Jennifer Cardillo omawia zapewnienie niezawodności pompy w przypadku pracy ze środkami ściernymi

Utrzymanie i poprawa niezawodności pomp stosowanych do transportu mediów ściernych może stanowić spore wyzwanie, szczególnie w zastosowaniach wysokoenergetycznych. Optymalizacja wydajności i minimalizacja przestojów to wysokie priorytety w przemyśle naftowo-gazowym – cele, które można osiągnąć poprzez planowanie konserwacji i wprowadzanie nowoczesnych technologii materiałowych do istniejących aktywów.

Rafinerie oraz instalacje naftowe i gazowe, zarówno na lądzie, jak i na morzu, w wielu zastosowaniach wykorzystują pompy o dużej energii, aby dostarczać produkty z dużymi prędkościami przepływu i wysokości podnoszenia. Każde zastosowanie ma swoje własne wyzwania, zwłaszcza te dotyczące materiałów powodujących erozję, korozję lub ścieranie. Pompy odpowiedzialne za dostarczanie tych materiałów są poddawane ciągłym atakom, a ich konstrukcja bezpośrednio wpływa na ich trwałość i wydajność.

Podejmowanie wyzwań

Pompy wysokoenergetyczne z definicji wykorzystują do napędu duże silniki elektryczne, które mogą stanowić znaczną część kosztów energii potrzebnej do ich eksploatacji. Poprawa wydajności zaledwie o jeden punkt procentowy może zapewnić znaczne oszczędności. Jednak są one nieistotne w porównaniu z przychodami, które można utracić w przypadku konieczności wstrzymania produkcji z powodu nieplanowanego przestoju pomp.

Oczywiste jest, że redundancja pomp jest wbudowana w konstrukcję tych obiektów produkcyjnych, umożliwiając konserwację zasobów bez wpływu na wydajność. Jednakże częstotliwość tych okien konserwacji musi być ograniczona do minimum, aby zoptymalizować koszty eksploatacji.

Niekorzystne warunki pracy mogą prowadzić do nadmiernego zużycia i erozji, które należy często usuwać, czasami co kilka miesięcy. Takie powtarzalne naprawy mogą skłonić operatorów do przeglądu konstrukcji pompy i porównania kosztów konserwacji z nowym elementem, który mógłby zapewnić większą niezawodność i wydajność.

Ocena kosztów

Nakłady inwestycyjne i przestoje związane z instalacją nowych pomp, które mogą mieć różne wymagania dotyczące fundamentów i rurociągów, mogą zahamować wysiłki mające na celu poprawę dostępności sprzętu. Istnieje jednak złoty środek, który należy wziąć pod uwagę przy ocenie i modernizacji istniejących projektów w celu poprawy trwałości, a jednocześnie zmniejszenia kosztów konserwacji. Co więcej, opcja ta będzie znacznie tańsza niż inwestycja w nowy składnik aktywów, który może nie być odpowiednio zaprojektowany.

Przykład studium przypadku

W rafinerii doszło do przyspieszonego zużycia pompy strumieniowej do cięcia koksu, co generowało znaczne koszty przy średnim czasie międzyawaryjnym (MTBF) wynoszącym od sześciu do dziesięciu miesięcy. Aplikacja wymagała pompy, która mogłaby zapewnić dużą różnicę wysokości podnoszenia i tłoczyć różnorodne płyny zawierające znaczną zawartość cząstek ściernych.

Pump specifications were the following: design: 8-stage barrel diffuser (BB5); speed: 4,200rpm; flow: approx. 1,200gpm (273m3/hr); and discharge pressure: >4,000 psig (275 barg).

Pompa pracowała z wodą odkoksowującą, która składa się głównie ze ścieków z innych operacji rafinerii. Zazwyczaj woda może zawierać miał koksowy w ilości 2500 ppm i resztkowe media korozyjne, takie jak siarkowodór.

Częsta praca pompy przy niskim przepływie spowodowała uszkodzenie recyrkulacji ssania/tłoczenia. Po około sześciu miesiącach pracy utrata materiału z łożyska oporowego spowodowała przesunięcie się wirnika na podkładki oporowe, co spowodowało wysoką temperaturę łożyska. Ustalono dalsze kontrole:

Łopatka wlotowa wirnika uległa erozji z powodu nieoptymalnych warunków przepływu

Ścieranie z dużą prędkością na wlocie dyfuzora

Erozja korozyjna na powierzchniach bocznych pierścieni ślizgowych

Silna erozja wału na drogach wodnych wirnika

Znaczące straty materiału na powierzchniach tocznych

Prześwity były o 300% większe niż w pierwotnym projekcie

Możliwości poprawy tej sytuacji obejmują wymianę pompy na nowy produkt, w którym zastosowano materiały wyższej jakości, wymianę uszkodzonych elementów na podobne lub wprowadzenie pewnych zmian w konstrukcji mechanicznej i naprawę uszkodzonych części za pomocą materiału powłokowego, który poprawi trwałość . Spośród tych trzech ostatnie rozwiązanie jest najbardziej opłacalnym rozwiązaniem w perspektywie średnio- i długoterminowej.

