Dobór pomp w rafinerii czy zakładzie petrochemicznym nie jest zadaniem katalogowym. A pompa do procesów petrochemicznych działa w warunkach, które łączą wysoką temperaturę, wysokie ciśnienie, płyn łatwopalny lub toksyczny i ciągłe cykle pracy. Zły wybór powoduje nieplanowane przestoje, awarie uszczelnień i zdarzenia związane z bezpieczeństwem. W tym przewodniku omówiono typy pomp, wymagania API 610, dobór materiałów, systemy uszczelnień mechanicznych i praktyki w zakresie niezawodności na poziomie specyfikacji wymaganym przez inżynierów procesu i nabywców hurtowych sprzętu.
Co to jest pompa do procesów petrochemicznych?
A pompa do procesów petrochemicznych to maszyna do transportu płynów zaprojektowana specjalnie do stosowania w rafinacji, przetwórstwie chemicznym i pokrewnych gałęziach przemysłu węglowodorowego. Przenosi ciecze, które mogą być gorące, zimne, lepkie, ścierne, lotne lub agresywne chemicznie. Pompa musi zawierać ciecz bez wycieków, działać niezawodnie przez długie okresy pomiędzy planowanymi przeglądami konserwacyjnymi oraz spełniać wymagania bezpieczeństwa instalacji.
Środowisko pracy i charakterystyka płynów
- Do płynów procesowych zalicza się ropę naftową, benzynę ciężką, benzen, toluen, ksylen, kwas siarkowy, sodę kaustyczną, gazy skroplone i wysokotemperaturowe oleje do przenoszenia ciepła.
- Temperatury robocze wahają się od pracy kriogenicznej poniżej -100 stopni Celsjusza do pracy z podgrzewaczem opalanym w temperaturze powyżej 400 stopni Celsjusza.
- W niektórych konfiguracjach ciśnienia robocze w reaktorze wysokociśnieniowym mogą przekraczać 300 barów.
- Wiele płynów procesowych jest sklasyfikowanych jako niebezpieczne, łatwopalne lub toksyczne zgodnie z przepisami OSHA dotyczącymi zarządzania bezpieczeństwem procesowym (PSM), co sprawia, że szczelność zapewniająca zerowy wyciek jest niepodlegającym negocjacjom kryterium projektowym.
- Zmiany ciężaru właściwego i lepkości w strumieniach procesowych wymagają starannego doboru parametrów hydraulicznych, aby uniknąć pracy daleko od punktu najlepszej wydajności (BEP).
Typy pomp stosowanych w usługach petrochemicznych
Żaden pojedynczy typ pompy nie zapewnia pełnego zakresu warunków pracy w petrochemii. Inżynierowie procesu wybierają technologię pomp w oparciu o natężenie przepływu, różnicę ciśnień, właściwości cieczy i docelowe wartości niezawodności. Poniższa tabela porównuje główne kategorie pomp stosowanych w zakładach petrochemicznych.
| Typ pompy | Typowy zakres przepływu | Typowy zakres ciśnienia | Najlepsza aplikacja |
|---|---|---|---|
| Jednostopniowe odśrodkowe | 10 do 5 000 m3/h | Do 30 barów | Transfer produktu, woda chłodząca i ogólny proces |
| Wielostopniowe odśrodkowe | 10 do 1000 m3/h | Do 300 barów | Zasilanie kotła, zasilanie reaktora wysokociśnieniowego, rurociąg |
| Pompa zębata (wyporowa) | 0,1 do 200 m3/h | Do 25 barów | Lepki płyn do przenoszenia, olej smarowy, asfalt |
| Pompa tłokowa tłokowa | 0,1 do 50 m3/h | Do 700 barów | Wtrysk pod wysokim ciśnieniem, dozowanie chemii |
| Pompa śrubowa | 1 do 1000 m3/h | Do 40 barów | Załadunek ropy ciężkiej, bitumu, oleju opałowego |
Pompa odśrodkowa dla przemysłu petrochemicznego
The pompa odśrodkowa dla przemysłu petrochemicznego usługi serwisowe stanowią większość zainstalowanych zespołów pompowych w typowej rafinerii. Pompy odśrodkowe zapewniają ciągły przepływ, płynne obciążenie momentem obrotowym, łatwość sterowania za pomocą napędu o zmiennej częstotliwości (VFD) i stosunkowo niską częstotliwość konserwacji, jeśli są odpowiednio dobrane. Ich kluczowym ograniczeniem jest wrażliwość na dodatnią wysokość ssania netto (NPSH) — szczególnie w przypadku lotnych węglowodorów w pobliżu ich temperatury wrzenia. Marża NPSH wynosząca co najmniej 1,0 metr powyżej wymaganego NPSH to standardowe minimum, przy czym wielu licencjodawców określa współczynniki marży NPSH na poziomie 3 dB dla usług krytycznych.
