（化工过程机械专业论文）尿素装置机泵的风险分析.pdf

摘要 摘要 我国尿素企业众多，机泵作为尿素装置中的关键运转设备，一旦发生 事故则会产生严重的后果。在实际生产中，因机泵原因而造成的尿素装置 事故频繁发生，对机泵进行合理有效的风险分析并将分析结果用于指导装 置的检验和维修等方面，可以降低风险，提高装置的可靠性，提高尿素的 安全生产水平。 对尿素装置机泵的风险分析包括失效可能性分析和失效后果分析。首 先对尿素装置机泵设备进行失效分析，深入分析了c 0 2 压缩机和泵的失效 形式及失效原因。在此基础上，通过整合影响机泵失效的因素，对机泵进 行失效可能性分析，确定了影响其失效可能性的因素集，包括设计及选材、 制造及安装、运行历史、检修情况、管理水平，结合实际经验划分失效可 能性等级，进行了失效可能性的定性分析。 参考a p l 5 8 1 风险评价方法，分析了机泵的失效后果，确定了影响评价 失效后果的因素集，包括人员伤亡、财产损失、环境影响、其他损失。根 据国家相关政策和其他相关资料及经验，划分了失效后果等级。 采用模糊综合评价方法确定设备的失效可能性和失效后果等级，利用 风险矩阵确定了尿素装置机泵的风险等级，并举例说明应用方法，给出降 低机泵设备风险的措施。 编制了可视化的风险分析软件，该软件是尿素装置风险分析系统的重 要组成部分。此软件利用j a v a 语言进行编制，菜单层次清晰，内容全面， 人机界面友好，可操作性强，能适应一般企业技术人员的操作。 关键词尿素装置；风险分析；失效可能性；失效后果；压缩机；泵 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r ea r en u m e r o u su r e ae n t e r p r i s e si nc h i n a c o m p r e s s o r sa n dp u m p s a r et h ek e yo p e r a t i n ge q u i p m e n ti nau r e au n i t o n c ea na c c i d e n to c c u r si na c o m p r e s s o ro r ap u m p ，t h ec o n s e q u e n c ew o u l db es e r i o u s i nt h ea c t u a l p r o d u c t i o n ，t h eu r e au n i t a c c i d e n tw h i c hi sc a u s e db yc o m p r e s s o ro rp u m p o c c u r sf r e q u e n t l y i ft h er e a s o n a b l ea n de f f e c t i v er i s ka n a l y s i si sc a r r i e do n ， a n dt h er e s u l ti sa p p l i e dt og u i d et h ei n s p e c t i o na n dm a i n t e n a n c eo ft h e e q u i p m e n t ，t h er i s kw o u l db er e d u c e d ，t h er e l i a b i l i t yw o u l db ei m p r o v e d ，a n d t h el e v e lo fs a f e t yi np r o d u c t i o nw o u l db er a i s e d a n a l y s i so ff a i l u r ep r o b a b i l i t ya n df a i l u r ec o n s e q u e n c e i si n c l u d e di nr i s k a n a l y s i so fu r e au n i t f i r s to fa l l ，f a i l u r ea n a l y s i sw h i c h i n c l u d e sf a i l u r em o d e a n dr e a s o ni sc a r r i e do nt h ec o m p r e s s o r sa n dp u m p si nt h eu r e au n i t o nt h a t b a s i s ，t h ee f f e c tf a c t o r so ff a i l u r ea r eu t i l i z e dt od of a i l u r ep r o b a b i l i t ya n a l y s i s t h ef a c t o rs e tw h i c ha f f e c t st oe s t i m a t et h ef a i l u r ep r o b a b i l i t yi sd e t e r m i n e d ， w h i c hi n c l u d e sd e s