Авторизация
|
НК «Крон» поставляет широкий спектр надёжного и
качественного насосного оборудования под ваши любые нужды!
|
|
|
НК «Крон» поставляет широкий спектр надёжного и
качественного насосного оборудования под ваши любые нужды!
|
|
Перекачка расплавленной серы – очень сложная задача с широким разнообразием доступных решений. Выбор «лучшего» решения зависит от требований на месте, а также от условий процесса. Во многих случаях «лучшее» решение не выбирается из-за отсутствия понимания всех возможных решений или недостатка опыта. Для выбора оптимального типа насоса, системы уплотнения и материала конструкции необходимо учитывать множество аспектов.
Одним из наиболее важных вопросов является рассмотрение свойств серы. Из-за аномального изменения вязкости при изменении температуры, что позволяет удовлетворительно перекачивать серу только в диапазоне температур 135-155 °C, большинство насосов, используемых для перекачки расплавленной серы, оснащены рубашкой обогрева для поддержания постоянной температуры во всех частях насоса. Кроме того, процентное содержание сероводорода (H2S) напрямую влияет на диапазон температур, в котором серу можно перекачивать с приемлемой вязкостью. Низкая подача в насосе может привести к повышению температуры, что может повлиять на смазку подшипников. Этот вопрос также необходимо учитывать, когда речь идёт о рабочих скоростях погружённых подшипников скольжения с серной смазкой. Выбранный материал конструкции также зависит от содержания H2S.
Уплотнение вала – ещё одно важное конструктивное решение. Существует несколько альтернативных вариантов. Для вертикальных насосов может быть достаточно сальниковой набивки, тогда как для горизонтальных рекомендуется использовать гидродинамическое уплотнение, торцевое уплотнение или магнитную муфту. При высоком содержании H2S в вертикальных насосах часто используются торцевые уплотнения с газовой смазкой.
Конструкция вертикальных насосов зависит не только от чистоты серы, но и от размера резервуара или ёмкости для серы. Например, консольные насосы ограничены по глубине погружения. Для чистой серы можно использовать одно- или многоступенчатые насосы с опорными и промежуточными подшипниками для большей глубины погружения. При работе с чистой серой размер твёрдых частиц, их твёрдость и концентрация оказывают влияние на конструкцию. Консольные насосы с подшипниками скольжения из закалённого материала с внутренней смазкой продуктом или даже с внешней консистентной смазкой могут быть подходящим решением для таких применений.
Хотя вертикальные насосы и применяются широко на установках для плавления серы, нередко используются горизонтальные насосы различных конструкций.
Горизонтальные насосы для расплавленной серы могут быть либо мощной конструкции с гидродинамическим уплотнением вала (например, для расплавленной серы, содержащей твёрдые частицы), либо современной конструкции с магнитной муфтой (например, для чистой серы). Преимуществом насосов с магнитной муфтой является безопасная работа без утечки опасного сероводорода. Существуют различные варианты торцевых уплотнений (например, с паровой закалкой).
В данной статье будут рассмотрены различные технические решения, включая преимущества и недостатки, с которыми придётся столкнуться пользователям. Будет приведено несколько примеров из опыта работы на различных предприятиях по всему миру, а также некоторые рекомендации по выбору оптимального решения для насоса.
В результате растущего по экологическим причинам спроса на топливо с низким содержанием серы ежегодное производство серы стабильно растёт. Спрос и требования к насосам для перемещения этого растущего количества серы год от года становятся всё более сложными. Продолжается разработка специальных решений для широкого спектра различных установок.
Для резервуаров / отстойников серы, установленных ниже уровня земли, обычно используют вертикальный насос, если требуется использовать центробежные насосы. Существуют различные конструкции вертикальных насосов. Для извлечения чистой серы подходят насосы с опорными подшипниками вала. При глубине погружения более 2 м обычно требуются дополнительные промежуточные подшипники. Вертикальный вал опирается на подшипники качения в верхней части вне резервуара и на подшипники скольжения под монтажным фланцем. Подшипники скольжения смазываются серой.
Как правило, рекомендуется, чтобы максимальная скорость насоса этого типа вертикальных серных насосов была ограничена 1500 об/мин при 50 Гц или 1800 об/мин при 60 Гц, чтобы снизить риск повышения температуры в подшипниках скольжения. Радиальные силы и вибрация насоса также могут быть ограничены.
Вертикальные насосы для «грязной» расплавленной серы обычно выполняются в консольной конструкции, поэтому их установочная длина ограничена примерно 2 м.
В резервуарах, установленных выше уровня земли, могут использоваться горизонтальные и вертикальные центробежные насосы, часто в зависимости от философии пользователя в отношении уплотнений вала и капитальных затрат.