Pozytywne opcje przemieszczenia
Pompy wyporowe są stosowane, gdy płyn jest zbyt lepki dla technologii odśrodkowej, gdy wymagane jest precyzyjne dozowanie lub gdy bardzo duże różnice ciśnień przekraczają praktyczny zakres konstrukcji odśrodkowych. Pompy zębate obsługują lepkości od 20 cSt do ponad 100 000 cSt. Pompy tłokowe tłokowe są standardowym wyborem przy wtryskiwaniu pod wysokim ciśnieniem do reaktorów pracujących pod ciśnieniem powyżej 100 barów.
Pompa do procesów petrochemicznych API 610 — wymagania standardowe
Norma Amerykańskiego Instytutu Naftowego API 610 to obowiązująca specyfikacja dotycząca pomp odśrodkowych stosowanych w przemyśle naftowym, petrochemicznym i gazowym. Zgodność z tą normą jest wymagana w większości projektów EPC na całym świecie. An Pompa procesowa petrochemiczna API 610 muszą spełniać wymagania wymiarowe, hydrauliczne, mechaniczne i testowe, które znacznie wykraczają poza ogólną praktykę pomp przemysłowych.
Kluczowe kryteria projektowe i konstrukcyjne API 610
- Minimalny ciągły stabilny przepływ (MCSF) musi zostać określony przez producenta i oznaczony na krzywej wydajności pompy.
- Preferowany obszar pracy (POR) definiuje się jako 70% do 120% przepływu BEP — przy wyborze pompy punkt znamionowy musi mieścić się w tym zakresie.
- W przypadku wirników o średnicach przekraczających próg wielkości określony w normie wymagana jest podwójna obudowa spiralna, aby zmniejszyć obciążenia łożysk promieniowych przy pracy niezgodnej z BEP.
- Obudowa łożyska musi umożliwiać smarowanie pierścienia olejowego, czystą mgłę olejową lub dostarczanie oleju pod ciśnieniem, zgodnie ze specyfikacją. Łożyska smarowane smarem stałym nie są dozwolone w większości zastosowań procesowych.
- Wymagana jest minimalna trwałość łożyska L10 wynosząca 25 000 godzin w warunkach znamionowych — obliczona zgodnie z normą ISO 281.
- Przed wysyłką obowiązkowa jest próba ciśnienia hydrostatycznego przy 1,5-krotności maksymalnego dopuszczalnego ciśnienia roboczego (MAWP).
Kody typów pomp zgodnie z API 610
API 610 definiuje znormalizowane kody typów, które opisują mechaniczną konfigurację pompy. Poniższa tabela podsumowuje najczęściej określane typy.
| Kod typu API 610 | Opis | Typowe zastosowanie |
|---|---|---|
| OH1 | Podwieszane, na łapach, jednostopniowe | Proces ogólny, ciśnienie od niskiego do średniego |
| OH2 | Podwieszane, montowane centralnie, jednostopniowe | Obsługa w wysokiej temperaturze powyżej 200 stopni C |
| BB1 | Międzyłożyskowe, jednostopniowe, dzielone osiowo | Strumienie procesowe o dużym przepływie i średnim ciśnieniu |
| BB2 | Międzyłożyskowe, jednostopniowe, dzielone promieniowo | Jednostopniowa obsługa pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze |
| BB5 | Międzyłożyskowe, wielostopniowe, dzielone promieniowo | Zasilanie kotła, zasilanie reaktora wysokociśnieniowego |
| VS1 | Pionowe, jednoobudowy, typu dyfuzorowego | Tankownia, studzienka, serwis wykopów |
Materiały do wysokotemperaturowych pomp petrochemicznych
Wysokotemperaturowe materiały pomp petrochemicznych muszą zachować wytrzymałość mechaniczną, być odporne na utlenianie i zachować stabilność wymiarową w zakresach temperatur roboczych, które często obejmują kilkaset stopni Celsjusza. Wybór materiału uwzględnia również korozję powodowaną przez płyn procesowy i wszelkie zawarte w nim zanieczyszczenia.
