適切な石油化学プロセスポンプを選択するにはどうすればよいですか?

製油所や石油化学プラントでのポンプの選択は、カタログに基づく作業ではありません。あ 石油化学プロセスポンプ 高温、高圧、可燃性または有毒な液体、および連続デューティサイクルを組み合わせた条件下で動作します。選択を誤ると、計画外のシャットダウン、シールの故障、安全上のインシデントが発生します。このガイドでは、ポンプの種類、あPI 610 要件、材料の選択、メカニカル シール システム、プロセス エンジニアや卸売機器の購入者が必要とする仕様レベルでの信頼性の実践について説明します。

石油化学プロセスポンプとは何ですか?

A 石油化学プロセスポンプ は、精製、化学処理、および関連する炭化水素産業で使用するために特別に設計された流体処理機械です。熱い液体、冷たい液体、粘稠な液体、研磨性の液体、揮発性の液体、または化学的に攻撃的な液体を移送します。ポンプは漏れなく流体を収容し、計画されたメンテナンス間隔の間に長期間確実に動作し、設置の安全要件を満たさなければなりません。

使用環境と流体特性

• プロセス流体には、原油、ナフサ、ベンゼン、トルエン、キシレン、硫酸、苛性ソーダ、液化ガス、高温伝熱油などがあります。
• 動作温度の範囲は、摂氏 -100 度未満の極低温サービスから摂氏 400 度を超える加熱ヒーター充電サービスまで多岐にわたります。
• 高圧反応器供給サービスにおける動作圧力は、構成によっては 300 bar を超える場合があります。
• 多くのプロセス流体は、OSHA プロセス安全管理 (PSM) 規制に基づいて危険、可燃性、または有毒として分類されており、漏れのない封じ込めは交渉の余地のない設計基準となっています。
• プロセス流全体で比重と粘度が変化するため、最高効率点 (BEP) から遠く離れた動作を避けるために、油圧のサイジングを慎重に行う必要があります。

石油化学サービスで使用されるポンプの種類

単一のポンプ タイプで石油化学の使用条件をすべてカバーできるものはありません。プロセスエンジニアは、流量、差圧、流体特性、および信頼性目標に基づいてポンプテクノロジーを選択します。以下の表は、石油化学プラントで使用される主なポンプのカテゴリを比較したものです。

石油化学工業用渦巻ポンプ

の 石油化学産業用遠心ポンプ このサービスは、一般的な製油所に設置されているポンプ ユニットの大部分を占めています。遠心ポンプは、適切なサイズであれば、連続流量、スムーズなトルク負荷、可変周波数ドライブ (VFD) による制御の容易さ、および比較的低いメンテナンス頻度を提供します。主な制限は、正味正味吸引水頭 (NPSH)、特にバブルポイント近くの揮発性炭化水素に対する感度です。必要な NPSH を少なくとも 1.0 メートル上回る NPSH マージンが標準の最小値であり、多くのライセンサーは重要なサービスに対して 3 dB NPSH マージン率を指定しています。

ポジティブディスプレイスメントオプション

容積式ポンプは、流体の粘度が遠心技術には高すぎる場合、正確な計量が必要な場合、または非常に高い差圧が遠心設計の実用範囲を超える場合に指定されます。ギアポンプは、20 cSt から 100,000 cSt 以上の粘度に対応します。往復プランジャー ポンプは、100 bar 以上で動作する反応器への高圧注入には標準的な選択肢です。

API 610 石油化学プロセスポンプ — 標準要件

の American Petroleum Institute standard API 610 is the governing specification for centrifugal pumps in the petroleum, petrochemical, and natural gas industries. Compliance with this standard is required on most EPC projects worldwide. An API 610 石油化学プロセスポンプ 一般的な産業用ポンプの実践をはるかに超える、寸法、油圧、機械、およびテストの要件を満たさなければなりません。