Для различных уплотнений вала, доступных для горизонтальных насосов, также существуют технические ограничения, которые необходимо учитывать при рассмотрении этих уплотнений. Эти ограничения, а также преимущества и недостатки различных типов уплотнений будут рассмотрены в данной статье.
При проектировании насоса для расплавленной серы важно принимать во внимание свойства серы. Из-за аномального изменения вязкости при изменении температуры удовлетворительно перекачивать серу можно только в диапазоне температур 135-155 °C. Большинство насосов, используемых для перекачки расплавленной серы, оснащены рубашкой обогрева для поддержания постоянной температуры во всех частях насоса. Наличие сероводорода (H2S) напрямую влияет на диапазон температур, в котором серу можно перекачивать с приемлемой вязкостью (рис. 1).
|
|
Рис. 1. Вязкость жидкой серы и влияние H2S на вязкость
На рис. 2 приведён обзор имеющихся конструкций насосов, распространённых материалов и подходящих систем уплотнений для применения в серной промышленности. В следующих главах это будет рассмотрено детально. Также будут показаны преимущества и недостатки каждого решения.
Рис. 2. Обзор конструкций насосов, материалов и систем уплотнений
Горизонтальный насос мощной конструкции с гидродинамическим уплотнением (рис. 3):
для чистой и «грязной» серы;
условия всасывания являются важными критериями для выбора размера уплотнения;
скорость должна быть фиксированной;
предпочтительна постоянная работа;
небольшая утечка при запуске и остановке;
отсутствие изнашиваемых частей в зоне уплотнения.
Рис. 3. Горизонтальный насос мощной конструкции с гидродинамическим уплотнением
Горизонтальный насос с магнитной муфтой (рис. 4):
для чистой серы;
100% отсутствие утечек;
паровой обогрев имеет решающее значение для предотвращения затвердевания;
ограничения размеров для обеспечения передачи крутящего момента магнитами.
Рис. 4. Горизонтальный насос с магнитной муфтой
Вертикальный насос с одним промежуточным подшипником и рубашкой обогрева (рис. 5):
для чистой серы;
гибкий по длине;
возможность сделать многоступенчатую конструкцию, позволяющую достичь высокого дифференциального напора при низкой скорости;
трубопровод нагнетания и колонна вала должны быть выполнены как компактный блок для обеспечения оптимальной устойчивости, особенно для насосов длиной более 2 м;
цельному блоку необходимо лишь очень небольшое отверстие в резервуаре / яме;
корпуса с двойной спиралью рекомендуются для минимизации радиальных сил, что приводит к меньшему износу подшипников скольжения;
система соединения валов должна обеспечивать обратное вращение (комбинация резьбы и монтажного ключа);
различные размеры зазоров и системы смазочных канавок в зависимости от применения;
при выборе материалов конструкции необходимо учитывать температурное взаимодействие.
Рис. 5. Вертикальный насос с одним промежуточным подшипником и рубашкой обогрева
для «грязной» серы;
ограничение по длине (около 2 м);
нет проблем с сухим ходом;
для балансировки ротора рекомендуется использовать корпуса с двойной спиралью;
отсутствие изнашиваемых деталей, кроме подшипников качения вне бака.
Рис. 6. Вертикальный консольный насос с рубашкой обогрева
Рис. 7. Заклинивший подшипник скольжения
Многоступенчатые гидравлические системы могут использоваться для достижения более высокого давления нагнетания. На рис. 8 показано испытание давлением двухступенчатой гидравлической системы.
Рис. 8. Испытание давлением двухступенчатой гидравлической системы
Большинство вертикальных насосов подвержены обратному потоку, приводящему к обратному вращению после отключения. Вопрос в том, как соединяются части вала и рабочие колёса, чтобы вращающийся блок мог вращаться в обратном направлении. На рис. 9 показана комбинация резьбы и перьевых ключей.
Рис. 9. Резьбовой вал с перьевыми ключами и втулкой
Конструкция внутренней канавки втулки, зазор между втулками, а также сочетание материалов основываются на опыте каждого производителя.
Зазор за рабочим колесом (рис. 10) также должен быть рассчитан с учётом разной скорости роста труб (тонкостенных) и вала (из твёрдого материала).
Рис. 10. Зазор за рабочим колесом
При увеличении длины вала вертикальных насосов гидравлическая секция во время работы будет двигаться по орбите; проектировщикам резервуаров или ям необходимо убедиться в отсутствии препятствий (например, нагревательных змеевиков или стен, рис. 11), которые будут блокировать это движение. Если насос для перекачки серы не может свободно перемещаться, существует риск повреждения втулки подшипника.