Wybór stopu obudowy i wirnika
Poniższa tabela przedstawia typowe warunki obsługi procesu dla odpowiedniego materiału obudowy i części zwilżanych. Wybór ten jest zgodny z praktyką branżową zgodną z wymaganiami dotyczącymi materiałów odpornych na korozję API 610 i NACE MR0103.
| Stan usługi | Materiał obudowy | Materiał wirnika | Standardowe odniesienie |
|---|---|---|---|
| Ogólne węglowodory, temp. otoczenia | Odlew ze stali węglowej (ASTM A216 WCB) | Odlew ze stali węglowej lub CF8M | API 610, klasa materiału stołu A |
| Wysoka temperatura powyżej 260 stopni C | Stal stopowa Cr-Mo (ASTM A217 WC6/WC9) | Cr-Mo lub 316 SS | API 610, klasa materiału stołu C |
| Usługa kwaśna (H2S) | Stal węglowa zgodnie z NACE MR0103 | Stal węglowa o kontrolowanej twardości | NACE MR0103 / ISO 17945 |
| Transfer kwasu siarkowego | Stop 20 (UNS N08020) | Stop 20 | ASTM B473 |
| Praca kriogeniczna poniżej -50 stopni C | Austenityczny SS (ASTM A351 CF8M) | Stal nierdzewna 316L | API 610, testowany na udarność w niskiej temperaturze |
Dobór uszczelnienia pompy petrochemicznej i uszczelnienia mechanicznego
Układ uszczelnienia wału jest najbardziej podatnym na awarie elementem ze wszystkich pompa do procesów petrochemicznych . Poprawne uszczelnienie pompy petrochemicznej i dobór uszczelnienia mechanicznego podlega normie API 682, która definiuje typy uszczelnień, układy i plany płukania dla usług niebezpiecznych i innych niż niebezpieczne.
Przegląd planów pieczęci API 682
API 682 określa plany rurociągów kontrolujących środowisko na powierzchniach uszczelnień. Poniższa tabela podsumowuje najczęściej używane plany i logikę ich stosowania.
| Plan API 682 | Funkcja | Typowa usługa |
|---|---|---|
| Plan 11 | Recyrkulacja od wylotu pompy do komory uszczelnienia | Czyste, nie migające węglowodory |
| Plan 23 | Chłodnica komory uszczelnienia z recyrkulacją pierścienia pompującego | Gorący serwis powyżej 80 stopni C; obniża temperaturę powierzchni uszczelnienia |
| Plan 32 | Zewnętrzny czysty płyn wtryskiwany do komory uszczelnienia | Brudne, ścierne lub polimeryzujące płyny |
| Plan 52 | Bezciśnieniowy płyn buforowy ze zbiornikiem na podwójne uszczelnienia | Płyny toksyczne lub łatwopalne wymagają dodatkowej ochrony |
| Plan 53A | Płyn barierowy pod ciśnieniem ze zbiornikiem na podwójne uszczelnienia | Wymóg zerowej emisji; płyny wysokiego ryzyka |
| Plan 72/75 | Uszczelnienie obudowy pracujące na sucho z zbieraniem wycieków | Płyn w fazie gazowej lub lotny po stronie atmosfery podwójnego uszczelnienia |
Konserwacja i niezawodność pomp do procesów petrochemicznych
Ustrukturyzowany program niezawodności skraca średni czas między awariami (MTBF) i obniża koszty cyklu życia. Konserwacja i niezawodność pomp do procesów petrochemicznych programy koncentrują się na monitorowaniu predykcyjnym, analizie przyczyn źródłowych i zdyscyplinowanych standardach napraw.
