新型碳纤维复合材料在磷酸装置化工泵上的应用

张云川，廖 鹏

（云南天安化工有限公司 磷肥制造中心，云南 安宁 650309）

云南天安化工有限公司（以下简称公司）磷酸装置物料（原料，磷矿浆、w（H2SO4）98%浓硫酸；产品，w（P2O5）28%稀磷酸、w（P2O5）47%浓磷酸、氟硅酸、w（H2SO4）8%稀硫酸等）均为液态介质，采用各类型化工泵进行输送，机泵正常有效运行对整个磷酸生产系统的生产状况有较大影响。因此，公司对化工泵的日常维护和检修十分重视，更将萃取轴流泵、渣浆输送泵、料浆输送泵等关键设备的长周期运行作为攻关课题进行研究，以期取得更大的经济效益。

基于磷酸生产装置化工物料易腐蚀、易磨蚀、易结垢的特性，现用机泵基本选用CD4MCu、Cr30、UHMWPE 等材质。现随着磷矿品质下降，只能在物料中添加各类化工辅剂以保证磷酸产品质量，但也造成机泵过流部件腐蚀、磨蚀加剧，运行时间短，机泵故障率增加的情况。为此，亟须寻求适应性更好的化工泵材料，以满足生产使用要求。

1 新型碳纤维复合材料泵的应用

通过广泛的市场调研，与各化工泵制造厂家进行技术交流探讨，对比各生产厂家的生产技术、生产情况及产品在磷酸行业的使用业绩，结合公司实际情况，最终选定成都永益泵业股份有限公司研发的新型碳纤维复合材料泵作为试用突破点。该公司研发的新型碳纤维复合材料泵与介质接触部分全部为非金属材料，但仍采用与金属泵一样的高效扭曲叶片，效率高出直叶片的工程塑料泵7%以上，其结构如图1所示。

图1 新型碳纤维复合材料泵结构

1.1 新型碳纤维复合材料的性能

新型碳纤维复合材料采用美国ENECON 技术，将耐腐化覆、耐磨金覆与碳纤维组合在一起，具有以下特性：（1）较高的耐腐蚀性。与介质接触的部件完全没有金属材料，杜绝了金属离子污染，同时还“免疫”99%的酸碱介质腐蚀，耐受盐酸、氟硅酸、氢氟酸、硝酸、磷酸、稀硫酸等腐蚀介质。（2）较高的抗磨蚀性。耐磨硬质相体积比≥70%，莫氏硬度为9.5，具有比高铬耐磨合金更优良的耐磨性能。（3） 耐高温性。一般情况下能耐受160 ℃，介质为w（H2SO4）55%硫酸或w（H3PO4）85%磷酸时能耐受120 ℃，且耐受温度范围内不会软化，解决了非金属材料随温度升高软化导致的密封泄漏和过流件腐蚀问题。

新型碳纤维复合材料的适用介质及条件见表1。

表1 新型碳纤维复合材料适用介质及条件

从表1可以看出，新型碳纤维复合材料可以适用于公司磷酸装置磷酸、硫酸等介质。选取在磷酸料浆输送和稀硫酸输送两个工况进行试用。

1.2 新型碳纤维复合材料泵的应用

1.2.1 磷酸料浆输送泵的应用

1） 原磷酸料浆输送泵技术参数

一期30万t/a磷酸装置P0105A磷酸料浆输送泵原设备型号LC200/410，qV=300 m3/h，H=27 m，转速990 r/min，功率75 kW，过流部件材质为Cr30。介质为含磷酸料浆，温度80 ℃，w（固）50%，相对密度1.55。现场配置：垂直高度差6～8 m，输送管线长度25 m，管径DN200，弯头数量4个。

2） 新型碳纤维复合材料泵的选型

所需扬程：H=Hf+Hi+Z［1］。其中，高度差Z=8.0 m；沿程损失，损失系数f=0.02，管长L=（25+4×6.4）m=50.6 m（DN200弯头当量管长为6.4 m），流速u=3.1 m/s（按qV=350 m3/h，管径d=0.2 m 计算），沿程损失Hf=2.5 m。由于管路无突然管径大小变化，管路短，法兰密封少，局部损失很小，可忽略不计。所需扬程H=（8.0+2.5）m=10.5 m。考虑一定的出口管压及富余量，取最终扬程H=15.0 m。

泵型号及参数：流量qV=350 m3/h，扬程H=15.0 m，转速980 r/min，过流部件材质为新型碳纤维复合材料，双端面机械密封，冲洗方式为PLAN54；所选泵型为200DCS-350，配套电机利旧，型号为6P-75 kW。

3） 试用情况

原泵叶轮、泵体、泵盖等过流部件使用寿命为3 个月，机封仅能使用1 个月。2022 年9 月装置大修时将泵更新为新型碳纤维复合材料泵，运行至2023年4月未进行过检修，5 月对泵进行常规检查时发现，泵盖完好，无明显腐蚀、磨蚀现象。

