高压煤浆泵隔膜破裂的原因分析及维修改造.doc

高压煤浆泵隔膜破裂的原因分析及维修改造王建军(兖矿鲁南化工科技发展有限公司 滕州 277527)；郭良军 (兖矿鲁南化肥厂 滕州 277527) 2007-01-25 德土古气化装置使用6368的水煤浆，是用高压隔膜煤浆泵送至气化炉与纯氧在1270左右发生剧烈的氧化反应，生成合成气。 鲁南化肥厂使用的进口高压隔膜煤浆泵性能参数如下： 型号：TZPM7 3412150； 泵号：88400021和2； 制造商：HOLTHUISBV-GEHO PUMPSPOBOX249； 5900AE Venlothe Netherland； 泵送介质：水煤浆； 泵送能力：9.423.3 m3h； 冲程速率：15.739.0行程min(可调)； 排出压力：5.5736.285 MPa； 吸人压力：0.0920.133 MPa； 水煤浆的温度：3860； 活塞行程：12(304.8 mm)。 本型号高压隔膜煤浆泵属于往复式活塞正位移泵，主要用来输送象渣、沙和泥浆等固体颗粒的固液混合物，特别适合于有腐蚀性颗粒固体物质的固液混合物。 该泵的设计优点在于：泵送介质不直接和运动部件接触，输送介质是用橡胶隔膜来实现的。橡胶隔膜把泵送介质和洁净的驱动液隔离开，这样，运动部件就可以在洁净的驱动液(润滑油)内运行，免除了固体颗粒对泵造成的严重磨损，从而使泵的性能稳定性及可靠性大幅度提高，确保了这些重要运动零部件的使用寿命。1 橡胶隔膜破裂的危害 由于化工生产是连续不问断的，高压隔膜煤浆泵又是整个德士古气化装置运行的关键设备，只要不是该泵PLC系统自锁联动跳车，一般出现一些小故障都要坚持运行一段时间，以便让整个系统安全停车，退出生产。这就使得该泵不得不处于带故障运行的状态，而故障一旦是隔膜破裂，那么煤浆就会进入到活塞缸内与纯净的驱动液混合，并磨损活塞体和活塞缸。由于此时该泵并未停车，该泵液压油高压补给系统将会自动往活塞缸内强行补油，导致液压油损失。在这种故障运行中，整个活塞缸内有大量的煤浆参与到活塞的往复运动，轻者导致活塞环组件的磨损，严重时将活塞缸拉毛导致液压油泄漏，泄漏出的液压油中带有大量煤浆又会使该泵的自冲洗油泵系统污染，造成维修工作量的加大。2 隔膜的工作原理及隔膜破裂原因分析2.1 隔膜工作原理 隔膜泵是通过与隔膜连成一体、由金属和非金属构成的控制杆来控制隔膜变形。当挠曲过大，隔膜偏离中间平衡位置以及向前或向后并超过设计允许值时，通过电磁阀把多余的驱动液压油排出去或把缺少的油补充进来，由此来保证隔膜两侧的压力平衡和隔膜的挠曲不超过设计允许值。该产品有多个电磁阀和1套油路系统，对电器元件的灵敏度和操作技能要求较高。2.2 隔膜容易破裂原因分析 虽然隔膜泵排出压力低于高压往复泵，其实隔膜两侧的作用力是很大的(压力为1.6 MPa，有效尺寸为400 mm的隔膜两侧的作用力约为20 t)，也就是说必须保持隔膜两侧(一侧是驱动液体，另一侧是输送液体)的压差很小或近似于零，使压力基本平衡。如果压力不平衡，隔膜在瞬间就会破坏。 由于活塞杆密封处泄漏、气体的吸入或因补偿系统补偿不足或过量，以及第一次注油过多或过少，活塞缸内的油量总是在不断地变化，这都将破坏隔膜两侧的压力平衡，造成隔膜破裂。3 进口高压煤浆泵隔膜破裂的原因及修复 近期高压隔膜煤浆泵在停车检修活门后试运行时出现隔膜异常破裂现象，困扰着安全生产。高压隔膜煤浆泵的隔膜的使用寿命一般在60008000h，隔膜主要是依赖进口荷兰GEHO公司产品，而且价格昂贵。高压隔膜煤浆泵工作原理详见图1。 高压隔膜煤浆泵出现隔膜异常破裂后，有关人员进入现场检查，仔细检查各自分管的设备。检查驱动液压油油箱时发现油位偏低，而且油质发黑，证明液压油混有煤浆。根据工作经验判断，隔膜已经破裂并且煤浆已经进入驱动液压油箱，随即由维修人员清洗油箱，拆检隔膜。在拆检隔膜的过程中发现1号缸隔膜破裂，破裂口呈三角状而且断口处齐茬，不像以往隔膜磨损减薄后出现一字形裂口，并且隔膜是新近更换的。