【壓縮機網(wǎng)】摘要：VP-2310螺桿干式真空泵為碳八抽提苯乙烯裝置核心設備之一，共三臺，型號為VPS-P1500，均為從韓國進口設備。本文闡述了VP-2310真空泵在運行過程中出現(xiàn)的振動大、過載保護停機、機械密封頻繁泄漏等現(xiàn)象，繼而導致螺桿彎曲變形，真空泵不能正常工作。通過對真空泵解體檢查，對轉(zhuǎn)子受力和熱變形情況進行分析計算，得出主要故障原因為：真空泵入口瞬時大量帶液導致液擊；介質(zhì)里含有大量易聚合烴類物質(zhì)，受熱聚合粘結螺桿體表面碳化。經(jīng)過分析，可以通過以下方式改善真空泵運轉(zhuǎn)狀況，提高運轉(zhuǎn)周期：一、在泵入口增加帶有除沫器的氣液分離罐，以避免真空泵入口帶液導致液擊過載停機；二、將缸體冷卻管線由出口氣體自冷卻改為外接氮氣冷卻，增強高真空度條件下機體內(nèi)部散熱條件，降低機體內(nèi)部工作溫度，以阻止熱聚合物粘結螺桿體表面碳化發(fā)生，防止冷卻管線被聚合物堵塞而失去冷卻作用；三、定期用抽余油浸泡清理真空泵和出口消音器內(nèi)聚合物，防止聚合物長期積累導致轉(zhuǎn)子摩擦；四、在泵體排氣端加裝溫度探測系統(tǒng)，超高溫度停機，防止超高溫導致螺桿變形問題發(fā)生。五、核心零部件、備件國產(chǎn)化，降低維修成本。

　　1、前言

　　碳八抽提苯乙烯裝置VP-2310螺桿干式真空泵為裝置的核心設備之一，主要用于保持各分離單元系統(tǒng)負壓工況。在實際運轉(zhuǎn)過程中，VP-2310A/B/C工作介質(zhì)帶液情況時有發(fā)生，且烴類物質(zhì)聚合嚴重，泵運行一段時間后便出現(xiàn)振動大、超電流、機械密封泄漏等故障。

　　1.1VP-2310真空泵簡介

　　VP-2310選用型號為VPS-P1500的雙螺桿干式真空泵，從韓國進口。螺桿干式真空泵是干式真空泵家族中的一員。所謂干式真空泵，一般認為能在大氣壓到10-2Pa的壓力范圍內(nèi)工作。在泵的抽氣流道中，不能有任何油類和液體，排氣與大氣或火炬等后系統(tǒng)相通，能連續(xù)向后系統(tǒng)中排氣的泵，也叫無油真空泵。干式螺桿真空泵是利用一對螺桿在泵體內(nèi)高速反向旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生吸氣和排氣的抽氣設備，具有占地少，輔助系統(tǒng)簡單，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音低，振動小，工作腔內(nèi)無需油潤滑、操作維護方便等優(yōu)點，可以用于抽除介質(zhì)內(nèi)含有大量可凝氣體及少量粉塵的工況。但由于螺桿加工精度高，國內(nèi)使用的干式真空泵大多為進口，無論是整泵還是備件，價格都十分昂貴，使得維修成本較高。以下是VP-2310的結構示意圖（圖1.1）和技術參數(shù)表（表1.1）。

　　1.2 螺桿干式真空泵工作原理
　　與螺桿壓縮機相似，螺桿干式真空泵的工作過程分為吸氣、壓縮和排氣三個過程。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，每對相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環(huán)。

　　1、吸氣過程
　　圖1.2展示了螺桿干式真空泵的吸氣過程。由排氣端向吸氣端查看，主螺桿順時針方向旋轉(zhuǎn)，從螺桿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，上方為吸氣端，下方為排氣端。

　　圖中a所示為吸氣過程即將開始，在這一時刻，這一對齒前段型線完全嚙合，且即將與吸氣口連接。隨著轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動，由于齒的一端逐漸脫離嚙合而形成了齒面空間，這個空間體積隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動而逐漸擴大，在其內(nèi)部形成了短時真空，而此空間與吸氣口直接相連，因此氣體在壓差作用下進入其中，如圖b中所示陰影部分。圖中c為吸氣結束位置，其顯著特點是齒面空間達到z*大值，空間與吸氣口斷開，吸氣過程結束。