i g na n dm a t e r i a ls e l e c t i o n ，m a n u f a c t u r i n ga n di n s t a l l a t i o n ， o p e r a t i o ns t a t u s ，i n s p e c t i o na n dr e p a i rh i s t o r y ，a n dm a n a g e m e n tl e v e l a c c o r d i n gt oa p l 5 81 ，t h ef a i l u r ec o n s e q u e n c ei sa n a l y z e d t h ef a c t o rs e t w h i c ha f f e c t st oe s t i m a t et h ef a i l u r ec o n s e q u e n c ei se s t a b l i s h e d a n d p e r s o n n e lc a s u a l t y ，p r o p e r t yl o s s ，e n v i r o n m e n t a li m p a c t ，r e p u t a t i o nl o s sa r e i n c l u d e di nt h es e t a c c o r d i n gt ot h eg r a d ed i v i s i o no ff a i l u r ec o n c e q u e n c e d e v e l o p e db yg e n e r a la d m i n i s t r a t i o no fq u a l i t ys u p e r v i s i o n ，i n s p e c t i o na n d q u a r a n t i n eo fp r c ，c o m b i n e dt h eo t h e rp e r t i n e n td a t aa n de x p e r i e n c e ，t h e f a i l u r ec o n s e q u e n c eg r a d ei sc o m p a r t m e n t a l i z e d f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n m e t h o di su s e dt o g e tt h eg r a d eo f f a i l u r ep r o b a b i l i t ya n dc o n s e q u e n c e i n t e g r a t i n gw i t hr i s km a t r i x ，t h er i s k g r a d eo fc o m p r e s s o r sa n dp u m p si nt h eu r e au n i tc a nb ec a l c u l a t e d t h e n ，a n e x a m p l et o i l l u s t r a t eh o wt ou s et h i sm e t h o da n dt h ep r o p e rm e a s u r e st o r e d u c et h er is ka r eg i v e n i i i 山东人学顾i 。学位论文 t h ev i s u a lr i s ka n a l y s i ss o f t w a r ei sd e s i g n e d ，w h i c hi sac o n s t i t u e n tp a r t o ft h er i s ka n a l y s i ss y s t e mo fu r e au n i t t h es o f t w a r ei sp r o g r a m m e di nj a v a l a n g u a g e i t h a ss o m em e r i t s ，i n c l u d i n gt h ev i v i dm e n ul a y e r ，t h e c o m p r e h e n s i v ec o n t e n t ，t h ef r i e n d l ym a n c o m p u t e ri n t e r f a c e ，a n dg o o d f e a s i b i l i t y ，s ot h a tt h es o f t w a r ec a na d a p tt h ec o m m o no p e r a t o r si nt h ep l a n t s k e y w o r d s ： u r e a u n i t ； r i s k a n a l y s i s ；f a i l u r ep r o b a b i l i t y ；f a i l u r e c o n s e q u e n c e ；c o m p r e s s o r ；p u m p i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担 本声明的法律责任。 