Рис. 11. Насосы, установленные в яме с боковыми стенками
В последнее время в области эксплуатации насосов наметилась тенденция к использованию частотно-регулируемых приводов. При использовании частотно-регулируемых приводов обязательно нужно рассчитывать собственные частоты. Необходимо определить скоростные зоны, в которых насос не должен работать. Свойства теплового расширения, которые зависят от уровня жидкости в резервуаре, можно рассчитать с помощью МКЭ. На рис. 12 показан пример деформации всей насосной системы, вызванной частотой 27,6 Гц.
Рис. 12. МКЭ-анализ насоса
Если говорить о материалах конструкции, то здесь можно выделить три основные группы. Помимо особых требований заказчика, содержание H2S определяет используемые материалы. Чугун устойчив при низком содержании H2S (до 10 миллионных долей), но он вызывает появление пятен пирита и иногда забивает рабочие колёса. Углеродистая сталь устойчива в диапазоне содержания H2S от 10 до 300 миллионных долей, но корродирует на границе раздела фаз. Небольшое количество воды или водяного пара будет поддерживать реакции сплавов на основе железа с H2S до FeS. Для этой реакции необходима влажная сера. FeS имеет чёрный цвет, который иногда может проявлять металлический блеск. Нержавеющая сталь устойчива во всём диапазоне и является предпочтительным материалом для границ раздела фаз с высоким содержанием H2S (трубные колонны).
На рис. 13 показаны отложения пирита на вспомогательных рабочих колёсах из чугуна, увеличивающиеся под воздействием влажного морского воздуха на Атлантическом побережье Франции.
Рис. 13. Отложения пирита на вспомогательных рабочих колёсах
На рис. 14 показаны отложения чёрного пирита в нижнем подшипнике резервного насоса на заводе на Ближнем Востоке, который никогда не эксплуатировался.
Рис. 14. Отложения чёрного пирита в нижнем подшипнике
Одним из явлений, которое мы наблюдаем довольно часто, является коррозия даже нержавеющей стали; это происходит, когда вода вступает в контакт с серосодержащим H2S в пограничном слое атмосферы. Химическая реакция приводит к образованию H2SO4, которая очень агрессивна при температурах выше 130 °C.
На рис. 15 показан эффект коррозии на валу из нержавеющей стали.
Рис. 15. Коррозия на валу из нержавеющей стали
При выборе материала часто возникает дискуссия о стандарте NACE и его обоснованность для серных насосов (NACE R 0175). Это в большей или меньшей степени руководство по предотвращению сульфидного растрескивания под напряжением.
Цитата Д. Буша из журнала «Valve» 02/1998:
«Согласно NACE MR0175, сульфидное растрескивание под напряжением определяется как «хрупкое разрушение в результате растрескивания под совместным действием растягивающего напряжения и коррозии в присутствии воды и H2S». На самом деле, сульфидное растрескивание под напряжением – это особый случай водородного охрупчивания, которое происходит, когда H2S в присутствии воды диссоциирует на водород и сульфид-ионы. Диффузия водорода в металл катализируется присутствием сульфидных ионов, способствуя водородному охрупчиванию. Таким образом, все материалы, подверженные водородному охрупчиванию, очень восприимчивы к сульфидному растрескиванию под напряжением. Кроме того, некоторые металлы, которые устойчивы к другим формам водородного охрупчивания, подвержены сульфидному растрескиванию под напряжением. Термин «сульфидное растрескивание под напряжением» наиболее часто используется в нефте- и газодобывающей промышленности. Этот термин приводит к некоторой путанице, поскольку сульфид-ион на самом деле не является разрушающим веществом. В нефтеперерабатывающей промышленности предпочитают термин «мокрый H2S-крекинг», который на самом деле является более точным обозначением. NACE MR0175 определяет термин «кислое» как жидкую среду, содержащую воду в виде жидкости и H2S, превышающий определённые пределы. Какие факторы влияют на восприимчивость к сульфидному растрескиванию под напряжением? На самом деле существует довольно много факторов, влияющих на восприимчивость материала к сульфидному растрескиванию под напряжением».
При использовании серных насосов мы никогда не сталкивались с сульфидным растрескиванием под напряжением, поскольку жидкая сера не содержит воды! По нашему мнению, рекомендации NACE по материалам не подходят для применения в серной промышленности.
И последнее, но не менее важное: иногда серная яма просто слишком грязная для насосов. На рис. 16 показан засорившийся всасывающий сетчатый фильтр.
Рис. 16. Засорившийся всасывающий сетчатый фильтр
Когда идёт речь о выборе лучшей системы уплотнения, необходимо учитывать множество аспектов. Для горизонтальных насосов можно выбрать одно из трёх решений:
гидродинамическое уплотнение вала;
торцевое уплотнение;
магнитная муфта.