带着这个疑惑工程技术人员及分管领导讨论分析了隔膜破裂的原因，提出在原因没有查明的情况下，不更换新的隔膜，找一片使用寿命到期但没有破裂的隔膜装上做清水试车，以查找出隔膜破裂的原因。换上旧隔膜后，清水试车运行，刚启动该泵就发现在PLC显示板上1号缸高压补油显示灯间断闪亮，指示1号缸高压驱动液在间断补给，立即打开活塞缸上部的盖板，发现该泵自冲洗系统已启动，指挥操作工手动将冲洗油泵停车后，观察到从1号活塞缸有向外泄漏驱动液压油的现象，而且泄漏量不小。此时现场操作工发现PLC显示板上1号缸高压补油灯长亮，即刻停车处理后，打开该泵 1号隔膜室压盖检查发现在同样的位置出现了同样的断口。据此结果并根据工作经验判断隔膜破裂的原因是高压驱动液补给造成的，PLC控制系统是根据驱动液压油的压力急剧降低而启动的高压驱动液泵，造成驱动液压油压力急剧降低的原因是活塞缸拉毛、活塞环组件严重磨损等原因。事故原因查明后，立刻带领机组人员对该泵1号缸缸套进行了研磨和更换活塞环处理，并且对其它两缸也做了相应的处理。1号缸换上新隔膜后一次试车合格，投入系统运行。4 国产泵的改造 通过对这台进口高压隔膜煤浆泵出现的故障分析及维修认识到：延长泵的运行周期的关键是如何确保隔膜有较长的使用寿命。并根据多年对GEHO进口泵维修、保养经验，对国产高压隔膜煤浆泵进行了一些力所能及的改造。 (1)采用“液压隔膜泵用隔膜最大挠曲机械式自控机构”专利技术和1套完善的补偿系统。不论驱动液体如何变化，系统都能自动补偿，从而始终保证了隔膜两侧的动态压力平衡，并确保隔膜从中心平衡位置向两侧挠曲位移时，隔膜的最大挠曲值不超过设计允许值。 (2)采用预变形隔膜使挠曲变形所产生的内应力最小。隔膜是采用了预变形橡胶双层复合隔膜。所谓预变形隔膜是将隔膜形状预先制成曲面，设计采用了耐油、耐磨又具有良好弹性的橡胶，经模具压制成设计给定的曲面，并使2层隔膜曲面能很好地吻合在一起，构成了一块完整的隔膜，且具有一定的厚度以保证有足够的磨损周期，使得隔膜从中心平衡位置向两侧挠曲变形到最大允许挠度时，正好是隔膜的曲面伸展成盆状，不产生附加的拉伸应力，内应力几乎等于零。这样一来，虽然隔膜在工作状态下不断地从中心平衡位置向两侧做反复挠曲位移，但因为内应力很小或近于零，就可以大大延长隔膜的使用寿命。虽然这种形状隔膜的设计和制造比一般平板隔膜要复杂，但经实验证明，这种隔膜更耐疲劳，使用寿命更长。 (3)应用隔膜破裂报警技术。虽然采取了上述措施后可以保障隔膜有较长的使用寿命，但隔膜始终处于每秒12次的反复挠曲疲劳状态，加之磨砺性很强的煤浆对它不断磨损，总会有被破坏的时候。而一旦隔膜破裂，浆液就有可能进入活塞缸，导致活塞与缸套的严重磨损，这不仅需要更换隔膜，而且还要更换活塞和缸套。为避免出现这种情况，在该泵设置中采用了双层隔膜，以便采用压敏技术的“隔膜破裂报警系统”，不论是与输送液体接触的还是与驱动液体接触的那一层破裂，液体压力迅速传到微压传感器及微动开关，使之可以在隔膜破裂后0.2 s内发出声、光、电报警信号，警示隔膜已破裂，并可实施立即紧急停泵后立即启动备用泵，保证了设备和流程的安全运行。5 改造效果分析 通过对国产隔膜泵进行了以上改造，效果十分明显。原国产泵隔膜的使用寿命仅1000h左右，改造后泵连续运行时间达到将近4000h。由于隔膜材料与国外相比还有一定差距，虽然隔膜的使用寿命还达不到国外隔膜的水平，但与国内同等材料的隔膜相比，寿命已经大大延长，且减少发生隔膜破裂后介质进入活塞缸导致活塞和缸磨损的现象。6 结语 通过对隔膜泵出现隔膜破裂故障的现象进行分析，从根本上找出故障的发生原因，并通过查找资料，对国产设备进行了切实可行的改造，解决了国产泵隔膜运行周期短的缺陷。高压闪蒸罐壳体损坏防治对策陈小华(南京化学工业有限公司氮肥厂，江苏南京,210035) 2004-10-161 概述 高压闪蒸罐(V204AB)是合成氨装置德士古气化工艺流程中炭黑水处理的关键设备。