障害が発生した API ポンプのトラブルシューティング

Jul 29, 2023

塩水フィールド注入ポンプは、原料の溶液採掘を実践する塩水または塩工場の操業において重要な部分です。

記録が入手可能な 2 年間、400 馬力 (hp)、毎分 3,600 回転 (rpm)、4x3x16 インチの遠心ポンプ (画像 1 上) のペアの 1 つが 2 か月ごとに故障していました。 メンテナンス費用は予測可能であり、高額でした。

それぞれの故障例は製塩所の塩水製造プロセスの中断であり、メンテナンスと請負業者の費用がかかりましたが、なぜこれほど厄介なポンプだったのかは謎であり、高額なコストは容認できませんでした。

当時のプロセス設計は画像 2 に示すとおりです。誰もが知る限り、この設計は 1984 年に遡り、このポンプとブリードを再利用するプロセス設計が採用されました。

プロセス設計と上流のパイプライン構成により、ポンプ流量は、水上の場合は 1 立方センチメートルあたり 1 グラム (g/cm3) から、完全に飽和した塩水のスラグが通過する場合は 1.20 g/cm3 (塩分濃度 100%) まで変化する可能性があります。 経時的な平均密度は塩分濃度約 50%、または 1.10 g/cm3 でしたが、ポンプは分散よりも平均を認識しませんでした。

塩水井戸の深さは 2,500 フィートだったため、下流の配管も問題の一部でした。 これらは、左脚にさまざまな密度のポンプを使用し、右脚に 1.20 g/cm3 の飽和ブラインを備えた U チューブ設計を作成しました。

あたかもプロセス設計がポンプにとって十分な課題ではなかったかのように、オペレータは推奨慣行としてポストキャビンスロットルを採用していました。 これはここ数年の最近の出来事であり、すでに問題となっていた状況をさらに悪化させました。 このため、ポンプは 2 か月ごとに交換する必要がありました。

そのため、プロセス設計と運用実践の組み合わせにより、ポンプは最高効率点 (BEP) の左側でデッドヘッドに近い動作を繰り返し、次に BEP を越えて BEP の右端でキャビテーションで動作するようになりました。

「ポンプが故障した後もブラインは長時間流れ続ける」という論理により、オペレータは洞窟後のスロットリングを好んだ。 オペレータは、この慣行が頻繁な故障症候群を促進していることに気づいていませんでした。

システム動作の記録を見ると、1 か月間の流量の高低の記録が物語の一部を物語っています。 最低流量から平均流量、最高流量まで大きなばらつきがありました。 毎日の測定値の多くは、流れが BEP からは遠すぎると予想されます。

問題は流量が多いか少ないかだけではなく、その両方にありました (異なる時点で発生しました)。 ポンプは、毎分 100 ガロン (gpm) という低速度から、性能曲線の終わりを超え、キャビテーション ノイズが強かった 860 gpm の高速まで、性能曲線全体にわたって前後に揺れていました。

モーターが消費する電力は、さらに驚くべきことを物語っています。 モーターは頻繁に過負荷状態に陥り、アンペアは 60 に達し、銘板の定格である 52 をはるかに上回っていました。

これらは、高密度流体の過剰な流れがモーター負荷の面からも深刻な問題であり、そのすべての電力がポンプに流れ込み、2か月ごとに自己破壊を引き起こしていることを指摘しました。

なぜこれほど大きな差異が生じるのでしょうか? ポンプの密度に関するいくつかのデータは、話を具体化するのに役立ちます。 測定された塩分濃度は 200 回以上の測定値で 8% から 86% まで変化し、平均は約 50% でした (画像 4)。 塩分濃度の変動とプロセス設計の組み合わせにより、ポンプは流量範囲全体にわたって変動することを余儀なくされていました。

システム全体を見ると、ポンプを処理する 2 つの井戸 (1 つの入力、1 つの出力)、3 つの井戸 (2 つの入力、1 つの出力、またはその逆)、または 4 つの井戸 (2 つの入力、2 つの出力) が動作する状態で運転できます。構成に応じて、排出摩擦損失は大幅に異なります。