　　2、壓縮及排氣過程過程
　　圖1.3展示了螺桿干式真空泵壓縮及排氣過程。由排氣端向吸氣端查看，主螺桿逆時針方向旋轉(zhuǎn)；從螺桿順時針方向旋轉(zhuǎn)，上方為吸氣端，下方為排氣端。

　　圖中d為壓縮過程開始，隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，齒面空間由于齒的逐漸嚙合而不斷變小，被密封在齒面空間里的氣體體積也隨之減小，壓力升高，從而實現(xiàn)氣體的壓縮過程，一直持續(xù)到過程e，齒面空間與排氣口連通之前。在進入過程f時，齒面空間與排氣口連通，氣體由于壓差的作用逐漸由排氣口排出，直至過程e，排氣過程結束。

　　從上述工作原理可以看出，螺桿干式真空泵是一種容積式泵，氣體壓縮靠容積的變化來實現(xiàn)，而容積的變化又借助螺桿泵的一對轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)做回轉(zhuǎn)運動來達到。它的容積在變大和縮小的同時，其空間位置也在變化。

　　目前螺桿干式真空泵轉(zhuǎn)子主要形式有五種，分別為單頭等螺距矩形螺紋轉(zhuǎn)子、單頭等螺距梯形螺紋轉(zhuǎn)子、單頭變螺距梯形螺紋轉(zhuǎn)子、單頭等螺距凹面轉(zhuǎn)子和雙邊對稱圓弧型線轉(zhuǎn)子。VP-2310采用的是單頭變螺距梯形螺紋轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子結構如圖1.4所示。

 

 　　單頭變螺距梯形螺紋轉(zhuǎn)子主要特點為螺桿螺距從吸氣端到排氣端按變螺距系數(shù)變化，大導程一端為吸入端。開始時吸氣量較大，在兩轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)過程中，封閉腔體越來越小，氣體被壓縮，具有內(nèi)壓縮作用，即邊輸送邊壓縮，能夠降低整個系統(tǒng)的排氣壓縮功耗，并對發(fā)生在排氣口的喘振現(xiàn)象有抑制作用，使機泵運轉(zhuǎn)更加穩(wěn)定，降低振動和噪音。

　　2、VP-2310真空泵常見故障及原因分析

　　2.1常見故障
　　2014年9月至2015年1月期間，VP-2310三臺螺桿干式真空泵共出現(xiàn)7次故障，具體故障時間及故障現(xiàn)象如表2.1所示。

  　　由表2.1可以看出，真空泵的主要故障現(xiàn)象為振動劇烈，排液口可見大量液體，齒輪箱潤滑油乳化，電流升高。解體后螺桿表面附著大量黑色聚合物，螺桿和缸體表面磨損較為明顯。圖2.1、2.2、2.3分別為轉(zhuǎn)子表面出現(xiàn)的磨損、缸體表面出現(xiàn)的磨損和轉(zhuǎn)子表面附著的聚合物。

 

  　　2.2原因分析

　　2.2.1 真空泵入口帶液
　　VP-2310真空泵入口介質(zhì)主要為C8烴、空氣和水蒸汽的混合氣，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，該真空泵的吸入介質(zhì)從塔頂采出到進入VP-2310入口需要經(jīng)過100多米長的管線，介質(zhì)在經(jīng)過這段管線的過程中溫降比較大，在這個過程中部分氣相（主要是水蒸氣）液化，液體集中在真空泵入口管線的某個低點，當管內(nèi)積液達到一定程度，液相將被吸入真空泵，導致真空泵短時間內(nèi)大量帶液。工藝技術人員在做工藝流程調(diào)節(jié)的過程中，由于誤操作或者閥門內(nèi)漏，也有可能導致真空泵短時間內(nèi)大量帶液。主要造成兩方面影響：