Каждая система уплотнения имеет свои преимущества, а также недостатки или технические ограничения. Магнитная муфта на 100% исключает утечки, но она может использоваться только с чистой серой, а её размеры ограничены максимальным передаваемым крутящим моментом в зависимости от размеров и типа магнита. Специально разработанные торцевые уплотнения широко распространены в серной промышленности, но требуют высокого уровня технического обслуживания, а внешние системы подачи пара или барьерной жидкости являются дорогостоящими. Торцевое уплотнение также требует от операторов большого количества знаний и умений. Другим решением является бесконтактное гидродинамическое уплотнение вала, которое является лучшим решением для постоянной эксплуатации. Это уплотнение требует минимального технического обслуживания и не требует вспомогательных систем, однако оно может работать только на фиксированных скоростях. Условия всасывания должны находиться в небольшом диапазоне давления. Также при запуске и остановке возникает утечка. Для периодической работы это может оказаться не лучшим решением.
На рис. 17 показан насос с гидродинамическим уплотнением вала со специальным стоячим уплотнением, которое приводится в действие центробежным грузом, соединённым с валом насоса.
Рис. 17. Гидродинамическое уплотнение вала
При запуске насоса для серы грузы смещаются от центральной линии вала под действием центробежных сил, что приводит к перемещению вала в сторону всасывания. Открывается кольцевой клапан, и гидродинамическое уплотнение берёт на себя герметизацию насоса во время работы. После остановки насоса пружины отводят вал назад и закрывают кольцевой клапан. На рис. 18 показан узел центробежного груза с комплектом пружин.
Рис. 18. Центробежный груз в сборе с комплектом пружин
Другим решением является насос с магнитной муфтой (см. рис. 19), которая на 100% исключает утечки. Как уже упоминалось, его можно использовать только с чистой серой из-за очень маленького зазора между распорной банкой и внутренним магнитом. Кроме того, подшипники из карбида кремния смазываются серой. Размер насоса ограничен доступными системами магнитов и соответствующим максимальным крутящим моментом передачи. Магниты теряют свою силу при повышении температуры. Насосы с магнитной муфтой часто используются в качестве нагрузочных насосов с большим количеством циклов запуска и остановки в день.
Рис. 19. Насос с магнитной муфтой
Сегодня торцевые уплотнения по-прежнему являются наиболее распространёнными уплотнениями для расплавленной серы. В одинарном или двойном исполнении, в виде картриджа с паровой закалкой или внешней барьерной жидкостью, в зависимости от фактических требований к давлению, скорости, размеру и т. д. уплотнения этого типа требуют высокого уровня технического обслуживания со стороны эксплуатации.
Поскольку пар обычно всегда доступен в насосе благодаря паровому обогреву, сегодня большинство уплотнений оснащены паровой закалкой, чтобы избежать кристаллизации на атмосферной стороне уплотнения. В зависимости от фактической конфигурации закалки на внешней стороне уплотнения возникают проблемы, связанные с флокуляцией серы (см. рис. 20).
Рис. 20. Флокуляция серы на уплотнении с паровой закалкой
На рис. 21 показан насос с уплотнением и системой закалки от другого поставщика. В данном случае эта технология была более подходящей для применения.
Рис. 21. Идеально работающее торцевое уплотнение с паровой закалкой
Если рассматривать системы уплотнения вертикальных насосов, то наиболее распространённым является сальниковое уплотнение, часто поставляемое с продувкой N2. Иногда необходимо использовать торцевое уплотнение, чтобы избежать утечек при наличии H2S. Во многих случаях используются картриджные уплотнения с газовой смазкой. На рис. 22 показан вертикальный насос на испытательном стенде с панелью для подачи N2 в картриджное уплотнение.
|
|
Рис. 22. Газовая панель для подачи N2 к картриджному уплотнению
Перекачка расплавленной серы – очень сложная задача с широким спектром доступных решений. Выбор «лучшего» решения зависит от требований на месте, а также от условий процесса. Во многих случаях «лучшее» решение не выбирается из-за отсутствия понимания всех возможных решений или недостатка опыта. Для выбора оптимального типа насоса, системы уплотнения и материала конструкции необходимо учитывать множество аспектов.
Надеемся, что данная статья даст читателю рекомендации по различным аспектам, которые следует иметь в виду при поиске насосов для перекачки расплавленной серы. Всегда необходимо учитывать не какой-то один вопрос, а сочетание различных требований.
Производителю насоса необходимо понимать область применения и процесс «за насосом», чтобы предложить наилучшее возможное решение; недостаточно просто обеспечить требуемую производительность и давление нагнетания.
[1] Dr. Juergen Weinerth. Pumping Molten Sulfur: A Challenge for Pump Design, Sealing Systems and Material of Construction. Wiesbaden, Germany.
Авторизация