1.2.2 稀硫酸输送泵的应用

1） 原稀硫酸输送泵技术参数

一期30万t/a磷酸装置P0131B稀硫酸输送泵原设备型号LC125/405，qV=250 m3/h，H=25.5 m，转速980 r/min，功率45 kW，过流部件材质为CD4MCu。介质为w（H2SO4）8%～10%的稀硫酸，温度80 ℃，w（固）20%，相对密度1.3。

2） 新型碳纤维复合材料泵的选型

泵扬程和原泵一致，流量qV=250 m3/h，扬程H=25.5 m，所选泵型为125DCS-350，配套电机功率45 kW；转速1 450 r/min，过流部件材质为新型碳纤维复合材料；双端面机械密封，冲洗方式为PLAN54［2］。

3） 试用情况

原泵叶轮、泵体、泵盖等过流部件使用寿命为2 个月，机封寿命1 个月。2022 年9 月装置大修时将泵更新为新型碳纤维复合材料泵，2023年3月对泵进行拆检时发现，叶轮完好，无明显腐蚀、磨蚀现象。

1.3 新型碳纤维复合材料泵改造取得的成效

（1）备件费用：2台泵原来每2～3个月需更换全套过流部件，每1 个月更换1 套机封，半年备件费用为87.62 万元。2 台泵更换为新型碳纤维复合材料泵，更新费用仅为31.20 万元，试用半年未更换任何备件，目前不仅已收回了成本，而且节约备件费用56.42万元。

（2）生产损耗：2021—2022年因磷酸料浆输送泵故障导致系统非计划停车8次，平均每次抢修时间2 h，按单套装置过滤出酸130 m3/h计，因磷酸料浆输送泵故障非计划停车损失的磷酸产量约2 080 t，造成经济损失约43.6 万元。而且在系统开停过程中，大量磷酸只能外排后再回收，造成的磷损失对生产影响较大。更新为新型碳纤维复合材料泵后半年未出现故障，减少经济损失约43.6万元。

（3）人工消耗：改造前以2 台泵半年共检修5次计，每次检修平均投入4名检修工，平均每次检修时间6 h。改造后，设备平稳运行减少了频繁的启停操作及检修，大大节约各方面的人力投入。

2 新型碳纤维复合材料泵的后续推广

公司一/二期30万t/a磷酸装置磷石膏渣浆输送泵备件使用寿命短、检修频率高。新型碳纤维复合材料泵在P0105A和P0131B两个工位上试用已取得明显效果，公司与成都永益泵业股份有限公司探讨，针对磷石膏渣浆介质研发新型碳纤维复合材料泵。

2.1 现有磷石膏渣浆输送泵及介质主要参数

设备型号300ZGB，设计流量1 400 m3/h，实际流量900 m3/h，扬程70 m，转速980 r/min，电机功率450 kW，过流部件材质为A33。输送管径500 mm，输送距离13 000 m，管道流速1.27 m/s，垂直高度105 m，体积流量1 450 m3/h，最大1 600 m3/h，采用两级泵串联，出口压力1.85 MPa，叶轮直径为ϕ703 mm/ϕ740 mm。磷石膏渣浆输送泵介质参数见表2。

表2 磷石膏渣浆输送泵介质参数

2.2 存在问题

（1）泵前护板、护套、叶轮等过流部件使用寿命短（1～3 个月），主要是因为随着渣场渣坝逐渐升高，泵出口压力也随之升高，造成磨损加剧。

（2）因公司环保方面需要，机封使用渣场酸性回水作密封水，回水易结晶，导致机封弹簧失效，造成机封泄漏频繁，平均使用寿命仅为10～25 d。

2.3 改造方案

（1）新型碳纤维复合材料泵型号为250ZJT-A73，电机功率450 kW，轴功率341.4 kW，扬程80 m，工作效率70%。

（2）渣浆输送泵过流部件材质由A33改为新型碳纤维复合材料，正常使用寿命达到2年以上。

（3）新型碳纤维复合材料泵与在用渣浆泵安装一致，输送管道一致，整泵更换方便，费用较低。

（4）所用新型碳纤维复合材料备件内外表面粗糙度基本一致，过流面光洁，水力效率比金属泵更高。

（5）机封采用防结晶自循环水设计，改善结晶状况，延长使用寿命。自循环水只用于冷却机封，不进入系统，单台机封1 年的用水量小于5 m3，大大减少进入渣场的废水量（按目前渣浆泵4 开4 备计算，机封1年的用水量为20 m3）。

3 结语

经试用，新型碳纤维复合材料泵取得了很好的效果，不仅节约了备件消耗，节省了人力投入，而且实现了节能降耗，节约了生产成本。新型碳纤维复合材料泵属资源节约型和环境友好型项目，为全装置正常稳定生产创造了良好的条件，从长远来看，具有很大的经济效益。