　?、佼敻墒铰輻U真空泵兩螺桿進入圖1.3中過程d時，氣體介質(zhì)開始被壓縮，在達到過程e的前一瞬間，壓力達到z*大值。然而當介質(zhì)變?yōu)橐后w時，由于液體的不可壓縮性，在d－e過程中，隨著齒面空間的變小，封閉的齒面空間內(nèi)會產(chǎn)生巨大的壓力，兩螺桿發(fā)生撓曲變形，與缸體發(fā)生撞擊，加之進入液體溫度較低，直接作用于已變形的熱轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子擠壓變形量冷卻定形，直接后果就是轉(zhuǎn)子和缸體磨損嚴重，轉(zhuǎn)子發(fā)生不可逆的彎曲損壞，動平衡被打破，振動變大。下面就帶液情況下真空泵螺桿受力情況進行分析。

　　真空泵單個螺桿受力情況可簡化為如圖2.4所示。

 

　　A、B兩點分別代表固定端和自由端軸承，F(xiàn)代表螺桿所受作用力，作用于螺桿C處，l為螺桿長度，a、b分別表示作用力與A、B兩點距離。
　　軸在A、B兩端的垂直約束力分別為：

　　AC段彎矩方程：

　　CB段彎矩方程：

　　已知撓曲線近似微分方程為:

　　分別以x1和（x2－a）為自變量對公式2.2.1積分，結果如下：
　　AC段：

 

 

　　CB段：



          
　　由于軸彎曲后的撓曲線應為光滑連續(xù)的曲線，因此交點C處的兩個轉(zhuǎn)角方程2.2.3和2.2.6、兩個撓度方程2.2.4和2.2.7應該分別相等，即：

 




 

　　求得：

　　將端點坐標（0,0）和（l,0）分別帶入式2.2.4和2.2.7中，得：

　　分別帶入式2.2.3、2.2.4、2.2.6、2.2.7得：

 

 

 

 　　z*大撓度：先研究AC段，軸的z*大撓度應在處，帶入式2.2.8解得：

 

　　當a＞b時，由上式可看出x1值小于a，因此z*大撓度點出現(xiàn)在AC段。將x1值帶入式2.2.9解得：

　　由式2.2.12可看出，b值越小，x1值越大，z*大撓度點離軸中點距離越遠，z*大撓度與中點撓度差值越大。在極端情況下，b值趨于0，從式2.2.12和2.2.13可解得：

 

 　　而軸中心點撓度為：

 

　　在這種極端情況下， 相差不到3％，因此，無論集中力F作用在什么位置，均可用軸中心點撓度值來近似計算z*大撓度值，即：

　　軸的抗彎剛度EI為常數(shù)，軸長l為固定值，因此z*大撓度與作用在軸垂直方向上的力成正比。由于缸體與轉(zhuǎn)子之間間隙只有z*大0.45mm，且只要軸彎曲z*大撓度大于間隙，轉(zhuǎn)子與缸體就會發(fā)生接觸，因此假定＝0.45mm。

　　已知轉(zhuǎn)子螺桿處軸徑為d=0.1m，可由下列計算公式算得貫性矩：

 

　　已知真空泵轉(zhuǎn)子材質(zhì)為45＃鋼，可查得其彈性模量為210GPa，因此軸的抗彎剛度EI為：

　　真空泵在運轉(zhuǎn)過程中，泵內(nèi)轉(zhuǎn)子的溫度將達到160℃左右，而缸體因為冷凍水（－2℃）冷卻的原因，溫度與室溫相近（約為20～30℃）。由于溫差的存在，實際運轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子軸向上會產(chǎn)生熱脹。查得45＃鋼在20～200℃下的膨脹系數(shù)c為12.32×10－6，已知轉(zhuǎn)子原始長度為1100mm，通過公式計算出：

　　由于Δl實際值遠小于轉(zhuǎn)子原始長度，因此可以忽略不計。
　　由式2.2.14可得：

 