API 610 の主要な設計および構築基準

• 最小連続安定流量 (MCSF) はメーカーが定義し、ポンプ性能曲線にマークする必要があります。
• 優先動作領域 (POR) は BEP 流量の 70% ～ 120% として定義されています。ポンプの選択では定格点がこの範囲内に収まる必要があります。
• 規格で指定されたサイズしきい値を超えるインペラ直径には、BEP 以外の動作時のラジアル軸受負荷を軽減するために、二重ボリュート ケーシングが必要です。
• ベアリング ハウジングは、指定されたオイル リング潤滑、純粋なオイル ミスト、または加圧オイルの供給に対応する必要があります。グリース潤滑ベアリングは、ほとんどのプロセス用途では許可されていません。
• L10 ベアリングの寿命は、ISO 281 に基づいて計算され、定格条件で 25,000 時間以上必要です。
• 出荷前に最大許容作動圧力 (MAWP) の 1.5 倍での静水圧テストが必須です。

API 610 に基づくポンプ タイプ コード

API 610 は、ポンプの機械的構成を記述する標準化されたタイプ コードを定義します。次の表は、最も頻繁に指定されるタイプをまとめたものです。

高温石油化学ポンプ材料

高温石油化学ポンプ材料 機械的強度を保持し、酸化に耐え、摂氏数百度に及ぶ動作温度範囲にわたって寸法安定性を維持する必要があります。材料の選択では、プロセス流体や混入汚染物質による腐食にも対処します。

ケーシングとインペラの合金の選択

の table below maps common process service conditions to the appropriate casing and wetted parts material. These selections follow industry practice aligned with API 610 and NACE MR0103 corrosion-resistant materials requirements.

石油化学ポンプシールとメカニカルシールの選択

の shaft seal system is the most failure-prone component in any 石油化学プロセスポンプ 。正しい 石油化学ポンプシールとメカニカルシールの選択 API 682 によって管理されており、危険および非危険サービスのシールのタイプ、配置、およびフラッシュ計画が定義されています。

API 682 シール プランの概要

API 682 は、シール面の環境を制御する配管計画を指定します。以下の表は、最も広く使用されているプラ​​ンとそのアプリケーション ロジックをまとめたものです。

石油化学プロセスポンプのメンテナンスと信頼性

構造化された信頼性プログラムにより、平均故障間隔 (MTBF) が短縮され、ライフサイクル コストが削減されます。 石油化学プロセスポンプのメンテナンスと信頼性 プログラムは、予測監視、根本原因分析、規律ある修理基準を中心としています。

状態監視戦略

• 振動解析: 速度センサーと加速度センサーを使用したオンライン振動モニタリングにより、インペラの不均衡、ベアリングの欠陥、油圧の不安定性を故障前に検出します。 API 670 は、重要なポンプの継続的な振動監視のための計装要件を指定します。
• ベアリング温度監視: ベアリングハウジングに取り付けられた測温抵抗体（RTD）は、ベアリングの焼き付きが起こる前に、潤滑の故障や過負荷をオペレーターに警告します。
• シール漏れ検出: Plan 52 または 53A システムを備えたデュアル メカニカル シールにより、オペレーターは内部シールの状態の間接的な指標としてバッファーまたはバリア液のレベルと圧力を監視できます。
• パフォーマンスの傾向: 実際の揚程と流量の出力データを元のポンプ曲線と定期的に比較することで、効率の低下が深刻になる前にウェアリングとインペラ通路の内部摩耗を特定します。
• オイル分析: ベアリングハウジングオイルの定期的な分光分析により、ベアリングレースやジャーナルからの摩耗金属粒子が検出され、差し迫ったベアリングの故障を早期に警告します。

コンプライアンスと業界標準

• API 610 (ISO 13709): 石油、石油化学、天然ガス産業向けの遠心ポンプ。ポンプの設計、材料、テスト、および文書化に関する主要な仕様。
• API 682 (ISO 21049): ポンプ — 遠心ポンプおよび回転ポンプ用のシャフト シール システム。メカニカルシールの種類、配置、フラッシュプランの選択を決定します。
• API 670: 機械保護システム。重要な回転機器の振動、温度、速度を監視する機器を指定します。
• NACE MR0103 / ISO 17945: 腐食性の石油精製環境における硫化物応力亀裂に耐性のある金属材料。サワーサービスポンプコンポーネントには必須です。
• ASME B73.1: 化学プロセス用の横型エンドサクション遠心ポンプ - 石油化学施設内の非 API の一般化学サービスで参照されています。

よくある質問

Q1: API 610 OH1 ポンプ構成と OH2 ポンプ構成の違いは何ですか?