论文作者签名：五舡 日 期：2 里芷止 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门与机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 论文作者签名：幽竭：导师签名：_ j 量诬日 期：止彩 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 1 1 1 研究背景 第1 章绪论 我国是农业大国，化肥产量多年居世界第一，尿素的消费需求仍将不 断增长。尿素是主要的氮肥来源，据2 0 0 1 年统计，尿素产量占氮肥总量 的6 2 1 1 1 1 。2 0 0 7 年，我国尿素企业约5 6 7 家，其中山东省大约有4 5 家。 机泵是尿素装置中的关键运转设备，设备规模大，价格昂贵，一旦发生事故 很容易造成人员伤亡，轻则造成装置停车，给企业带来经济损失，重则威 胁人民的生命安全。实际生产中，由机泵原因而造成的尿素装置事故屡见 不鲜。 以下是化肥企业发生的一些尿素装置机泵事故： ( 1 ) 1 9 9 4 年5 月2 6 日，河南省洛阳氮肥厂尿素车间高压氨泵阀杆突 然断裂，约5 2 吨氨外泄，1 名司机在附近装运氧化铁，撤离现场时氨中 毒，医治无效死亡，另有3 人严重中毒【2 j 。 ( 2 ) 1 9 9 5 年4 月1 1 日，四川省重庆永川化肥总厂尿素车间试车时， 1 号液氨泵的进口大阀阀体突然爆炸，致1 人中毒死亡，1 人被打成重伤， 2 人轻伤【3 j 。 ( 3 ) 19 9 6 年7 月9 日，平顶山化肥厂尿素装置在满负荷状态下正常 运行，l8 时5 0 分左右，高压泵房发生一起高压甲铵泵密封箱压帽断裂事 故。事故发生后，厂房内1 5 t 行车坠落在3 群甲铵泵电机和高压冲洗水泵上， 有两根水管被砸弯；行车主梁已弯曲，电机及控制系统报废【4 j 。 ( 4 ) 19 9 6 年7 月和10 月，鲁南化肥厂高压液氨泵缸头螺栓断裂，造 成大量液氨泄漏，系统被迫停车【5 1 。 ( 5 ) 19 9 8 年7 月15 日，河北省唐山玉田邦力总公司化肥厂尿素车间 一甲铵泵填料函漏，检修时喷液，3 名维修工人四处躲避。其中1 名工人 摔倒在风机旁，因轴流风机漏电触电身亡【6 1 。 ( 6 ) 1 9 9 9 年7 月1 5 日，黑龙江黑化集团有限公司尿素合成车间，4 1 0 撑 t h 东人7 ：坝i j 学1 口论文 压缩机入口分离器阻力大，停车检查。置换后打开入口，该厂生产部长助 理登上临时搭设的梯子到入口处，站在踏板上检查分离器滤网时，不慎坠 落地面( 高6 m ) ，送医院抢救无效死亡【7 1 。 ( 7 ) 19 9 9 年8 月5 日，诸城化肥6 万吨尿素工程的合成车间6 m d 压 缩工段发生剧烈爆炸，当场死亡3 人，重伤1 人( 8 小时后死亡) ，部分设 备被毁，造成直接经济损失2 3 7 万，其他经济损失4 6 2 万，间接损失无法 统计【8 1 。 ( 8 ) 2 0 0 6 年8 月1 4 日，江津市禾丰化工有限公司第四车间在停产1 个月后重新试机检验时，一台c 0 2 压缩机突然发生爆炸，一名女工重伤不 治身亡【9 1 。 对于机泵进行合理有效的风险分析并将分析结果用于指导设备的操 作、检查和建立预警方案等方面，可以提高机泵安全操作的可靠性，降低 风险，保证尿素装置的安全长周期运行，更好发挥出尿素装置在国计民生 中的重大作用。 本课题的课题来源为山东省科技发展计划项目：“化工与石油化工装置 风险评估与基于风险的检验技术研究”，项目编号2 0 0 6 g g 3 2 1 0 0 0 6 ，本课 题为该项目中的一部分。 1 1 2 研究意义 我国现行的检验方法为定期检验方法，在维修方面广泛采用定期预防 性维修的方式，即根据经验及机械系统的故障统计数据，规定每隔一段确 定的时间对机械系统进行一次计划性的维修，而在规定时间前发生的故 障，则进行事后维修。即不管机械系统的技术状况如何，到时就对机械系 统进行拆卸维修的方式【l0 1 。这些现行的检验及维修方法存在一定弊端，它 没有考虑设备的实际状态和风险分布。事故案例统计数据表明：8 0 左右 的事故经济损失是由2 0 左右的高风险设备造成的。也就是说相对高的概 率风险往往仅与较少数设备有关，所以，如果在没有任何区别的情况下进 行检修，可能对有些设备过检验，浪费了检验资源，而对有些设备则检验 不够，设备在运行过程中存在风险，导致事故的发生。所以通过对其进行 风险分析，综合考虑设备发生事故的可能性( 几率) 和事故造成的危害程 2 第l 币绪论 度( 经济损失) ，将设备划分成不同的风险等级，在保障安全生产、控制 风险的前提下，对高风险设备增加控制投入，进行重点检修，对低风险设 备减少控制投入，这是提高资源配置合理性的有效途径【i 。 因此对尿素装置机泵进行风险分析的主要意义在于：通过推广应用尿 素生产装置风险评估与基于风险检验的技术，大大提高尿素装置运行的可 靠性，降低企业检验频率和检验费用，延长装置生产周期，提高企业效益。 