来自气化炉激冷室的炭黑水(266，8.65MPa，22124kgh)经减压至0.91MPa，进入高压闪蒸罐闪蒸，其中的闪蒸汽(175，0.91MPa，9576kgh)与灰水加热器换热后(170，0.86MPa，9576kgh)送往高压闪蒸分离罐分离为酸性气相和冷凝液相，而高压闪蒸罐中的炭黑水(175，0.91MPa，34672kgh)经减压至0.16MPa进入低压闪蒸罐，经过进一步闪蒸分离，用泵将炭黑水送往炭黑压滤机，分离出灰水及炭黑滤饼，炭黑滤饼运出界区，而灰水经灰水泵送往除氧器，以补充气化及净化单元所消耗掉的水。一方面满足环保要求，另一方面也保证工艺生产水循环的需要。 在德士古气化工艺流程中，高压闪蒸罐的结构如图1所示，其壳体材质为20R，介质为炭黑水，工作压力为0.805MPa，工作温度为175，设计压力为1.135MPa，设计温度为205，直径为2000mm，计算壁厚为11mm，实取壁厚为20mm，腐蚀裕量为8mm。2 故障记录及临时性修复措施 2002年4月28日某厂大化肥气化单元正式投料，高压闪蒸罐进入试车生产阶段，经过近3个月的运行，7月25日，V204B壳体即出现泄漏，经现场查看，泄漏部位为壳体正对着的炭黑水进口管区域，如图1所示。在接下来的一个多月里，V204A、B罐壳体相同部位先后各2次出现泄漏，具体故障记录见表1。3 原因分析及初步改造方案 1)进口管折断原因及处理 经分析炭黑水进口管折断主要是由振动引起：炭黑水顺进口管冲击到接管末端堵板上，在开豁口处流体由水平流向改为垂直折向下流动，对水平接管产生作用力，而接管末端是用半圆形管子托住的(如图2所示)，管子可以向上自由运动，因此接管在这个激振力的作用下，产生上下振动，而在开90豁口的尖角处正好产生应力集中，裂纹极易从此产生并很快扩展，造成接管在此处断裂。为解决这一问题，将管子末端支承由半圆弧形改为整圆弧形套管，约束管子末端使其不能上下大范围运动，使振幅大幅度下降，降低管子振动产生的交变应力，并将接管开豁口处的尖角倒成R25圆角，避免应力集中。 2)壳体冲通的原因及改造 冲刷磨损是壳体冲通的主要原因，其腐蚀机理是：在壁面剪应力的作用下，金属表面的覆盖层或钝化膜受到破坏，介质强烈地腐蚀材料表面，于是交替地产生破坏和再钝化过程，钝化膜的生成速度对给定的材料一介质系统中材料的寿命具有决定意义。炭黑水进口接管结构及炭黑水介质特性，正符合产生冲刷磨损的条件。 壳体第1次冲通(7月25日)，是由于接管末端堵板与接管末端仅为搭接角焊缝，焊缝强度很低，末端堵板很容易被冲脱，导致炭黑水直接从管内垂直冲到壳壁上，因此壳壁冲刷磨损减薄范围较小。 壳体第2、3次冲通(8月12日、25日)，则是由于接管因振动断裂，导致炭黑水进入罐内后呈抛物线状流下，流体冲到位于接管中心线偏下的壳壁上，造成这一部分壳壁因冲刷磨损而减薄，中心部位首先冲通。之所以在如此短时间内即冲刷损坏，进一步分析发现，炭黑水中含有大量炭黑悬浮物颗粒，粒径在0.820m，其黏度远大于水的黏度，炭黑含量在4050gm3。根据化工腐蚀相关理论：当冲刷磨损的流体流经壳体表面时造成冲刷磨损的最大因素是流体流速，其次与悬浮物浓度、壳体表面直径也有很大关系。在较高流速下特别当溶液含有悬浮固体时，使磨损显著加快，随流速的增加，碳钢和铸铁等合金的磨蚀速率增加到几倍甚至几十倍。经计算：炭黑水在进口接管内的流速在1.8m/s左右，按工艺设计理论，此流速并不算高，之所以还会造成如此快的磨损，只能还有一个重要的原因，碳黑水中酸性成分如硫化氢等超标，工艺操作过程中，氨水加入量不足，碳黑水呈酸性，加速了壳体的冲刷腐蚀，pH值分析也证明了这一点。 为此对碳黑水进口接管的改造如下：壳体冲通及减薄处挖换一块600mml200mm椭圆钢板(=20mm)，内贴一块500mm1000mm椭圆不锈钢板（=4mm）；炭黑水进口管拆下，与断管开60V型坡口焊接，对开豁口处的尖角倒B25的圆角；原进口114mm3mm接管外套一133mm6mm不锈钢套管，套管与原进口接管开豁口处对应开一90、1620mm长豁口，