Rozwiązania długoterminowe

Analiza przyczyn źródłowych jest niezbędna, jeśli chcemy poprawić takie sytuacje. O ile nie wystąpiła wada oryginalnych materiałów, wymiana części na podobne przyniesie taki sam rezultat. Rozumiejąc przyczynę problemu, możliwe jest znalezienie długoterminowego rozwiązania.

W tym przypadku luzy wirnika uległy zwiększeniu na skutek ściernego charakteru mediów, co spowodowało zużycie korpusu pompy. Dodatkowo ostre narożniki i duże kąty padania ścieżek przepływu mediów powodują ścieranie materiału bazowego przez cząstki ścierne.

Pierwsze ulepszenie wynikało z przeprojektowania pierścieni oporowych w celu zmniejszenia kątów padania i usunięcia wszelkich ostrych narożników. Ponadto do części zużywających się dodano promienie.

Jednakże większą trwałość można osiągnąć poprzez dodanie specjalistycznych powłok, które mogą poprawić wydajność i niezawodność, pod warunkiem, że będą one stosowane przez centra serwisowe posiadające specjalistyczną wiedzę i zrozumienie. W zastosowaniach mających na celu poprawę odporności na zużycie i korozję powszechnie stosuje się powłoki na bazie paliwa tlenowego o dużej prędkości (HVOF).

Idealne wiązanie

Różne powłoki mają nieco inne właściwości wiązania z różnymi podłożami, dlatego istotne jest zrozumienie warunków wymaganych do osiągnięcia idealnego wiązania. Wiązanie powłok jest jednym z najważniejszych aspektów ich powodzenia w użytkowaniu. Jako taki powinien być w centrum uwagi podczas wszystkich procesów związanych z powlekaniem.

W każdym projekcie renowacji ustalenie specyfikacji procesu ma kluczowe znaczenie dla długoterminowego sukcesu i trwałości powłoki. Obejmuje to wyszczególnienie zatwierdzonego sprzętu i parametrów procesu, a także właściwości wymaganych do akceptacji powłoki, takich jak jej wytrzymałość na rozciąganie, charakterystyka mikrostruktury, wartości twardości i chropowatości powierzchni.

Sprawdzając mikrostrukturę i właściwości mechaniczne powłoki, można sprawdzić, czy została ona nałożona zgodnie z wymaganymi specyfikacjami i czy zapewni wszystkie oczekiwane korzyści w eksploatacji.

Powłoki precyzyjne

Wracając do przykładowej pompy, HVOF to proces realizowany w polu widzenia, a aby zoptymalizować dokładność aplikacji, powłoki nałożono za pomocą ramienia robota wyposażonego w zautomatyzowany sprzęt do natryskiwania termicznego. Zewnętrzne i w miarę możliwości wewnętrzne powierzchnie wirnika pokryto odporną na erozję powłoką pompy, natomiast na otwór wału nałożono powłokę przeciwzatarciową.

Aby przywrócić wał pompy do jego oryginalnych wymiarów, został on odbudowany przy użyciu procesu powlekania HVOF. Następnie powłokę szlifowano powierzchniowo do oryginalnych wymiarów przed ponownym montażem.

Odnowioną pompę ponownie zainstalowano i dokładnie monitorowano w celu określenia wzrostu współczynnika MTBF. W rzeczywistości pompa działała przez pełne dwa lata, zanim została ponownie skontrolowana pod kątem zużycia. Dzięki ponownemu wykorzystaniu oryginalnych części pompy i poprawie ich charakterystyki zużycia dzięki ulepszonym powłokom i komponentom lepiej dostosowanym do wymagań danego zastosowania, luz na tulei wysokociśnieniowej wyniósł zaledwie 0.002 cale (0,05 mm) nadwymiar po dwóch latach użytkowania.

Jeżeli w tym samym czasie operator w dalszym ciągu korzystałby z części zamiennych, w tym momencie wkład zostałby wymieniony dwukrotnie. Zamiast tego rafineria poczyniła znaczne oszczędności w kosztach konserwacji, a także minimalizowała przestoje, decydując się na ulepszenie części za pomocą trwalszej powłoki i ulepszenie konstrukcji mechanicznej niektórych części.

W sektorze naftowo-gazowym istnieje wiele zastosowań pompowania, w których wykorzystuje się płyny zawierające media ścierne. Jeżeli pompy nie zostaną zaprojektowane i zbudowane tak, aby mogły sprostać tak trudnym warunkom, niezawodność tego sprzętu może zostać znacząco obniżona. Zmiany parametrów procesu i zastosowań mogą mieć niekorzystny wpływ na starszy sprzęt, a bez specjalistycznej interwencji lub całkowitej wymiany koszty konserwacji mogą drastycznie wzrosnąć.

Pompy wysokoenergetyczne stanowią znaczną inwestycję i oczekuje się, że będą zapewniać wydajną i niezawodną pracę nawet w trudnych warunkach. Współpracując z partnerem posiadającym wiedzę i zaplecze producenta oryginalnego sprzętu (OEM), operatorzy mogą skorzystać z ogromnej wiedzy. Doświadczona ocena w połączeniu z fachową analizą projektu umożliwia zastosowanie ulepszeń w zakresie trwałości i niezawodności w pompach wysokoenergetycznych. Te ekonomiczne rozwiązania stanowią idealną okazję do wydłużenia żywotności i zminimalizowania kosztów operacyjnych.