另一方面，基于风险的检验技术目前主要应用于大型的石油化工领 域，在尿素生产中尚未广泛开展此类研究，将风险分析方法应用于尿素装 置，对该方法的进一步研究及完善也有一定积极意义。同时，对于其他工 业装置中的机泵风险分析与研究具有一定借鉴和指导意义。 1 2 风险分析技术综述和研究现状 1 2 1 风险分析技术综述 危险是可能产生潜在损失的征兆，它是风险的前提，没有危险就无所 谓风险。风险是由危险事件出现的概率和危险所造成的后果严重程度及损 失大小两部分构成。 危险是客观存在的，且一般无法改变，而风险却是可变的，即人们可 以根据自己的意志，降低危险发生的概率，或改进防范措施，降低危险发 生后所造成的损失。 传统的定性风险评价方法有安全检查表法( s a f e t yc h e c kl i s t ，s c l ) 、 预先危险性分析法( p r e l i m i n a r yh a z a r da n a l y s i s ，p h a ) 、危险可操作性研 究( h a z a r da n do p e r a b i l i t ys t u d y ，h a z o p ) 、失效模式、后果与严重度分析 法( f a i l u r em o d e s ，e f f e c t sa n dc r i t i c a l i t ya n a l y s i s ，f m e c a ) 、模糊综合评 价法等。此类方法的优点是简单、易于掌握、便于操作，且评价过程和结 果直观，可以清楚地表达出来机泵的当前情况。其使用局限是评价结果不 能量化。 定量风险分析是风险分析的高级阶段，也可叫做概率风险评价。定量 风险分析一般是在定性风险分析的基础上进行的，它主要对定性分析中已 识别出的风险水平较高的故障类型进行详细地定量评价。故障树分析方法 3 山东人学硕i j 学位论文 ( f a u l tt r e ea n a l y s i s ，f t a ) 、事件树分析方法( e v e n tt r e ea n a l y s i s ，e t a ) 等都是这类方法。定量风险分析方法在评价的过程中有充足的理论依据， 结果准确可靠。它与定性风险技术的不同在于必须在大量的设计资料、施 工和竣工资料、运行资料的基础之上，建立完善的数据库管理系统，运用 确定性的和不确定性的方法来建立评估的数学模型，然后进行分析求解， 其结果的精确性将取决于原始数据的完整性、数学模型的精确性和分析方 法的合理性。这类方法要求数据准确、充分，但通常要消耗大量的人力和 物力。 鉴于定性风险评价方法本身具有的优点，且现阶段，受数据资料、人 力、物力等方面的限制，在本研究中，作者采用定性风险评价方法中的模 糊综合评价法，它是基于模糊集理论和最大隶属度原则对多因素系统的特 征进行总体评价的一种方法。这种方法应用范围广泛，是解决多因素复杂 问题行之有效的工具。 1 2 2 国内外研究现状 风险分析方法在2 0 世纪5 0 、6 0 年代最早应用于欧美核电厂的安全评 价中，随后逐步在石油化学工业、环境工业、航天工程、医疗卫生、交通 运输等领域得到大力推广和应用，并由有关部门编制成一系列指导性文 件、规范和标准。 欧美工业发达国家从2 0 世纪9 0 年代初开展基于风险检测技术 ( r i s k b a s e di n s p e c t i o n ，r b i ) 的研究。美国工程师协会a s m e ，从1 9 9 1 到l9 9 8 年先后出版了基于风险检测的指导性文件，如c t r d 2 0 1 ( 一般 性原理) 、c t r d 一2 0 2 ( l w r 轻水堆核电站r b l 分析方法) 【l2 1 、c r t d 一2 0 3 ( 燃煤燃油电厂r b l 分析方法) 1 3 】。美国石油协会( a p i ) 于19 9 3 年5 月发起组织了由a m o c o 、b p 、s h e l l 、e x x o n 等2 3 家世界知名石油化工企 业参加的风险检测实用方法的研究，并分别于2 0 0 0 年5 月和2 0 0 2 年5 月 颁布了a p l 5 8l 【1 4 1 和a p l 5 8 0 15 1 文件，与其他a p i 标准形成了一个完整的 r b i 系统。2 0 0 1 年欧洲成立了r i m a p 项目组，提出风险分析的蝴蝶结模 型( b o w t i em o d e l ) 1 1 6 】，开发了一套完整的基于风险的检验和维护方法及 相应的评价软件，形成了适合于欧洲法律的风险评价标准1 7 , 1 8 】。挪威船级 4 第1 审绪论 社( d n v 公司) 针对海上石油平台和海底管线提出了相应的风险评价规范 d n v - r p g 1 0 1 ，详细描述了海上设施的风险评价模型、方法和评价过程【19 1 。 据不完全统计统计，d n v 公司已为国际上的2 0 0 多家石油和化工企业开展 了r b i 项目，法国的b v 公司也为世界上近百套大小不等的在役炼油装置 开展了r b l 分析1 2 0 1 。 在亚洲，韩国、日本、马来西亚、新加坡等国家也开展了r b i 研究项 目。 