油圧モデルはさまざまな状況に合わせて開発されました。 このポンプは水のみを汲み上げる状況に適しており、流れはキャビテーション ゾーンに入ることはありません (画像 7)。

塩分濃度 27% の低濃度の弱ブライン (1.05 g/cm3) を使用したシステムのパフォーマンスを確認すると、出口の摩擦が低い (4 つのウェル) ため、スロットルを絞っていないとシステムがオーバーランやキャビテーションに陥る可能性があることがわかります。

三方弁スイッチが湖水から離れているため、標高からの静水頭が減少しました。 流体の密度が高くなったことで、密度差による静水頭は 497 フィートからわずか 349 フィートに減少しました。 システムの性能曲線は右にシフトし、ポンプの性能曲線に対して低下します (画像 5)。

同様に、82% 塩分濃度の弱いブライン (1.16 g/cm3) でポンプ密度が高くなると、密度差による静水頭がさらに減少し、システムの曲線がポンプ曲線のさらに外側に移動します。このような高密度流体の場合、静水頭は密度差はわずか 81 フィートまで低下し、3 つの放電状況すべてが BEP のはるか右側でキャビテーション流を引き起こします (画像 8)。

上記はすべて理論上のものですが、実際のポンプの動作を見てください。 観察によると、ポンプはポンプ曲線を横切ってポンプを運転する繰り返しサイクルを経ており、高温流体では 750 gpm 以上でキャビテーションが発生せず、その後 BEP の左端に戻りました (画像 6)。

三方弁によって湖水から弱い塩水ポンプに切り替えると、入口圧力とともに密度が -5 から +50 ポンド/平方インチ (psi) に増加したため、流量、圧力、出力がすべて上昇しました。 これを時間 = 0 として設定します。その後、約 13 分から始まり、高密度のブラインのスラッグが通過し、流量と出力がさらに増加し​​ました。

しかし、下流の効果により圧力は低下し、より高密度のブラインが坑井の深さを満たしました。 高密度で熱い塩水がポンプを通過するとキャビテーションの騒音が始まり、サイクル開始から約 52 分で三方弁が湖水に戻るまでキャビテーションが続きました。 水が最初にパイプラインを満たし、次に井戸を満たしたときに、再び過渡現象が発生しました。 システムが水で完全に満たされると、流量は減少し、安定しました。 その後、98 分に三方弁が切り替わり、このサイクルが繰り返されました。

ユーザーはどうすれば頻繁に失敗する問題を解決できるでしょうか? 以下の方法で変動の原因を取り除き、ポンプを安定して動作させます。

これらの変更は画像 3 に示されており、修正されたプロセス設計が改訂されています。

その後、このポンプに期待される寿命が達成され、ベアリングの故障ではなくシールの寿命が制限要因になりました。 電力節約のために羽根車の直径を最初に 16.0 インチから 14.5 インチに、次に 14.0 インチに、最後に 13.75 インチにトリミングすると、寿命はさらに延長されました。 そのモードで長年にわたって実行されました。 ポンプは、2 か月ごとの悪夢ではなく、製塩プロセスの信頼できる部分になりました。

以前のドライブは 4,160 ボルト (V) で、速度制御が容易ではありませんでした。 プラントの需要によりより多くの容量が必要になったとき、羽根車は可変周波数ドライブ (VFD) を備えた 16.0 インチに戻され、新しい場所で新しい 480 V ドライブを駆動しました。 プロセスのニーズに合わせて動作速度を落とし、バルブの絞りを排除したことも、ポンプの寿命にとって利点でした。

David Crea は元化学エンジニアで、現在はコンサルタントです。 彼はアイダホ大学を卒業しました。 クレアは現在引退し、ニューヨーク州ワトキンスグレンに住んでいます。 連絡先は [email protected] です。