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乙烯深冷泵國產化應用

文檔作者：王儉革文檔來源：中國石化中原石油化工有限責任公司		更新日期： 2026年05月13日	點擊數：
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上一篇：油氣管道封堵搶修技術發展現狀與展望

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?????????????????????? 收稿日期:２０２０Ｇ０３Ｇ２０.
作者簡介:王儉革,１９９１年畢業于撫順石油學院(現遼寧石
油化工大學)機械系,學士,長期從事設備管理與工程管理工
作,現任中原石油化工有限責任公司項目籌備組組長,高級工
程師.
Email:e－wjg＠１２６．com.
乙烯深冷泵國產化應用
王儉革
(中國石化中原石油化工有限責任公司,河南濮陽４５７０００)
　　摘　要:由中原某設計院和制造商共同研制了一種適用于輸送乙烯、乙烷等深冷介質的立式筒袋泵.該
泵于２０１７年一次開車成功,穩定運行至今,各項指標符合規范要求.相比進口設備,該泵不僅節約了２００多
萬的投資,同時為深冷泵國產化積累了寶貴的經驗.文章記述了乙烯深冷泵的設計制造、現場安裝、試車等
全過程.
關鍵詞:乙烯　深冷　國產化　立式泵
doi:１０．３９６９/j．issn．１００６－８８０５．２０２０．０３．０１４
１　乙烯深冷泵行業現狀
１．１　乙烯裂解裝置深冷泵行業現狀
石油化工行業是國民經濟支柱行業之一.乙
烯是石油化工的基礎產品.它的產量和生產技術
代表著一個國家石油化工的發展水平.乙烯裂解
裝置是將石油烴進行高溫裂解,生產出高純度乙
烯、丙烯的裝置.石油烴類經過高溫裂解后,得到
的氣體混合物組分比較復雜.這就需要把乙烯、
丙烯從氣體混合物中分離出來.目前,世界上主
流的分離工藝是深冷分離方法.
所謂深冷分離,就是利用氣體混合物中各組
分的沸點差異,用低溫蒸餾法將各組分逐一分離.
這種分離流程中的最低操作溫度接近－１８０ ℃,
故稱之為深冷分離技術.該技術是目前乙烯工業
中使用最為廣泛的分離技術.其優點是:物料處
理量大,能量利用合理,分離效果好,乙烯、丙烯產
品純度可達９９．９％以上.深冷分離技術經濟指標
先進,適用于大型乙烯生產工廠.
在深冷分離過程中,乙烯、乙烷等深冷液體的
循環及增壓均需要深冷泵完成.目前國內的乙烯
裂解裝置中,乙烯深冷泵均為國外進口設備,國產
化率幾乎為零.近幾年以來,國內液態乙烯單體
需求旺盛,中石化新建了幾套乙烯單體裝車裝置
以滿足市場需求.乙烯單體裝車裝置采用制冷技
術將高壓液體乙烯(１７．６×１０５ Pa、－３３ ℃)轉化
為常壓、低溫液態乙烯(－１０４℃),以便于公路運
輸,其產品輸送泵與乙烯深冷分離裝置中的乙烯
深冷泵工況相似【１】.
１．２　乙烯單體外賣裝置乙烯深冷泵
中國石化中原石油化工有限責任公司(簡稱
中原石化)是中國石化下屬子公司,其乙烯產能為
３２萬t、丙烯產能１６萬t.因市場對乙烯單體需
求旺盛且經濟效益好,中原石化決定新建１ 套
１０萬t/a乙烯單體外賣裝置.該裝置包括１座
１５００m３ 低溫乙烯儲罐、１套乙烯泡點氣壓縮機
組、１套丙烯制冷壓縮機組、２臺乙烯深冷泵和
２套裝車撬等.
根據項目情況,該裝置核心設備決定采用國
產化產品.乙烯深冷泵就是該裝置核心設備之
一.該類泵國產化應用在國內尚屬于首次.
２　乙烯深冷泵參數及設計難點
乙烯深冷泵數據見表１.
表１　乙烯深冷泵數據
項目參數
介質乙烯液體
溫度/℃ －１０４
揚程/m ８８
流量/(m３??h－１) ４９．１
有效汽蝕余量/m ２．２
動設備　　　　石油化工設備技術,２０２０,４１(３)??６２??
PetroＧChemicalEquipmentTechnology
　　由于乙烯液體具有超低溫、潤滑性差、易汽化
等特點,在泵的低溫結構設計、機械密封選型、摩
擦副防抱死、潤滑油防凍等方面均面臨諸多技術
難題.