在国内，戴树和教授 2 1 , 2 2 1 首次引入了风险分析的原理和方法，促进了风 险分析工作在国内的发展，并且承担了多项工程风险评价项目，如：石化 装置在役安全阀的风险分析 2 3 , 2 4 j ，加氢反应装置的风险控制与管理【2 5 捌】， 埋地管道的风险控南 j t 2 9 , 3 0 等。目前，我国很多企业和科研院所都在为企业 实施r b i 进行宝贵的探索。国内的天津石化、茂名石化、扬子石化、齐鲁 石化、镇海石化、大连西太平洋石化等也相继开展了r b i 工作，取得了一 定成效，认为采用r b i 方法对于石化企业保证承压设备安全运行，减少维 修费用有明显效果，值得大力推广3 1 1 。 可以说，r b i 是国际及国内对在役设备进行维护和检验管理的发展趋 势。在尿素装置中开展风险分析研究，并将风险结果应用于实际，必将有 利于提高尿素装置安全运行的可靠性。 1 2 3 风险分析与评估软件应用现状 随着风险分析技术的发展，国际上推出了几款基于风险检测的商用软 件，如美国石油学会( a p i ) 和挪威d n v 石油开采运输公司合作编制的 d n v 软件、法国船级社( b v ) 的r b e y e 软件、英国焊接技术协会( t w i ) 的r i s kw i s e 软件、美国a p t e c h 公司的r d m i p 软件、t i s c h u k 公司的 t - o c a 等。 在国内石化行业，茂名石化、天津石化、镇海石化和扬子石化等都先 后利用引进软件实施了r b i 的工作。在化肥行业，钱夏夷等【3 2 】采用d n v 的风险分析软件o r b i to n s h o r e 对某合成氨系统中的压力容器和压力管道进 行了风险评估。国内高校及企业也通过消化吸收国外标准与软件，努力开 发适合中国国情的软件，赵建平等【3 4 j 在消化吸收国外风险评价软件的基础 山东人学硕t ：学1 节论文 上开发了自己的风险分析软件r a n s y s ，但国内尚无适合我国国情的尿素 装置风险评价软件。 1 3 研究内容 在石化行业中，风险分析技术的研究与应用已取得了较大进展，但在 国内尚未获得广泛开展。针对尿素装置，还没有进行风险分析技术的研究 与应用实践，而我国尿素企业的现状又需要进行有效的风险管理，所以对 尿素装置机泵设备进行风险分析技术的探索具有一定的意义。 本课题对尿素装置机泵进行以下几项工作： ( 1 ) 对机泵进行失效分析，分析其失效模式及失效原因； ( 2 ) 进行机泵的失效可能性分析，划分失效可能性等级； ( 3 ) 参考a p l 5 8 1 风险评价方法，分析机泵的失效后果，并划分失效 后果等级； ( 4 ) 根据得出的失效可能性和失效后果等级，利用风险矩阵确定尿 素装置机泵的风险等级，并给出降低机泵风险的措施； ( 5 ) 编制可视化的风险分析软件。 6 第2 章尿素装冒机泵的失效分析 第2 章尿素装置机泵的失效分析 进行尿素装置机泵的风险分析首先要分析设备的失效原因。笔者将从机 泵及其零部件材料的组织和结构在失效时可能发生的变化，寻找失效机理， 分析其失效原因，这是在失效可能性预测工作中不可或缺的内容。 2 1 尿素生产及机泵装置简介 2 1 1 尿素生产 尿素，化学名称为脲或碳酰胺，结构式c o ( n h 2 ) 2 或n h 2 c o n h 2 ，分子 式c h 4 0 n 2 ，是重要的化学肥料。n h 3 和c 0 2 在高温( 1 4 0 ( 2 ，一般为1 8 0 - 1 9 0 ) 高压( l3 7 2 m p a ) 下反应合成尿素，其总反应式可以表示为： 2 n h 3 + c 0 2 寻圭( n h 2 ) 2 c o + h 2 0 + q 当代主要的尿素生产流程有水溶液全循环法、水溶液全循环改良c 法、 汽提法、中压联尿法等【3 5 】。但不管哪种流程，基本上是由三个阶段组成。 即合成工序：由n h 3 和c 0 2 反应生成尿素，c 0 2 转化率在5 0 7 5 范围； 循环工序：把未转化为尿素的n h 3 和c 0 2 从溶液中分离出来，并回收返回 合成工序；最终加工工序：把7 0 - 7 5 的尿素溶液经浓缩加工为固体产品。 现代尿素生产大体上可分为如图2 1 所示的几个互相连接的部分【3 6 】。 n h 3 c 0 2 尿素 图2 1 现代尿素生产工艺组成示意图 水溶液全循环法作为一种较为成熟的工艺，广泛应用于我国的小型尿素 7 l i j 东人学硕i j 学f 节论文 8 图2 2 传统水溶液全循环法生产尿素的工艺流程 第2 章尿素装霄机泵的失效分析 装置。笔者将以水溶液全循环法的尿素装置为基础，分析其机泵设备的风险 状况。水溶液全循环法的工艺流程如图2 2 所示。典型水溶液全循环法的机 泵设备情况如表2 1 所示，其中的机泵设备主要包括c 0 2 压缩机、液氨泵、 一甲泵( 高压甲铵泵) 、二甲泵、尿液泵、尿素熔融泵等。 