Strategie monitorowania stanu
- Analiza wibracji: Monitorowanie drgań online za pomocą czujników prędkości i przyspieszenia wykrywa niewyważenie wirnika, defekty łożysk i niestabilność hydrauliczną przed awarią. API 670 określa wymagania dotyczące oprzyrządowania do ciągłego monitorowania wibracji w pompach o znaczeniu krytycznym.
- Monitorowanie temperatury łożysk: Rezystancyjne czujniki temperatury (RTD) zainstalowane w obudowie łożyska ostrzegają operatorów o awarii smarowania lub przeciążeniu, zanim nastąpi zatarcie łożyska.
- Wykrywanie nieszczelności uszczelki: Podwójne uszczelnienia mechaniczne wyposażone w systemy Plan 52 lub 53A umożliwiają operatorom monitorowanie poziomu i ciśnienia płynu buforowego lub barierowego jako pośrednich wskaźników stanu uszczelnienia wewnętrznego.
- Trendy wydajnościowe: Regularne porównywanie rzeczywistych danych dotyczących przepływu i mocy z oryginalną krzywą pompy pozwala zidentyfikować wewnętrzne zużycie pierścieni ślizgowych i kanałów wirnika, zanim utrata wydajności stanie się poważna.
- Analiza oleju: Okresowa analiza spektrometryczna oleju w obudowie łożyska wykrywa cząstki metalu zużywalnego z bieżni i czopów łożyskowych, zapewniając wczesne ostrzeżenie o zbliżającej się awarii łożyska.
Zgodność i standardy branżowe
- API 610 (ISO 13709): Pompy odśrodkowe dla przemysłu naftowego, petrochemicznego i gazowniczego. Podstawowa specyfikacja dotycząca projektu pompy, materiałów, testów i dokumentacji.
- API 682 (ISO 21049): Pompy — Systemy uszczelnień wałów do pomp odśrodkowych i rotacyjnych. Reguluje typ uszczelnienia mechanicznego, rozmieszczenie i wybór planu spłukiwania.
- API 670: Systemy ochrony maszyn. Określa oprzyrządowanie do monitorowania wibracji, temperatury i prędkości dla krytycznego sprzętu obrotowego.
- NACE MR0103 / ISO 17945: Materiały metaliczne odporne na pękanie naprężeniowe siarczkowe w korozyjnych środowiskach rafinacji ropy naftowej. Obowiązkowe w przypadku podzespołów pompy o działaniu kwaśnym.
- ASME B73.1: Poziome pompy odśrodkowe z wlotem końcowym do procesów chemicznych – przeznaczone do ogólnych usług chemicznych innych niż API w zakładach petrochemicznych.
Często zadawane pytania
P1: Jaka jest różnica pomiędzy konfiguracjami pomp API 610 OH1 i OH2?
Zarówno OH1, jak i OH2 to jednostopniowe pompy odśrodkowe z zawieszeniem poprzecznym. Różnica polega na sposobie podparcia obudowy. Pompa OH1 jest montowana na łapach – obudowa osadzona jest na łapach przykręconych do płyty podstawy. Pompa OH2 jest montowana centralnie — obudowa jest podparta na linii środkowej za pomocą wsporników, co umożliwia pompie równomierne rozszerzanie termiczne w górę i w dół od linii środkowej wału. Zapobiega to niewspółosiowości wału na skutek wzrostu temperatury. Montaż OH2 jest wymagany przez normę API 610 w przypadku zastosowań, w których temperatura pompowanej cieczy przekracza około 200 stopni Celsjusza, ponieważ obudowy montowane na łapach w wysokiej temperaturze powodują niedopuszczalną niewspółosiowość wał-sprzęgło.
Pytanie 2: Jak obliczyć margines NPSH dla pompy na węglowodory lotne?