OH1 と OH2 はどちらもオーバーハング型の単段遠心ポンプです。違いは筐体の支持方法にあります。 OH1 ポンプは足取り付け式です。ケーシングはベースプレートにボルトで固定された足の上に設置されます。 OH2 ポンプは中心線に取り付けられています。ケーシングはブラケットによって中心線で支持されており、これによりポンプはシャフトの中心線から上下に均等に熱膨張します。これにより、熱膨張によるシャフトの位置ずれを防止します。 OH2 取り付けは、ポンピング流体の温度が摂氏約 200 度を超えるサービスでは API 610 によって義務付けられています。これは、高温で脚取り付けのケーシングを使用すると、シャフトとカップリングの許容できない位置ずれが発生するためです。

Q2: 揮発性炭化水素ポンプの NPSH マージンはどのように計算しますか?

有効正味吸引ヘッド (NPSHa) は、吸引容器の圧力、ポンプ吸引ノズル上の静的液体ヘッド、吸引ラインの摩擦損失、および吸引温度での流体蒸気圧から計算されます。結果は、メーカーの性能曲線から取得した、ポンプに必要な NPSH (NPSHr) を指定されたマージン分超えなければなりません。 API 610 では、NPSHa が定格点で少なくとも 0 メートル NPSHr を超えることが要求されていますが、ほとんどのエンジニアリング実践では、キャビテーション損傷や吸引再循環の不安定性を防ぐために、軽質炭化水素および揮発性サービスに対して 3 dB マージン (NPSHr の 1.3 倍以上の NPSHa) を適用しています。

Q3: シングル シールの代わりにデュアル メカニカル シールが必要になるのはどのような場合ですか?

API 682 では、危険レベルと物理的特性によって液体を分類しています。非加圧（プラン 52）または加圧（プラン 53A）のいずれかの二重シール配置は、ポンプで送られる流体が有毒、発がん性、または通常沸点が摂氏 0 度未満の高可燃性として分類される場合、または地域の環境規制によりプロセス流体の大気への放出が禁止されている場合に必要となります。危険性の低いサービスでは、適切な水洗計画を備えた単一シールが許可されます。最終的な選択は、サイトの HAZOP 研究、地域の排出規制、およびプロセスライセンサーの要件に照らして確認する必要があります。

Q4: 石油化学ポンプのメカニカルシールの早期故障の原因は何ですか?

の most common root causes of premature seal failure in petrochemical service are dry running during startup or process upset, incorrect flush plan selection leading to fluid vaporization or contamination at the seal faces, excessive shaft vibration from hydraulic instability when the pump operates far from BEP, and thermal shock from rapid temperature cycling. Each of these failure modes produces distinct face wear patterns that can be identified during post-failure teardown. A properly executed root cause failure analysis (RCFA) on each seal failure event is the most effective tool for reducing the site's overall seal mean time between failures.

参考文献

• アメリカ石油協会。 API 規格 610 / ISO 13709: 石油、石油化学、天然ガス産業用の遠心ポンプ 、第12版。ワシントン DC: API、2021 年。
• アメリカ石油協会。 API 規格 682 / ISO 21049: ポンプ — 遠心ポンプおよび回転ポンプ用のシャフト シール システム 、第4版。ワシントン DC: API、2014 年。
• アメリカ石油協会。 API 標準 670: 機械保護システム 、第5版。ワシントン DC: API、2014 年。
• NACEインターナショナル。 NACE MR0103 / ISO 17945: 石油、石油化学および天然ガス産業 - 腐食性の石油精製環境における硫化物応力亀裂に対する耐性のある金属材料 。テキサス州ヒューストン：NACE、2015 年。
• Karassik、I.J.、他。 ポンプハンドブック 、第4版。ニューヨーク：マグロウヒル、2008年。
• ブロッホ、H.P.、ガイトナー、F.K. プロセスプラントのための実践的な機械管理、第 2 巻: 機械の故障分析とトラブルシューティング 、第4版。オックスフォード: エルゼビア、2012.