表2 1 水溶液全循环法的机泵设备表3 5 】 序号设备名称型号数量 l c 0 2 压缩机 4 m 1 2 c 6 6 2 0 7 配电机 2 t k 8 0 0 18 l7 3 0 2 液氨泵 3 y a 2 02 3 一甲泵( 高压甲铵泵) 3 j a 4 12 2 22 4 冲洗水泵 3 c 1 2 5l 5 二甲泵 3 j a 1 8 4 - 5 5 1 92 6 氨水泵 3 j al 3 ，2 5l 7空压机l - 0 4 33 6 02 8 尿液泵 f 5 04 01 9 熔融泵 l n 6 5 4 0 2 5 02 1 0 蒸发冷凝液泵 l h 5 03 22 0 02 ll 尾吸泵 f 4 0 6 5l 1 2 解吸泵 f 4 0 6 52 1 3 循环水泵 l s l 5 01 2 52 5 02 1 4 蒸汽冷凝液泵2 y 2 g c - 6 2 2 1 2 尿素工业用压缩机 c 0 2 压缩机是尿素装置的关键运转设备，其任务是提高c 0 2 气体的压 力，送往尿素合成塔。因为尿素的合成压力在1 3 m p a 以上，所以用作c 0 2 压缩机的类型均为多段型往复式压缩机或多级型离心式压缩机1 3 引。在中小 型尿素企业中经常使用往复式压缩机，其外形如图2 3 所示。 c 0 2 气通常来自合成氨厂的脱碳装置，温度一般4 0 左右，压力一般为 0 0 1 3 0 0 2 m p a ( 表) 。进压缩机前，在总管先与氧气或空气混合，加氧是为了 防止合成、循环系统的设备腐蚀。 c 0 2 压缩机是五段( 或四段) 四列对称平衡型压缩机( 如4 m 1 2 6 6 2 10 、 4 d 1 2 5 5 2 2 0 、4 m 2 2 15 3 15 3 、4 m 3 2 15 3 2 1o 等) ，正常运行时开启多台机组， 且有多台备用机组。气体流程如图2 4 所示，原料c 0 2 气体经过液滴分离器 后通过压缩机组的一级入口缓冲器进入一级气缸，经过压缩，气体通过一级 出口缓冲器、一级冷却器、一级油水分离器后进入二级入口缓冲器，依次经 过各次压缩。五级出口气体经五级出口缓冲器之后高压气体去出口总管( 多 机并联运行) 或直接送至尿素合成系统( 单机运行) 【3 ”。 图2 - 3 往复式c 0 2 压缩机外形 圈2 - 4 往复式c 0 2 压缩气体流挫”“ l - - 级入口缓冲器：2 一一级气缸；3 一一级出口缓冲器；4 一一级冷却器：5 一一级油 水分离器；仁二级八口缓冲器；7 一级气缸：8 一一级出口缓冲器；9 一二级冷却器： 1 二级油水分离器；1 1 一三级入口缓冲器：】2 一三援气缸；1 3 一二绕出口缓冲器： 1 4 一三缎抟却器；1 5 一三级油水分离器：1 6 四级入口缓冲器；】7 一四级气缸；i8 一 四级出口缓冲器：1 9 一四级冷却器；2 0 一四级油水分离器；2 l 五级入口缓冲器； 2 2 一五级气缸：2 3 五级出口缓冲器 往复式压缩机是由驱动机( 电动机或蒸汽透平) 带动活塞在气缸中作往 复性运动，而把机械能转变为气体的压力能。图2 - 5 为c 0 2 压缩机的典型结 第2 币尿素装胃村l 泉的夫效分析 构示意图，其组成主要包括三个部分1 3 7 1 ： ( 1 ) 基本部分：包括机身、中体、曲轴、连杆、十字头等部件。其作 用是传递动力、连接基础与气缸部分。其中曲轴、连杆、十字头构成曲柄连 杆运动机构，活塞式压缩机借助于该运动机构，将原动机的回转运动转变成 活塞的往复直线运动，从而周期性地改变气缸工作容积，以实现气体的吸入、 压缩和排出过程。 ( 2 ) 气缸部分：包括气缸、气阀、活塞、活塞杆、填料、刮油器以及 安置在气缸上的排气量调节装置等部件。其作用是形成压缩容积和防止气体 泄漏。气缸和活塞是实现气体压缩的主要零部件，而气缸发热、异常振动、 开裂和活塞断裂事故，在活塞式压缩机工作中屡见不鲜。活塞环、气阀阀片 与弹簧和填料是易损件，而它们的寿命长短与可靠性将直接影响压缩机运行 的稳定性和运行周期。 ( 3 ) 辅助部分：包括冷却器、缓冲器、液气分离器、滤清器、安全阀、 油泵、注油器及各种管路系统，这些部件是保证压缩机正常运转所必需的。 其中缓冲器、中间冷却器、气液分离器的燃烧爆炸事故多为常见。 图2 - 5m 型对称平衡式c 0 2 压缩机结构示意图【3 6 1 2 1 3 尿素工业用泵 如前所述，尿素生产中关键工业泵有高压液氨泵、高压甲铵泵和熔融尿 素泵。 在各种尿素生产工艺流程中的高压氨泵和高压甲铵泵通常采用往复式 柱塞泵。所输送介质液氨和氨基甲酸铵性质是渗透性强及腐蚀性强，因此柱 塞密封填料使用寿命不长，泵体机械故障较多，并有流量脉动的缺点，因而 设备维修费用较高口”。其类型如表2 2 所示，外形图如图2 - 6 所示。 表2 - 2 尿素装置用泵的类型 用途氨泵甲铵泵冲洗水泵 举j 里塑篁查塞l 坠壅：皇蔓 坠茎! 兰塞壁葚 磊1 缸数三、五、七缸= - - 、五缸 j 三量一 土l 启动方式电机、汽轮机电机、汽轮机 i 电机 流量控制方式调速、旁路调速、旁路 i 旁路 介质液氨甲铵泵l 蒸汽冷凝液 幽2 - 6 往复式高压泵外形( 高压甲铵泵) 对于尿素装置用泵，简单介绍如下： ( 1 ) 高压液氨泵 可以采用立式或卧式往复泵，将原料液氨加压后送入合成塔，它是水溶 液全循环尿素生产流程关键设备之一。 