)罐安裝一臺(tái)17米長(zhǎng)的立式泵。

　　特定的解決方案可以采用各種不同的泵。對(duì)于安裝在地表以下的硫磺儲(chǔ)罐/泵坑來(lái)說(shuō)，如果需要離心泵，通常都采用立式離心泵。

安裝在卸船港口的新的硫磺儲(chǔ)罐

圖1. 安裝在卸船港口的新的硫磺儲(chǔ)罐

　　立式泵有著不同的設(shè)計(jì)。一臺(tái)11米長(zhǎng)的立式泵自1998年以來(lái)一直保持無(wú)故障運(yùn)轉(zhuǎn)。新的儲(chǔ)罐需要將泵安裝在儲(chǔ)罐頂部（圖1），其他特征包括：

　　◆ 支撐儲(chǔ)罐頂部的橫梁安裝在儲(chǔ)罐之外，以防止硫磺在儲(chǔ)罐內(nèi)部凝固。

　　◆ 在罐頂懸掛蒸汽盤管，用以加熱硫磺。

　　◆ 罐頂裝有SO₂探測(cè)器，罐內(nèi)裝有測(cè)溫儀，預(yù)防火災(zāi)。

　　◆ 由控制室啟動(dòng)的蒸汽系統(tǒng)可以撲滅罐內(nèi)的火焰。

設(shè)計(jì)

　　在設(shè)計(jì)用于處理熔融硫磺的泵時(shí)，必須將硫磺的特性考慮進(jìn)去。

　　隨著溫度的變化，硫磺的粘度會(huì)發(fā)生異常的變化，因此只能在135-155℃的溫度范圍之內(nèi)輸送硫磺。大多數(shù)用于輸送熔融硫磺的泵都帶有一個(gè)加熱套，以保持泵內(nèi)所有部件的溫度恒定。硫化氫（H₂S）的存在直接影響著溫度范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)，硫磺的粘度適合輸送。

　　通常，立式離心泵（圖2）會(huì)有一些獨(dú)特的設(shè)計(jì)特征，以確保無(wú)故障運(yùn)行和維修的簡(jiǎn)便性。排出口和軸柱被制成一個(gè)完整的蒸汽受熱裝置，以達(dá)到最大的穩(wěn)定性（特別是對(duì)于長(zhǎng)度大于2米的泵），并將熔融硫酸保持在所需溫度。另外，立式泵還應(yīng)具備雙渦殼，減少?gòu)较驂毫Γ沟没瑒?dòng)軸承磨損最小。這延長(zhǎng)了泵的平均故障時(shí)間間隔（MTBF）。根據(jù)應(yīng)用的不同，熔融硫酸泵的材料可以選用鑄鐵、鑄鋼和不銹鋼。

立式離心泵

圖2：立式離心泵

　　弄清所有技術(shù)細(xì)節(jié)后，泵的設(shè)計(jì)就開始了。泵的流量設(shè)定為70m³/h（揚(yáng)程：22米）。11個(gè)由硫磺潤(rùn)滑的滑動(dòng)軸承用于穩(wěn)定整個(gè)軸。

　　這臺(tái)17米長(zhǎng)的泵裝備有三個(gè)獨(dú)立的蒸汽加熱套，以保持整個(gè)系統(tǒng)的溫度恒定，避免出現(xiàn)冷凝。當(dāng)泵被加熱到操作溫度時(shí)，不能低估泵的膨脹。在本案例中，泵將膨脹30mm。必須采用熱膨脹系數(shù)與此相似的材料，以避免由于不均勻的熱膨脹而導(dǎo)致的內(nèi)部應(yīng)力。

　　所有的軸柱部件和蒸汽管路都用法蘭連接在一起，而不是焊接的。這就使拆裝和維修變得方便了。泵的每段都有排水孔，在泵移出儲(chǔ)罐時(shí)，確保泵內(nèi)完全排干，防止硫磺凝固。

　　泵的底座在操作溫度下，要能夠承受泵的整體重量。單個(gè)軸的連接要采用特殊的設(shè)計(jì)，使其能夠反轉(zhuǎn)（泵停機(jī)時(shí)，由反向液流引起的）。對(duì)于這種類型的長(zhǎng)軸泵，在設(shè)計(jì)完成前和生產(chǎn)開始前，一定要進(jìn)行有限元分析（FEA）。

　　主要的分析之一是通過(guò)模態(tài)分析，了解整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能。固有頻率可以檢測(cè)出來(lái)，不適合泵運(yùn)轉(zhuǎn)的速度范圍也可以測(cè)定出來(lái)。通過(guò)FEA方法，還可以根據(jù)儲(chǔ)罐中的液位，計(jì)算出熱膨脹性能。圖3顯示了由27.6Hz的頻率引起的整個(gè)系統(tǒng)的變形。

　　除了整個(gè)泵系統(tǒng)的計(jì)算，泵軸的設(shè)計(jì)（例如材料、直徑）和底座也要通過(guò)計(jì)算來(lái)檢驗(yàn)�；瑒�(dòng)軸承的位置必須進(jìn)行檢驗(yàn)，因?yàn)樗鼈兪亲鳛橐龑?dǎo)軸承來(lái)破壞諧波的，因此它們的徑向載荷是最小的。采用最新的軟件進(jìn)行所有必要的計(jì)算后，設(shè)計(jì)方案就可以確定下來(lái)，泵的制造也可以開始了。

　　11段軸柱是分開制造的。對(duì)于長(zhǎng)軸泵來(lái)說(shuō)，連接法蘭表面的一致性是確保整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件處于中心位置的重要標(biāo)準(zhǔn)。每段軸柱都包括管道、凸起的鍋爐接口和支撐滑動(dòng)軸承襯套的法蘭零件。

　　軸部件是分別加工而成的，軸的誤差應(yīng)該小于2/100mm。葉輪被修整為額定直徑，并根據(jù)DIN ISO 1940 T1 G6.3 或G2.5進(jìn)行校準(zhǔn)。襯套所用的材料及溝槽的設(shè)計(jì)（例如螺旋槽或狹槽）和軸承的間隙對(duì)于硫磺潤(rùn)滑的滑動(dòng)軸承的使用壽命至關(guān)重要。

組裝好的泵放在車間內(nèi)