无轴封湿式定子锅炉循环泵热态无法启动：原因排查及改造路径

在恒力石化 30 万吨硝酸装置中，无轴封湿式定子锅炉循环泵作为保障锅炉系统稳定运行的核心设备，承担着维持工质循环、确保热量传递顺畅的关键任务。在硝酸生产过程中，锅炉系统需持续稳定运行以满足生产需求，而循环泵在热态下的可靠启动是其稳定运行的重要前提。然而，实际运行中该泵热态无法启动的问题频繁出现，严重影响了硝酸装置的生产效率，增加了生产成本与安全风险。深入研究并解决这一问题，对提升恒力石化硝酸装置运行可靠性、保障生产连续性具有重要意义。

一、无轴封湿式定子锅炉循环泵热态无法启动的原因排查

（一）电气系统故障

硝酸装置运行时，其内部环境堪称电气系统的 “腐蚀温床”。高温与腐蚀性气体的双重侵蚀，让循环泵电气系统面临严峻考验。电机绕组绝缘材料首当其冲，在这种恶劣环境下，绝缘材料的分子结构像被高温 “烘烤”、被腐蚀气体 “啃噬” 一般，逐渐分崩离析。原本紧密有序的分子排列变得杂乱无章，绝缘性能也随之大幅下降，短路、断路故障的风险呈指数级增长。

控制柜内的接触器、继电器等关键电器元件，同样深陷 “困境”。持续的发热使得它们像被放在火上炙烤，接触电阻不断增大。这就好比电路中的 “关卡” 被堵塞，电流通过时变得艰难险阻，接触效果大打折扣。如此一来，循环泵电机启动时所需的充足电力供应严重不足，就像汽车发动机没有足够的燃油，难以正常运转。

在实际生产中，这类故障频繁出现，给生产带来诸多困扰。就拿夏季高温期间来说，装置内部温度常常飙升，对循环泵电气系统的破坏尤为严重。曾经有一台循环泵，在这样的恶劣环境下运行一段时间后，电机绕组绝缘层不堪重负，出现了细微裂纹。这些看似不起眼的裂纹，就像电路中的 “定时炸弹”，最终引发了局部短路。电机瞬间失去动力，无法启动。与此同时，控制柜内的接触器触点也未能幸免，腐蚀和发热让它们面目全非。表面严重腐蚀，金属氧化程度明显，原本良好的导电性能大幅下降。启动循环泵时，由于接触电阻过大，无法提供足够的电流，电机启动只能以失败告终。

这种电气故障的影响远不止循环泵本身无法启动这么简单。它如同多米诺骨牌的第一张，一旦倒下，就会引发连锁反应，冲击整个装置的电力供应系统。想象一下，整个装置就像一个庞大的机器，各个设备紧密相连，而电力供应系统则是维持这台机器运转的 “心脏”。当循环泵的电气故障发生时，可能会导致电流瞬间波动，影响其他设备的正常供电。其他设备在这种不稳定的电力环境下运行，就像在崎岖的道路上行驶的汽车，容易出现各种故障，进而影响整个生产流程的连续性和稳定性。

（二）机械部件问题

在恒力石化的运行工况下，热胀冷缩现象就像一把 “双刃剑”，对循环泵机械部件产生了显著影响。虽然该泵为屏蔽泵，没有传统的联轴器，但泵体与电机作为一个紧密相连的整体，内部部件在热态下的膨胀差异依然引发了一系列棘手的问题。

在实际运行中，叶轮磨损问题尤为突出。比如，在某段高负荷生产时期，为满足生产需求，循环泵长时间不间断运行。在工质的持续冲刷下，叶轮的叶片边缘逐渐被磨薄、磨损，表面变得坑坑洼洼。在热态启动时，这些磨损严重的叶轮无法像正常叶轮那样有效地将电机的动力转化为工质的动能，使得泵启动困难重重。有时即便勉强启动，也无法达到正常的流量和压力，影响生产效率。