液氨从液氨缓冲槽流下，通过过滤器( 或称缓冲缸) 进入液缸，当柱塞 自外向内运动时，液缸内造成局部低压，进口阀门由于受到进口管内液氨的 压力而打开，使液体充满液缸，当柱塞反向运行时，吸入阀门关闭，液氨被 加压而从出口阀门送出p ”。 ( 2 ) 高压甲铵泵 第2 辛尿素装胃 【泵的失效分析 甲铵泵作为尿素生产过程中的关键运转设备，作用是进行甲铵的加压和 输送，其运行状况的好坏对系统稳定至关重要【3 9 1 。它的运转情况和使用期 限对尿素生产影响很大，如果甲铵泵排量差，将直接导致一段吸收塔液位上 升、满液，氨冷器结晶堵塞，尿素合成塔因缺水导致h 2 0 c 0 2 比减小，尿 素生产率降低，加重中、低压系统的吸收负荷，系统必须减负荷甚至造成停 车。 甲铵泵是典型的容积泵，其工作原理是利用液体的不可压缩性，通过柱 塞的往复运动，实现液缸体压力和体积的变化，从而加压和输送甲铵液。 ( 3 ) 离心泵 尿素生产系统中有多台离心泵，离心泵的吸收和输出是均匀而连续的， 且压力十分稳定【38 1 。尿素生产系统中的离心泵主要有熔融尿素泵、氨水泵、 解析塔给料泵、碳铵液循环泵、蒸发冷凝液泵、尿素溶液泵等。 2 2 机泵的失效分析 2 2 1 机泵事故统计 对国内2 2 4 起重大压缩机事故原因进行统计分类可知，事故发生的原因 主要有以下几个方面【4 0 】： ( 1 ) 因设计不合理、制造缺陷而发生的事故7 9 起，占全部压缩机事故 的3 5 。 ( 2 ) 因操作( 误操作、违章操作) 、维护管理不善而发生的事故9 0 起， 占全部压缩机事故的4 0 。 ( 3 ) 因维修不良而发生的事故2 7 起，占全部压缩机事故的1 2 。 ( 4 ) 因其他原因( 包括电器事故、自然灾害等) 而发生的事故，占全 部压缩机事故的1 3 。 据国内外大型化肥厂运行的经验表明，因蒸汽透平与压缩机机组故障而 使整个工厂停产约占所有工厂停产事故的2 5 ，其中因设计不合理造成的事 故占1 0 1 5 ，因操作不当而造成的事故占1 3 1 5 。 对全国2 8 个省市化肥、化工和炼油企业的不完全统计，共发生重大泵 装置事故6 8 起( 其中泵本身事故3 3 起) ，占全国化工设备与机器重大事故 t 3 ljj 东人学硕f j 学位论文 的l3 ，发生重大泵事故l7 起。 泵装置重大事故主要指泵轴弯曲、泵轴扭断、烧坏断裂，轴承、轴瓦严 重磨损或烧坏，轴封严重泄漏，其他零部件损坏( 如靠背轮断、密封环损伤、 机身断裂、叶片折断和出口止逆阀断裂等) 和机泵电机烧坏而停产和由此而 引起的燃烧爆炸4 0 1 。 2 2 2c 0 2 压缩机的失效分析 c 0 2 压缩机发生的故障多种多样。其常见故障通常可以分为两大类：一 类是热力性能故障，另一类是机械动力性能故障。 热力性能故障模式是指压缩机在运转时，各级进、排气压力、温度、排 气量等热力性能指标达不到规定要求，这在压缩机工作中经常发生。事实上， 气量、压力、温度三者之间相互联系，其中一个不正常也必然会影响其它的 两个。它们影响压缩机的工作效率，发现问题后如不及时处理，有时会造成 严重的事故。热力性能故障的表现为排气量不足，气体压力不正常、进排气 温度超过指标，产生的原因主要是由于气阀、活塞环、填料密封、水冷器等 部件发生了故障1 4 。 机械动力性能故障一般表现为机械工作时的异常振动和响声，运动部件 过热等，产生该现象的原因主要是机器零部件的损坏、缺陷、松动等，如活 塞杆断裂，活塞填料密封磨损，活塞杆导向环磨损，轴承烧损，气缸破裂， 轴承不平衡、转轴不对中等【4 2 1 。 以下介绍一些典型的压缩机机械事故及其事故原因。 2 2 2 1 活塞杆断裂 活塞杆断裂多属于疲劳断裂，事故原因包括材料缺陷、制造缺陷、应力 集中、疲劳、检修质量差、操作不当等【4 0 1 。 ( 1 ) 材料缺陷活塞杆由于选材不合理、材料内部有原始缺陷，在使用 中可能发生断裂，因此设计选材时必须充分考虑材料强度及热处理性能。制 造前应对材料进行严格的检查，不应存在重皮、夹渣、夹层或金相组织改变 等原始缺陷，更不能有裂纹存在。材料的使用前必须做各种机械性能试验， 以保证达到设计要求： ( 2 ) 制造缺陷制造缺陷是指活塞杆的锻造、机加工、热处理、渗氮处 1 4 第2 辛尿素装霄机泵的灾效分析 理、磨削喷镀等一系列加工制造过程中，由于采用的工艺不合理或加工制造 粗劣等原因产生的缺陷。 机加工的缺陷，大多发生在螺纹加工和圆角过渡加工上。如螺纹加工精 度不够、根圆加工尖细、圆角过渡不平滑、粗糙度过高等。这些缺陷，在使 用过程中，就会产生应力集中而有可能发生断裂。活塞杆的断裂大多发生在 螺纹部位，因此在机力n - r - 的整个过程中，必须严格按设计要求进行，保证其 加工精度。 活塞杆在热处理和渗氮处理时，应采用合理工艺，严格控制热处理温度 及时间，确保渗氮层厚度。 活塞杆加工后应进行严格的磁粉或着色等无损探伤，不得有微裂纹存 在，还应进行必要的机械强度和硬度等试验，按规定出具出厂合格证及探伤、 试验等有关报告单。 ( 3 ) 疲劳断裂活塞杆是受交变载荷作用的运动部件，因此极易在应力 集中的部位产生疲劳断裂。活塞杆使用时间长、超期服役、滑道与气缸对中 性不好、活塞杆弯曲等，促使活塞杆在弯曲交变的应力下运行，使活塞杆产 生疲劳而发生断裂，这是产生疲劳断裂的原因。