Dostępna dodatnia wysokość ssania netto (NPSHa) jest obliczana na podstawie ciśnienia w zbiorniku ssawnym, statycznego ciśnienia cieczy nad króćcem ssawnym pompy, strat tarcia w przewodzie ssącym i ciśnienia pary cieczy w temperaturze ssania. Wynik musi przekraczać wymagane dla pompy NPSH (NPSHr) — wzięte z krzywej wydajności producenta — o określony margines. API 610 wymaga, aby NPSHa przekraczała NPSHr o co najmniej 0 metrów w punkcie znamionowym, ale większość praktyk inżynieryjnych stosuje margines 3 dB (NPSHa równy lub większy niż 1,3 NPSHr) dla lekkich węglowodorów i substancji lotnych, aby zapobiec uszkodzeniom kawitacyjnym i niestabilności recyrkulacji ssania.
P3: Kiedy wymagane jest podwójne uszczelnienie mechaniczne zamiast pojedynczego?
API 682 klasyfikuje płyny według poziomu zagrożenia i właściwości fizycznych. Układ podwójnego uszczelnienia — albo bezciśnieniowy (Plan 52), albo pod ciśnieniem (Plan 53A) — jest wymagany, gdy pompowana ciecz jest sklasyfikowana jako toksyczna, rakotwórcza lub wysoce łatwopalna z normalną temperaturą wrzenia poniżej 0 stopni Celsjusza lub gdy lokalne przepisy dotyczące ochrony środowiska zabraniają jakiejkolwiek emisji cieczy procesowej do atmosfery. Pojedyncze uszczelnienia z odpowiednimi planami spłukiwania są dozwolone w przypadku usług o niższym ryzyku. Ostateczny wybór musi zostać potwierdzony na podstawie analizy HAZOP danego zakładu, lokalnych przepisów dotyczących emisji i wymagań licencjodawcy procesu.
P4: Co powoduje przedwczesną awarię uszczelnienia mechanicznego w pompach petrochemicznych?
Najczęstszymi przyczynami przedwczesnej awarii uszczelnienia w zastosowaniach petrochemicznych są: praca na sucho podczas rozruchu lub zakłócenia procesu, nieprawidłowy wybór planu płukania prowadzący do odparowania płynu lub zanieczyszczenia powierzchni uszczelniających, nadmierne wibracje wału spowodowane niestabilnością hydrauliczną, gdy pompa pracuje daleko od BEP, oraz szok termiczny wynikający z szybkich zmian temperatury. Każdy z tych trybów awarii powoduje odrębne wzorce zużycia powierzchni czołowej, które można zidentyfikować podczas demontażu po awarii. Prawidłowo przeprowadzona analiza pierwotnej przyczyny awarii (RCFA) w przypadku każdego zdarzenia awarii uszczelnienia jest najskuteczniejszym narzędziem pozwalającym skrócić ogólny średni czas uszczelnienia w obiekcie pomiędzy awariami.
Referencje
- Amerykański Instytut Naftowy. Norma API 610 / ISO 13709: Pompy odśrodkowe dla przemysłu naftowego, petrochemicznego i gazu ziemnego , wyd. 12. Waszyngton, DC: API, 2021.
- Amerykański Instytut Naftowy. Norma API 682 / ISO 21049: Pompy — Systemy uszczelniania wałów do pomp odśrodkowych i rotacyjnych , wyd. 4 Waszyngton, DC: API, 2014.
- Amerykański Instytut Naftowy. Norma API 670: Systemy ochrony maszyn , wyd. 5. Waszyngton, DC: API, 2014.
- Międzynarodowy NACE. NACE MR0103 / ISO 17945: Przemysł naftowy, petrochemiczny i gaz ziemny – Materiały metaliczne odporne na pękanie naprężeniowe siarczkowe w korozyjnych środowiskach rafinacji ropy naftowej . Houston, Teksas: NACE, 2015.
- Karassik, I.J. i in. Podręcznik pompy , wyd. 4 Nowy Jork: McGraw-Hill, 2008.
- Bloch, HP i Geitner, F.K. Praktyczne zarządzanie maszynami w zakładach produkcyjnych, tom 2: Analiza awarii maszyn i rozwiązywanie problemów , wyd. 4 Oksford: Elsevier, 2012.