（三）工质特性变化影响

虽然循环泵输送的介质为脱盐水，从理论上来说不存在腐蚀问题，但实际情况并非如此简单。脱盐水中可能会含有少量杂质，这些杂质在热态下就像活跃的 “小颗粒”，容易沉淀聚集。当它们聚集在泵的流道中时，就像道路上的障碍物，堵塞了工质的流动通道。现场多次出现因流道堵塞，循环泵启动时电机需克服巨大阻力的情况。电机就像一个疲惫的运动员，即便使出浑身解数，也难以带动泵运转，最终导致启动失败。

此外，脱盐水中若含有溶解气体，在热态下就如同隐藏的 “定时炸弹”，可能形成气蚀现象。当温度升高时，溶解气体从脱盐水中逸出形成气泡。这些气泡随着工质流动进入泵内的高压区域时，会迅速破裂产生强大的冲击力。这种冲击力就像微小的 “炮弹”，不断撞击泵的部件，对叶轮、泵体等造成损坏。长期受到气蚀影响，泵部件的表面会变得凹凸不平，性能下降。在循环泵启动时，受损的部件无法正常工作，进而影响泵的启动。

例如，在一次夏季高温生产期间，由于工质温度升高，黏度降低，内泄漏明显增加。循环泵启动时，压力差始终无法达到正常水平，工质循环不畅，导致启动失败。装置停车检修时发现，泵的流道内有杂质沉淀，这些杂质在热态下聚集，堵塞了流道，大大增加了泵启动的阻力。同时，检查叶轮时发现，叶轮表面有许多因气蚀造成的小孔和凹坑，这也是导致泵启动困难的重要原因之一。当脱盐水中溶解气体含量较高时，气蚀现象更加严重，对泵的损害更大，严重影响了循环泵的正常启动和运行。此外，仿真计算表明，原采用 316L 不锈钢制造的前轴套在温升至310℃时，其轴向热膨胀量接近 0.96mm ，超过轴承设计的允许间隙，导致轴承工作状态由“间隙配合”转为“过盈配合”，进而引发轴承卡滞、转子抱死现象。这是热态启动失败的关键诱因之一。

二、热态无法启动的改造路径

（一）优化电气系统

针对恒力石化实际情况，选用聚酰亚胺薄膜等耐高温且抗腐蚀的绝缘材料升级电机绕组。在改造过程中，为电机绕组包裹多层聚酰亚胺薄膜，并强化绝缘处理工艺，有效降低短路、断路故障发生概率。定期全面检查与更换控制柜内电器元件，选用抗腐蚀、散热性能良好的新型元件。在控制柜内安装高效散热风扇和空调，确保电器元件工作温度适宜。安装空调后，控制柜内温度稳定在合理范围，电器元件接触不良问题减少约 70% 。完善电气控制系统保护功能，增加过流、过热、漏电保护装置，并与监控系统相连。一旦检测到异常，立即发出警报并采取相应措施，如切断电路或降低电机负载，为循环泵热态启动提供可靠电气保障。

在实际改造中，聚酰亚胺薄膜的应用显著提升了电机绕组的绝缘性能。这种材料耐高温性能优异，能在高温环境下长期保持稳定的电气性能。包裹电机绕组时，采用多层缠绕方式，严格控制缠绕紧密度和均匀度，确保绝缘层完整可靠。同时，加强绝缘处理工艺，对绕组端部和接头处进行特殊绝缘处理，进一步提高绝缘性能。在控制柜改造方面，选用的新型接触器和继电器，采用先进材料和制造工艺，抗腐蚀和散热性能良好。如新型接触器触点采用银合金材料，接触电阻低、抗电弧能力强，有效减少触点氧化和磨损。安装散热风扇和空调后，控制柜内温度得到有效控制，保障了电器元件的正常运行。完善的电气控制系统保护功能，为循环泵安全运行提供了双重保障，有效降低了电气故障对循环泵热态启动的影响。