需要说明的是，造成中心偏 差的原因有制造问题、安装误差、设备磨损等。而这些情况在实际检修中很 可能被忽视。为了使活塞杆不致疲劳断裂，应根据其制造、使用情况制定出 其使用周期及报废标准。超过使用期，达到报废标准的活塞杆不得继续使用。 在每个大、中修中都应对活塞杆进行无损探伤检查，发现有超标缺陷未经处 理不得继续使用。 2 2 2 2 气缸开裂 大多发生在低、中压的铸造缸体或中高压缸的缸套上，而且以发生在高 压缸上为最多。开裂的部位主要是缸体或缸套进排气阀的阀腔腔底、连接螺 栓孔的周围【4 0 1 。 从大量气缸开裂的主要原因分析可知，因设计不合理造成的事故最多， 设计不合理主要有：高压缸阀腔、阀底等部分，因目前尚没有成熟的计算公 式，无法进行强度计算，仅凭经验选取；高压缸气腔与阀腔大多设计成垂直 正交的两孔腔：缸头体孔腔内壁厚度通常是按承受内压厚壁筒进行设计的， 易造成应力集中严重等设计缺陷。 山东人等：硕i j 学位论文 2 2 2 3 连杆断裂或变形 连杆运动状态复杂，是压缩机承受交变应力最大的部件。因此，连杆断 裂和变形是压缩机的多发事故之一。事故发生后，将使十字头受到损坏，并 有可能撞坏曲轴箱，造成严重事故。发生事故的原因有设计与制造缺陷、操 作与检修失误、疲劳断裂等1 4 0 1 。 ( 1 ) 设计与制造缺陷连杆设计缺陷有结构设计不合理、强度计算差错、 材料选用不合理。如连杆小头轴颈太细，过度圆弧太小，易产生应力集中； 材质内部存在砂眼、裂纹等缺陷，铸造或锻造质量差，机加工精度低。 ( 2 ) 疲劳断裂连杆在交变应力作用下，极易在应力集中部位产生微裂 纹或晶间裂纹，随着运行时间的增长，裂纹逐渐扩展，以至造成疲劳断裂。 安装检修时，预紧力过大，使连杆螺栓产生裂纹并在运行中扩展、断裂； 连杆螺栓运行中脱扣或松动而造成撞缸，使连杆受很大的弯曲应力作用而折 断或弯曲；检修中连杆小头瓦与十字头销调整间隙小，造成抱轴而拉断连杆； 锁紧十字头的开口销折断、卡环脱扣，运行时十字头销滑出，也会造成连杆 断裂或撞弯。 压缩机运行中，传动系统的润滑油油质低劣，油温高或突然断油，使得 连杆、小头轴瓦( 或十字头销) 、十字头滑板润滑情况极其恶劣，由于产生 很大的摩擦力，在较大应力的作用下使连杆拉长、弯曲或折断，或气缸带入 油水而发生水击，都可能会引起撞缸而使连杆折断或弯曲。 2 2 2 4 曲轴断裂 曲轴移位和曲轴断裂是压缩机常见的事故。事故发生时，往往伴随有燃 烧爆炸事故，促使事态扩大、蔓延，其危险性严重，给恢复生产带来较大难 度。 曲轴断裂的部位多发生在曲轴颈与主轴颈相连接的曲柄臂、曲柄颈和主 轴颈上。曲柄移位、曲轴产生裂纹、断裂的主要原因如下： ( 1 ) 设计时因选材、设计计算错误，材料内部存在砂眼、夹渣、夹层、 材质分布不均和微裂纹；制造质量存在缺陷：特别是在红装( 或热套) 过程 中，因红装表面的应力分布不均，造成局部表面应力大于材料的屈服应力而 发生红装咬蚀疲劳断裂。 ( 2 ) 曲柄在高转速、振动大、交变载荷作用下长期运行，因曲柄几何 1 6 第2 币尿襄装胃 ：il 泉的失放分斩 形状突出处、曲轴经修磨后过渡圆角留得太小，产生了高度应力集中现象， 从而导致过早疲劳断裂。 ( 3 ) 曲轴长期运转或超期服役、主轴颈磨损严重、椭圆度及圆锥度过 大、超负荷运行等，都有可能导致曲轴疲劳断裂。 ( 4 ) 操作中主轴承断油或因浇铸质量不好而造成巴氏合金熔化、脱落、 中间滑块托座止口碎裂、油系统中混入异物、轴承夹损坏、因强烈振动平衡 铁脱落或受到强烈冲击以及紧急刹车等都会引起曲轴移位或断裂。 2 2 2 5 气阀损坏 气阀阀片是压缩机关键零件且为易损件，故障表现为气阀磨损、断裂或 弹簧失效，原因有： ( 1 ) 密封面磨损，升程大。 ( 2 ) 阀导面磨损引起阀片工作异常。 ( 3 ) 弹簧弹力匹配不合理。 ( 4 ) 吸入杂物或混入冷凝水而腐蚀。 2 2 2 6 螺栓断裂 压缩机运行中因承受很大的交变应力，极易引起连杆螺栓的疲劳断裂。 连杆螺栓的损坏将会造成连杆脱落而撞弯、折断以及机身破裂等一系列重大 事故。 连杆螺栓断裂是常见的压缩机事故之一，其主要原因如下： ( 1 ) 连杆螺栓的结构设计不合理，几何尺寸和制造精度不符合图纸要 求；外表面有刻痕、刮伤、裂纹、毛刺或敲击痕迹以及材质低劣等原因，都 可能会导致连杆螺栓疲劳断裂。 ( 2 ) 安装检修时，违反安装检修规程，将连杆螺栓、螺帽拧得太紧或 紧固时产生偏斜，使连杆头部的支承面和螺栓的接触面接触不均匀，连杆螺 栓承受过大的预紧力和不均匀的载荷而被拉断。 ( 3 ) 运行时，螺帽、连杆螺栓松动或者脱落而产生敲击、撞击，致使 连杆螺栓在承受过大的应力下折断。 ( 4 ) 连杆大头轴承过热，运行时连杆螺栓受热膨胀而拉长，从而破坏 连杆大头瓦j 下常的径向间隙而松动，引起敲击、振动，以至拉断连杆螺栓。 ( 5 ) 压缩机排气压力过高，超负荷运行。 1 7 山东人学硕i j 等：1 移论丈 ( 6 ) 轴承间隙过大，发生冲击振动。 2 2 2 7 机身断裂 造成压缩机机身断裂的主要原因是： ( 1 ) 压缩机启动时，活塞在气缸内突然卡死，或气缸内高压气体冲击 而致使机身断裂。 ( 2 ) 压缩机运行中，平