　　實測螺桿z*末端螺紋距約為l1＝0.2m，因此壓強P為：

　　壓強P為245882Pa，即約為0.246MPa。也就是說只要轉(zhuǎn)子間壓力達到或超過0.246MPa，轉(zhuǎn)子與缸體就會發(fā)生接觸。而實際情況中，由于液體的不可壓縮性，真空泵帶液時，兩螺桿在出口端旋轉(zhuǎn)壓縮所產(chǎn)生的壓強是遠大于0.246MPa的，因此轉(zhuǎn)子與缸體之間會發(fā)生劇烈碰撞導致磨損。由此可知，真空泵帶液確實是轉(zhuǎn)子撞擊缸體進而產(chǎn)生振動和磨損的主要原因之一。

　?、趲б汉?，真空泵出口壓力驟增，遠遠超過出口端唇封和機封的耐受極限，液體穿過唇封和機封進入齒輪箱，直接后果就是唇封和機封發(fā)生損壞。之后物料氣和液不斷的進入齒輪箱，齒輪箱內(nèi)潤滑油不斷被污染，造成同步齒輪及滾動軸承潤滑不良，逐漸出現(xiàn)磨損，同時齒輪箱壓力升高，無法通過換油解決，只能更換唇封、機械密封和軸承。圖2.5為損壞唇封、機封靜環(huán)和軸承。

 

 

 　　2.2.2 介質(zhì)含有大量易聚合烴類物質(zhì)

　?。?）由于介質(zhì)里含有大量烴類物質(zhì)，長期運行過程中，烴類物質(zhì)聚合物會逐漸附著在真空泵轉(zhuǎn)子表面，真空泵兩個轉(zhuǎn)子間、轉(zhuǎn)子與缸體間的間隙會不斷縮小。VP-2310真空泵在設計時有一根由真空泵出口冷卻器至缸體的自冷卻管線，主要起到冷卻缸體內(nèi)部的作用。實際運轉(zhuǎn)過程中，由于出口氣相中含有聚合物，長時間運轉(zhuǎn)后聚合物堵塞了自冷卻管線，自冷卻管線失去了對缸體內(nèi)部的冷卻作用。

　　由VP-2310真空泵的隨機資料中可查詢，真空泵兩個轉(zhuǎn)子原始高低點間隙d1為0.4mm，轉(zhuǎn)子與缸體之間的間隙d2為0.45mm。當真空泵在設計狀態(tài)下運轉(zhuǎn)，隨著運轉(zhuǎn)溫度上升，兩螺桿之間的高低點間隙和螺桿高點與缸體間隙（如圖2.5所示）會逐漸縮小，在達到某一個溫度點T（實測為160℃左右）時，壓縮氣體產(chǎn)生的熱量Q1與氣體通過真空泵所攜帶出的熱量Q2、冷凍水帶走的熱量Q3會達到平衡，溫度不再上升，此時兩螺桿間的間隙d1'和螺桿與缸體間隙d2'計算如下：

　　——轉(zhuǎn)子徑向熱變形量
　　——材料熱膨脹系數(shù)
　　——葉輪直徑
　　——運轉(zhuǎn)后轉(zhuǎn)子達到的溫度
　　——轉(zhuǎn)子初始溫度

 　　由材料手冊查得45＃鋼的熱脹系數(shù)為13.09×10-6（20～300℃），葉輪直徑D為340mm，T為160℃，T0取室溫 25℃。由公式2.2.10可得：

 

　　轉(zhuǎn)子兩端變形量為總變形量Δ的一半，即0.2825mm。

　　而由于聚合物的不斷附著，導致兩螺桿之間的間隙會進一步縮小，當間隙的凸點大于0.1175mm時，兩螺桿開始摩擦。隨著聚合物附著增多，摩擦面積加大，摩擦熱成為泵體內(nèi)部溫度增高重要熱源，局部摩擦高溫使局部聚合物碳化，摩擦擠壓又進一步使碳化聚合物在螺桿表面的粘合緊密度增強，聚合物脫落量愈來愈少，聚合面越來越大。如此過程循環(huán)，導致泵系統(tǒng)過載、螺桿變形、磨損等問題交替并發(fā)，直至泵系統(tǒng)失效。

 