（二）改进机械部件设计与维护

虽然该泵无联轴器，但需重点关注叶轮和轴承。定期对叶轮进行检查，利用超声波探伤等无损检测技术，结合实际运行中叶轮的常见损坏部位，重点检测叶片边缘和根部。对于磨损严重的叶轮，采用更耐磨的材料进行更换。加强轴承的润滑管理，选用耐高温、抗杂质且具有清洁功能的润滑脂，根据实际运行情况缩短润滑脂加注周期。安装高精度的轴承温度监测装置，实时监测轴承温度，一旦温度异常升高，立即进行处理，避免轴承抱死。

在实际操作中，定期利用超声波探伤技术对叶轮进行检测，能及时发现内部微小裂纹和缺陷。对于磨损严重的叶轮，选用特殊合金材料进行更换，这种材料硬度高、耐磨性好，有效延长了叶轮的使用寿命。

（三）适应工质特性变化

根据硝酸装置中脱盐水的特性，调整泵的结构参数。针对工质黏度降低的情况，优化叶轮设计，如增加叶片厚度、优化叶片角度，提高泵对低黏度工质的输送能力。同时，改进泵体内部流道设计，使工质流动更加顺畅，减少内泄漏。在泵的入口处安装过滤器，定期清理过滤器，防止脱盐水中的杂质堵塞泵的流道。过滤器采用多层滤网结构，根据杂质大小和性质，选择合适的滤网孔径。对于可能存在的气蚀问题，在泵的设计上增加防气蚀措施。采用双吸叶轮，降低泵入口处的压力，减少气泡的产生。设置诱导轮，提高泵的抗气蚀性能。同时，优化工质的工艺流程，合理控制工质的温度、压力等参数，减少工质特性变化对循环泵热态启动的不利影响。例如，通过优化冷却系统，控制工质温度在适宜范围内，降低气蚀现象的发生概率，保障循环泵热态启动的顺利进行。

在实际改造中，通过优化叶轮设计和泵体流道，有效提高了泵对低黏度脱盐水的输送能力。增加叶片厚度和优化叶片角度后，泵的输出流量和压力得到提升，内泄漏明显减少。安装多层滤网结构的过滤器后，有效拦截了脱盐水中的杂质，定期清理过滤器保持了其过滤效果，防止流道堵塞。采用双吸叶轮和诱导轮后，泵的抗气蚀性能显著提高。优化冷却系统，将工质温度控制在合理范围内，减少了气蚀现象的发生，保障了循环泵的稳定运行和热态启动的成功率。

（四）针对性改造措施

第一次改造聚焦电气系统。对电机绕组进行绝缘升级，更换为聚酰亚胺薄膜绝缘材料，同时对控制柜内部分易损坏的电器元件进行更换。改造后，电机绕组短路故障明显减少，但仍存在因电器元件接触不良导致的启动问题。

第二次改造重点改进机械部件。对叶轮进行全面检查，利用无损检测技术精准定位潜在问题，对磨损严重的叶轮采用特殊合金材料进行更换。此次改造后，叶轮磨损导致的启动问题有所改善，但仍受工质特性变化影响。

第三次改造针对工质特性变化。调整泵的结构参数，优化叶轮设计和泵体流道，安装多层滤网结构的过滤器，并增加防气蚀措施。经过这次改造，内泄漏和流道堵塞问题得到缓解，调整过滤器的滤网结构，提高过滤精度。优化防气蚀措施的参数，提高泵的抗气蚀性能，但热态情况下仍无法正常启动。

第四次改造是对前三次改造的优化与完善。改进机械部件的材料和设计，采用更耐磨的材料制造叶轮和轴承。循环泵热态无法启动的问题得到有效控制，启动成功率从原来的不足 50% 提高到 90% 以上，保障了硝酸装置的稳定运行。