３　乙烯深冷泵設計
３．１　乙烯深冷泵定型結構及泵的設計參數
經設計院、用戶、制造廠幾次會議研討,最終
確定了該泵的總體結構采用立式多級離心泵.總
體結構確定后,采用CFD、SOLIDWORKS、
ANSYS等軟件進行了流體力學計算、三維模擬仿
真及有限元分析校核.由于物料深低溫,因此,對
導向軸承、密封環等摩擦副部位進行了低溫設計.
乙烯深冷泵定型結構見圖１.泵的設計參數
見表２.
圖１　乙烯深冷泵定型結構示意
表２　泵的設計參數
項目參數
泵型號LVC５０Ｇ９×１０
流量/(m３??h－１) ４９．１
揚程/m ８８
必須汽蝕余量/m １．５
電機功率/kW ２２
轉速/(r??min－１) １４５０
泵級數１０
介質溫度/℃ －１０４
效率,％ ７１
３．２　泵體選材
由于該泵設計溫度為－１０４℃,因此,泵體及
管線材質均選擇３０４奧氏體不銹鋼.因低溫乙烯
液體潤滑性能差,溫度升高很容易氣化,為防止動
靜部件之間刮擦造成摩擦副的粘連、起皮,進而造
成抱死停機,對摩擦副進行特殊的表面化處理以
增加摩擦副的硬度【２】.
３．３　機械密封選型
由于介質對溫度變化非常敏感,且機械密
封(簡稱機封)位于承壓殼體的最高點,經與密封
制造廠共同研究,決定采用APIPLAN１１＋
PLAN５２＋PALN６２方案,其中第一道密封由出
口高壓介質節流后進行沖洗,沖洗液經過管路回
到吸入口,PLAN５２緩沖液采用的甲醇.密封沖
洗方案見圖２.密封外側設氮氣吹掃,避免空氣
凝露結冰.機封“O”形密封圈和動、靜環材質選
擇很關鍵,要充分考慮低溫工況下的持久性【３】.
３．４　摩擦副最小間隙分析
由于乙烯液體潤滑性差,低溫泵最常見的故
障是物料汽化引起泵振動,最終造成摩擦副發生
接觸,直至轉子抱死停機.因此,需核算運行狀態
下摩擦副間隙的大小,以確保不發生刮擦.摩擦
副最小間隙＝設計間隙(按照API６１０確定的靜
態間隙)－相對冷變形－軸振動位移.該泵需要
　第４１卷第３期 王儉革．乙烯深冷泵國產化應用 ??６３??
核算２處具有代表性的摩擦副最小間隙,即:軸與
導向軸承的間隙以及葉輪與殼體密封環的間
隙【４Ｇ５】.泵局部結構見圖３.
圖２　密封沖洗方案
圖３　泵局部結構
３．４．１　配合尺寸及材料
軸與導向軸承的配合主要有３ 種尺寸:
?３０D８/h６、?５５D８/d８和?６５D８/d８等;葉輪密封
環與殼體之間的密封環的配合主要有２種尺寸:
?１３０H７/?１２９．１５h８ 和?１３５H７/?１２４．１５h８.分
析對象所選用的部分材料見表３.
表３　泵的部件材料
泵部件名稱材料
軸０Cr１７Ni４Cu４Nb
導向軸承WR５２５/碳石墨浸漬銅
葉輪密封環００Cr１７Ni１４Mo２鍛
導流殼密封環００Cr１７Ni１４Mo２鍛
３．４．２　軸振動位移分析
利用ANSYS對轉子固有頻率和振型進行模
態分析.表４給出了該泵轉子在－１０４℃下的３階
固有頻率.由表４可見,第１階固有頻率遠高于
泵的工作頻率２４．１７ Hz,故轉子不存在共振風
險.軸的第１階振型示意見圖４.由圖４可見,
在第１０級導流殼與頂部角接觸軸承之間軸線點
振動值最大.由于每級導向軸承的支撐作用,第
１級至第１０級間的振動不明顯.R１(軸端導向軸
承套)、S１(首級導向軸承套)、S１０(第１０級導向軸
承套)軸線點振動位移的變化趨勢見圖５.由圖５
可知,各點的振動位移隨轉速增加而增大,軸的最
低端振動最大,工作轉速下的振動幅值為１４μm.
表４　－１０４ ℃下的固有頻率單位:Hz
第１階第２階第３階軸向振動
１５４．５４ １６７．８４ ４４７．８４ ４８８．３３
圖４　軸的第１階振型示意
注:y 軸為振動位移,x 為軸長.０點為軸最下端.