 　　當d1'為0時，即Δ＝0.8mm，溫度T為：

　　當d2'為0時，即Δ＝0.9mm，溫度T為：

　　而由于碳化聚合物擠壓滯留在螺桿表面，擠占了部分間隙，因此實際局部接觸溫度要遠高于計算溫度。在實際運轉(zhuǎn)中，實測在真空泵缸體內(nèi)溫度達到190～195℃時，缸體振動值開始變大，達到200℃時，可以聽見明顯的摩擦聲，振動值進一步變大，當溫度接近210℃時，電機過流跳閘。

　　由以上計算和實際溫度值及拆解觀察具體摩擦部位顏色可推測：在缸體內(nèi)溫度達到190℃前，兩螺桿因其上面碳化聚合物附著已發(fā)生摩擦，摩擦熱加劇了泵體內(nèi)部溫度進一步升高，繼而產(chǎn)生摩擦擠壓面進一步增大，螺桿發(fā)生擠壓撓曲變形，向外彎曲，與缸體發(fā)生接觸，真空泵振動和聲音變大，電流升高。當溫度接近210℃時，螺桿與缸體劇烈摩擦，螺桿旋轉(zhuǎn)阻力過大，電機超電流跳閘。

　　同時，烴類聚合物不可能非常均勻的附著在轉(zhuǎn)子上，不均勻的質(zhì)量分布勢必會導致轉(zhuǎn)子的質(zhì)量偏心，影響轉(zhuǎn)子動平衡，也是真空泵發(fā)生振動的誘因。

　?。?）烴類聚合物不僅會聚集在轉(zhuǎn)子上，還會附著在真空泵出口消音器內(nèi)。隨著聚合物的積累，逐漸變窄的出口通道導致真空泵排氣不暢，壓力逐漸升高。當聚合物積累達到一定程度堵塞消音器時，真空泵出口將會憋壓，當壓力高于25kpa（出口壓力聯(lián)鎖值）時，真空泵聯(lián)鎖停機。圖2.7中橘黃色曲線顯示出口壓力緩慢上升，z*終達到聯(lián)鎖值，圖2.8顯示真空泵出口消音器內(nèi)聚合物。

 

 　　3、解決方案

　　3.1恢復磨損
　　由于螺桿發(fā)生了不可逆的彎曲變形，外殼內(nèi)部拉傷凹損面積較大，校正螺桿、更正外殼內(nèi)部拉傷成為采取其他改進措施前的基礎。我們采取了分別車小螺桿外徑2mm、螺桿軸徑銑小1mm，激光熔鍍增補螺桿外徑3mm、增補螺桿軸徑2mm。然后，螺桿外圓磨到原尺寸，螺桿內(nèi)軸銑到原尺寸，密封型線手工復原工藝，外殼內(nèi)部采用直接激光熔鍍修補凹損面，航磨恢復工藝，修復參數(shù)如初。

　　3.2 VP-2310入口增加氣液分離罐

　　在氣相進入真空泵之前，增加一個入口氣液分離罐，可以有效防止真空泵入口短時大量帶液的情況。流程示意圖如圖3.1所示。

 

 　　如圖，如果入口管線有積液，液體會s*先進入氣液分離罐。當氣液分離罐液位較高時，關閉分離罐出入口閥門，打開排液線和放空閥，排凈液體。氣液分離罐上部裝有除沫器，主要作用是分離氣體中夾帶的液滴，降低水含量。

　　3.3將冷卻線改為外接氮氣冷卻
　　配置一根裝有調(diào)壓閥和流量調(diào)節(jié)閥的氮氣管線至缸體冷卻線接口，替代原來的自冷卻線。通過調(diào)壓閥控制氮氣壓力低于25kPa，利用流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量，防止真空泵出口超壓連鎖。這樣做可以有效的避免聚合物堵塞冷卻管線，有效控制真空泵缸體內(nèi)溫升。

　　3.4使用適當溶劑去除聚合物
　　定期使用溶劑對運轉(zhuǎn)時間超過一定時間的真空泵進行浸泡，以有效去除附著在轉(zhuǎn)子上的聚合物。主要使用的溶劑為制苯裝置抽余油，主要成分為粗己烷，實踐證明抽余油對聚合物有很好的溶解作用。同時定期拆除真空泵出口消音器，利用高壓水清理內(nèi)部聚合物，以防止真空泵出口憋壓。