在第一次改造中，技术人员严格按照工艺要求对电机绕组进行绝缘升级，更换绝缘材料的同时，对绕组的各个连接部位进行仔细检查和处理，确保绝缘性能达到最佳状态。更换控制柜内电器元件时，选用质量可靠、性能稳定的产品，并对新元件进行严格测试。但由于部分电器元件的接触点在高温和振动环境下仍会出现松动，导致接触不良问题依然存在。

第二次改造时，利用先进的无损检测设备对叶轮进行全面检测，确保发现所有潜在问题。更换叶轮时，选用的特殊合金材料经过严格筛选和测试，具有良好的耐磨性和耐冲刷性。但在实际运行中发现，工质特性变化对叶轮和轴承的影响仍不可忽视。

第三次改造中，通过多次模拟和实验，确定了优化后的叶轮设计和泵体流道参数。安装多层滤网结构的过滤器时，根据脱盐水中杂质的实际情况，合理选择滤网孔径和层数。增加防气蚀措施后，气蚀现象得到一定程度的抑制，但在极端工况下仍会出现。

第四次改造对电气系统保护功能进行优化，增加了故障预警功能，能够提前发现潜在电气问题。在机械部件方面，进一步改进叶轮和轴承的材料和设计，提高其抗磨损和抗疲劳性能。调整过滤器滤网结构，增加了滤网的强度和过滤精度。优化防气蚀措施参数后，泵在各种工况下的抗气蚀性能都得到显著提升，但不能解决循环泵热态无法启动的问题。

第五次改造：聚焦轴套热膨胀控制

通过热力学仿真分析发现，316L 轴套在 310^∘C 时的膨胀量将导致轴承间隙收缩至负值，因此第五次改造重点聚焦在轴套材料和轴系热结构的优化上。具体措施如下：

更换轴套材质：将原 316L（热膨胀系数 ）更换为1Cr17Ni2 马氏体不锈钢（热膨胀系数 10.5×100^-6/^∘C ），显著降低轴套热胀量。

优化热路径设计：在前轴段开设轴向和径向通道，用以分流部分高温介质，降低轴承处局部温度。

结构微调：轴套与轴承之间预留最小安全间隙 0.2mm ，并将前轴承位直径缩小 25mm ，以提高热态适应性，同时将前轴承位置后移，用来降低温度对热膨胀的影响。

实施效果显示，改造后的循环泵可在 310^∘C 高温工况下实现稳定启动，电机启动电流下降 15% ，启动时间缩短约 3 秒，热态启动成功率提升至 100% 。

（五）与海伍德同类型立式泵对比

海伍德同类型立式泵在设计上具有独特优势。其电机与泵体的垂直布局，使热胀冷缩时两者的位移方向较为一致，同心度更易保持稳定。叶轮设计和安装位置使其在应对工质冲刷方面性能出色。而且，立式泵的轴承采用特殊的润滑和冷却系统，能有效避免热态下润滑不良和抱死的问题。相比之下，恒力石化的卧式循环泵在这些方面存在一定劣势，这也是导致其热态启动问题更为突出的原因之一。通过对比，为恒力石化卧式循环泵的进一步优化提供了参考方向，如可借鉴立式泵在叶轮设计、轴承润滑等方面的经验，对卧式泵进行改进。

海伍德立式泵采用电机在上、泵体在下的垂直布局，热胀冷缩时重心位移对同心度影响较小。例如，在热态运行时，即使电机和泵体材料的膨胀系数略有差异，但同心度偏差远小于卧式泵。在恒力石化的卧式泵中，电机与泵体水平连接，热胀冷缩时两者的膨胀差异更容易造成内部部件的相对位移，影响泵的正常运行。

在叶轮设计方面，海伍德立式泵的叶轮采用特殊的扭曲形状，安装角度经过精心设计，使工质进入叶轮时分布更均匀，减少局部冲刷。同时，叶轮位置较高，工质进入叶轮前有缓冲空间，降低了高速工质的冲击。而恒力石化的卧式泵叶轮，在长