圖５　R１、S１和S１０導向軸承軸線點振動位移
　　隨轉速的變化趨勢
３．４．３　葉輪振動分析
圖６給出了P１(首級葉輪密封環)、P５(第５
級葉輪密封環)、P１０(第１０級葉輪密封環)密封
環軸線點振動位移的變化趨勢.
由圖６可知,工作轉速下,葉輪密封環的最大
??６４?? 石　油　化　工　設　備　技　術 ２０２０年　
振動幅值為１４μm.
圖６　P１、P５和P１０密封環軸線點振動位移
　　隨轉速的變化趨勢
３．４．４　摩擦副冷變形分析及最小間隙
使用ANSYS軟件對摩擦副進行冷變形分
析,主要分析導向軸承和軸的冷變形以及葉輪密
封環與導流殼密封環的冷變形.綜合振動位移,
計算出運行時的最小間隙如下:
１)－１０４ ℃低溫載荷下導向軸承和軸的冷
變形及最小間隙見表５.由表５可知,在運行工
況下,導向軸承和軸之間的最小間隙為５１μm.
２)葉輪和導流殼間密封環冷變形及最小間
隙見表６.
低溫泵第１級、第１０級葉輪和導流殼在５個
溫度(－４０ ℃、－７０ ℃、－１０４ ℃、－１６０ ℃和－
１９６℃)工況下的冷變形與間隙變化分別見表６
和表７.
表５　－１０４ ℃下的變形、間隙變化及最小間隙
導向軸承設計間隙/μm 軸變形/mm 軸承變形/mm 相對變形/μm 振動位移/μm 最小間隙/μm
R１ １３０．０ ０．０３８８８０ ０．０３８８００ ０．００ １４．００ ５１．００
S１ ２００．０ ０．０５１８３９ ０．０７１２８０ １９．４４ ０．３９ ８０．１７
S１０ ２００．０ ０．０７１２７７ ０．０８４２４０ １２．９６ ９．８９ ７７．１５
表６　第１級的葉輪和導流殼間密封環間隙變化
溫度/℃ 葉輪密封環/mm 導流殼密封環/mm 相對變形/μm 振動位移/μm 設計間隙/mm 最小間隙/μm
－１９６ ０．１６８２８０ ０．１６８４８０ ０．２００ ７５ ０．８５ ３４９．８００
－１６０ ０．１４０１９０ ０．１４０４００ ０．２１０ ７５ ０．８５ ３４９．７９０
－１０４ ０．０９６５０５ ０．０９６７２０ ０．２１５ ７５ ０．８５ ３４９．７８５
－７０ ０．０６９９８２ ０．０７０２００ ０．２１８ ７５ ０．８５ ３４９．７８２
－４０ ０．０４６５７８ ０．０４６８００ ０．２２２ ７５ ０．８５ ３４９．７７８
表７　第１０級的葉輪和導流殼間密封環間隙變化
溫度/℃ 葉輪密封環/mm 導流殼密封環/mm 相對變形/μm 振動位移/μm 設計間隙/mm 最小間隙/μm
－１９６ ０．１７４７５２ ０．１７４９６０ ０．２０８ ３５．２ ０．８５ ３８９．５９２
－１６０ ０．１４５５８２ ０．１４５８００ ０．２１８ ３５．２ ０．８５ ３８９．５８２
－１０４ ０．１００２１７ ０．１００４４０ ０．２２３ ３５．２ ０．８５ ３８９．５７７
－７０ ０．０７２６７４ ０．０７２９００ ０．２２６ ３５．２ ０．８５ ３８９．５７４
－４０ ０．０４８３６９ ０．０４８６００ ０．２３１ ３５．２ ０．８５ ３８９．５６９
　第４１卷第３期 王儉革．乙烯深冷泵國產化應用 ??６５??
　　綜上所述,低溫泵摩擦副最小間隙受溫度變
化影響較小,受轉速變化影響較大.在運行工況
下,該泵摩擦副最小間隙５１μm,說明該泵在不會
發生接觸摩擦.
４　現場安裝、工藝處理及開車情況
正確的設計方案是乙烯深冷泵國產化成功的
基礎,現場的安裝、工藝處理及初次開車方案同樣
也十分重要.由于該泵為立式多級離心泵,且物
料深冷易汽化,稍有不慎,就會導致泵抽空抱死.