　　3.5在泵體排氣端加裝溫度探測系統(tǒng)
　　在泵體排氣端加裝溫度探測系統(tǒng)，設置停機溫度值為185攝氏度，以杜絕超高溫度使核心部件螺桿不可逆變形問題發(fā)生。

　　3.6 備件國產(chǎn)化，降低維修成本
　　通過與物裝中心溝通，在國內(nèi)尋找到了有經(jīng)驗和資質(zhì)的廠家對VPS-P1500型號真空泵備件進行了測繪，實現(xiàn)了單臺設備易損備件88.9％的國產(chǎn)化，有效降低了真空泵維修材料成本，減少了備件到貨周期。組織運保中心人員參與觀摩真空泵解體檢修過程，并獨立完成了VP-2310真空泵的7次故障檢修，大大降低了真空泵維修人工成本，提高了維修的及時性。表3.1為VPS-P1500型號真空泵進口與國產(chǎn)備件價格對照表。

 

 　　由表3.1可以看出，國產(chǎn)化之后備件的總價格僅為進口備件總價格的1/10左右。

　　4、改造后實際效果
　　2015年初，按照上述方案對VP-2310進行了改造。經(jīng)過半年多的運轉(zhuǎn)，實際效果非常明顯。增加入口氣液分離罐后，真空泵運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，沒有再出現(xiàn)帶液情況；用抽余油對每臺連續(xù)運轉(zhuǎn)超過1個月的真空泵進行浸泡，同時利用高壓水對出口消音器進行沖洗，并將自冷卻改為外接氮氣冷卻，效果比較好，出口壓力和缸體溫度控制穩(wěn)定，振動值平穩(wěn)，沒有再出現(xiàn)超電流跳閘現(xiàn)象。在泵體排氣端加裝溫度探測系統(tǒng)，新增溫度連鎖，設置連鎖溫度值為185攝氏度，杜絕了超高溫度使核心部件螺桿不可逆變形問題發(fā)生。在真空泵維修和備件國產(chǎn)化以后，有效降低了維修成本，在VP-2310螺桿干式真空泵的7次故障中，共計節(jié)約材料成本約100萬元，節(jié)約人工成本18.2萬元。

　　5、總結
　　通過對VP-2310真空泵常見故障的原因分析和計算，找出了真空泵故障原因，并通過相關改造措施，實現(xiàn)了真空泵現(xiàn)階段的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。得出的主要結論為：
　?。ㄒ唬┙橘|(zhì)帶液對干式螺桿真空泵穩(wěn)定運轉(zhuǎn)影響較大，會導致異常振動、轉(zhuǎn)子磨損及密封損壞等后果。在真空泵入口增加氣液分離罐，可以有效避免真空泵入口帶液。
　?。ǘ┙橘|(zhì)的化學性質(zhì)對干式螺桿真空泵長周期運轉(zhuǎn)影響較大，易聚合的介質(zhì)會導致干式螺桿真空泵超溫超壓、轉(zhuǎn)子磨損、異常振動。因此在選型時需對介質(zhì)化學性質(zhì)進行分析，通過一些方法去除介質(zhì)中易聚合的成分，并采取有效措施控制真空泵缸體內(nèi)溫度，防止聚合物快速聚合影響真空泵平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，延長干式真空泵使用壽命。
　?。ㄈ└墒铰輻U真空泵維修和備件的成功國產(chǎn)化，不僅大大降低了維修成本，對于國內(nèi)現(xiàn)階段干式真空泵的研究和發(fā)展也起到了積極的促進作用。

　　參考文獻
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　　第一作者簡介：
　　王飛，中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司設備工程師，畢業(yè)于大連
　　理工大學過程裝備與控制工程專業(yè)，一直從事化機裝備維保工作。

來源：■文/中國石化股份北京燕山分公司 王飛 張穎 陳孝輝 王占華 鐘明喜 李淑紅