４．１　安裝
泵豎立安裝在砼基礎上.由于泵摩擦副最小
設計間隙為１３０．０μm(見表５),因此,泵安裝的
垂直度越小越好.對于立式泵,筒體法蘭是泵軸
向加工基準,也是現場安裝時的測量基準,因此,
泵安裝的垂直度通過控制筒體法蘭的安裝水平度
來保證.在現場安裝時,用框式水平儀測量筒體
法蘭,使其水平度控制在０．００~０．０５mm/m 范圍
內.在初次找正及二次灌漿過程中,要同步復核
其水平度的變化.
４．２　氮氣置換
由于物料為－１０４℃乙烯液體,因此,泵腔的
除水干燥控制十分重要,吹掃氮氣排出口的露點
必須低于－６０℃.在干燥過程中,要交叉采用正
吹與反吹法,確保不留死角,尤其摩擦副之間必須
經過充分吹掃,包括機械密封管路.干燥過程中,
每間隔２０min盤車一次.由于干燥不達標造成
低溫深井泵初始開車失敗的教訓比比皆是,且原
因很難查找.因此,在干燥合格之后,要保持微量
氮氣吹掃泵腔.
４．３　預冷
泵腔吹掃氮氣的露點合格之后,引氣相乙烯
預冷泵.當泵座出現白霜后,關閉乙烯氣相線,打
開泵入口閥門(出口閥門處于關閉狀態),引液體
乙烯預冷泵體.引入液體時,泵體火炬線保持適
當開度.預冷過程中,需要１０~２０min盤車,一
旦出現盤不動車的情況,立即終止冷泵.
４．４　初始啟動泵
預冷結束后,對泵的盤車、密封、潤滑油進行
檢查確認,滿足要求后,可以開車.初始啟動泵
時,泵出口管線內氮氣壓力要與泵出口設計壓力
基本相同.啟動泵后,出口閥門開啟要謹慎,開啟
太快會使泵抽空,而開啟太慢,機械能轉換為熱
能,同樣也會使泵抽空.乙烯深冷泵的初次開車
十分困難,要小心謹慎,需要耐心與毅力.統計國
內同類泵初始開車的案例,初始開車基本都需要
連續操作十幾個小時.連續開車過程中,當發現
泵出口壓力波動并出現泵抽空聲音時,要立即停
泵,否則會造成泵的損壞.
５　綜述
目前,該泵已連續平穩運轉了三３年多,經受
了頻繁變工況的考驗,沒有發生任何故障.該泵
國產化過程,的確有許多經驗值得總結,但由于知
識產權保護的需要,文章對泵的一些設計細節未
做詳述.在決策該泵采用國產還是進口時,中原
石化進行了市場調研,當時此類泵沒有國產化先
例.由于項目工期、投資額度的限制,只有采用國
產化設備、確定選用國內低價中標制造商時,感覺
無十分把握.經過制造商、設計院、用戶的共同努
力,該泵的國產化研制取得了成功.相比進口設
備,該泵不僅節約了２００多萬元的投資,同時也為
深冷泵國產化積累了寶貴的經驗.
參考文獻:
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??６６?? 石　油　化　工　設　備　技　術 ２０２０年　
certain system or components of the gas
turbines．Meanwhile,itsummarizedcorrespondＧ
ing measuresfor operation and maintenance．
ThesehelpedtoimprovetheoperationalreliabilＧ
ityofthegasturbineseffectivelyandensured
thenormalproductionoftheenterprises．The
system and component improvement plans
describedin this paper and the summarized
operatingexperienceareofbigreferencetothe
operationand managementofgasturbinesin
otherrelatedenterprises．
Keywords:９Egasturbine;faultanalysis;reliaＧ
bility;improvement
DOMESTICIZATION APPLICATION OF ETHＧ
YLENECRYOGENICPUMP [６２]
WangJiange(SINOPECZhongyuanPetrochemiＧ
calCorp．LTD．,Puyang,Henan,４５７０００)
Abstract: Zhongyuan Petrochemical CorporaＧ
tion,togetherwiththedesigninstituteandthe
manufacturersjointlydevelopedaverticalcylinＧ
derbagpumpsuitableforconveyingethylene,
ethaneandothercryogenic media．Thepump
wassuccessfullystartedin２０１７andhasbeenin
stableoperationsincethen．Alltheindicators
met the requirements of the specification．
Compared withtheimported equipment,the
pumpnotonlysavedmorethan２millionyuanin
investment, but also accumulated valuable
experienceforthedomesticizationofcryogenic
pumps．Thispaperdescribesthewholeprocess
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Key words:ethylene;cryogenic;domesticizaＧ
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