柱塞式雙軟管高壓泵的過載保護技術及應用

胡志宜

安徽萬緯工程管理有限責任公司(安徽安慶246001)

柱塞式雙軟管高壓泵的過載保護技術及應用

胡志宜

安徽萬緯工程管理有限責任公司(安徽安慶246001)

結合柱塞式雙軟管高壓泵在中國石化安慶分公司煉化一體化項目中的應用，介紹了該泵的過載保護、雙軟管狀況監測、液壓油泄漏補償控制、緩沖流量穩定等核心技術。該項目應用柱塞式雙軟管高壓泵輸送高黏性、高磨蝕性的炭泥固、液混合漿料，并對高壓泵采取過載保護、過壓保護及緩沖流量穩定等安全保護措施。運行結果表明，該泵由于采用初級和二級雙軟管及過載保護措施，提高了安全可靠性，輸送的固液流體流量大，壓力高，不易堵塞，適合高壓輸送高黏度的固液漿料流體。

柱塞式雙軟管高壓泵;結構及性能;過載保護技術

柱塞式雙軟管高壓泵輸出壓力高［1-2］，它克服了柱塞泵密封件易磨損［3］及軟管腔室本身無法被機械直接驅動等缺點，且輸送的物料與泵柱塞運動部件不接觸，避免了物料中固體顆粒對泵的機械磨損，延長了泵的液壓系統使用壽命，使泵的穩定性與可靠性大幅度提高。由于柱塞式雙軟管高壓泵可以高效、可靠地輸送固液混合漿料，漿料中固體含量可高達60%～80%，被廣泛用于石油、化工、礦山、冶金、造紙行業的高腐蝕、帶顆粒、易揮發、易燃劇毒等漿料流體的輸送。中國石化安慶分公司2013年建成的煉化一體化項目采用電動液壓柱塞式雙軟管高壓泵輸送炭泥固、液混合漿料，并采取過載保護、過壓保護及緩沖流量穩定等技術對泵進行安全保護，提高了泵的安全可靠性。

1 泵結構及工作原理

安慶分公司柱塞式雙軟管高壓泵為三缸單作用、多重安全保護高壓泵，用作輸送高黏性、高磨蝕性的炭泥漿料流體。該泵由初級和二級軟管、吸入和排出單向閥、感壓開關、控制盤、驅動液、泵腔、液壓油罐、安全閥、過壓閥、液壓缸、柱塞、連桿等組成。泵由電動機驅動，電動機經變頻器調速及減速齒輪箱減速，由聯軸器連接柱塞沖程齒輪箱驅動柱塞作往復運動，推動泵體中雙軟管輸送炭泥漿料流體。設計充壓式緩沖器和過壓保護系統對泵進行過載保護。柱塞式雙軟管高壓泵結構如圖1所示。

圖1 柱塞式雙軟管高壓泵結構圖

1.1 雙軟管結構

初級和二級雙軟管是該泵的獨特結構，二者之間注入水和防凍液混合的驅動液作為壓力傳遞元件，傳遞過程中無壓力損失。初級軟管與被送漿料直接接觸，二級軟管將驅動液與液壓油隔開，使液壓油和漿料被雙軟管及驅動液完全隔離，即使初級軟管與漿料長期接觸磨損變薄而破裂，也不會導致液壓油滲入漿料而影響整個裝置工藝系統。

1.2 工作原理

柱塞式雙軟管高壓泵由電機驅動柱塞在液壓缸內作往復運動，使液壓缸內的液壓油壓力發生變化。該變化的壓力通過二級軟管和初級、二級軟管之間的驅動液傳遞給初級軟管，初級和二級軟管同時受壓，并朝著同一方向凹凸變形，致使初級軟管漿料腔體積和壓力發生變化對漿料進行吸入和排出。

當柱塞向前(雙軟管方向)移動時，由于液壓油施加的壓力導致初級軟管容積變小，壓力升高，使吸入單向閥關閉，排出單向閥打開，軟管漿料腔內上一個沖程吸入的漿料受到軟管擠壓后，通過排出單向閥排出。

當柱塞向后移動時，在排出沖程時凹凸變形的雙軟管恢復到原始的圓筒形狀。在液壓缸內出現真空后使吸入單向閥打開，排出單向閥關閉，漿料被吸入漿料腔。由于柱塞的往復運動，又開始新的排出沖程。柱塞連續的往復運動使漿料保持持續的流動和輸送。柱塞式雙軟管高壓泵的輸送流量由式(1)計算:

式中，Q為泵輸送流量，m3/h;A為柱塞橫截面積，m2;n為柱塞往復次數，次/min;Z為柱塞缸數，個;R為系數，單作用柱塞R為0，雙作用柱塞R為1;ηv為容積效率［4］。

由式(1)可知，柱塞的橫截面積、缸數、作用方式及容積效率是確定值，泵的輸送流量Q與柱塞往復次數n，即柱塞的往復速度成正比。

2 過載分析與保護技術

柱塞式雙軟管高壓泵的過載是影響泵安全可靠運行的關鍵因素之一，取決于其設計參數及保護技術。安慶分公司柱塞式雙軟管高壓泵采用緩沖流量穩定、過壓保護、自動補油、安全泄油、雙軟管監測等技術，對流量和壓力的波動進行穩定;在泵超壓時進行泄油，欠壓時補油;初級和二級軟管之間的驅動液超壓時自動泄壓;單層軟管破損時感壓開關立即報警等措施，以保證泵的安全運行。

2.1 系統過載分析

柱塞式雙軟管高壓泵通過柱塞的吸入和排出沖程，驅動雙軟管凹凸變形，使泵腔內漿料流體體積和壓力發生變化，將漿料吸入和排出。這兩個沖程的開始階段都有一個速度的跳躍Δw，m/s。

根據儒科夫斯定理，速度的跳躍會產生壓力激增Δp，由式(2)計算［5］:

式中，ρ為漿料密度，kg/m3;α為加速度，m/s2。

如圖2所示，柱塞作往復運動的速度變化近似正弦波曲線，速度變化的激增因數Δst=Δw/wf(wf為柱塞速度最大值)，Δp可由式(3)表示:

式中，Q為漿料流體流量，m3/h;A為漿料流體流過的管道截面積，m2。

圖2 速度跳躍Δw的產生圖

由式(3)可知，當ρ、α、Δst確定后，Δp與Q成正比，與A成反比，因此，大流量柱塞式雙軟管高壓泵的壓力激增較大。例如，使用大流量柱塞式雙軟管高壓泵和相應的出口管道輸送液體，當Δw=1m/s時，由式(3)可得出約1.2MPa的壓力激增。

壓力激增會引起泵流量和壓力的波動，它以波的方式在管道中傳遞，使管道的流量和壓力產生脈動［6］，并形成壓力波在管道中振蕩。流量和壓力脈動會引起泵和管道系統故障，使軟管出現拉伸應力，減少軟管壽命，并對液壓系統造成沖擊，為此，設計了充氮緩沖器和過壓保護系統對泵進行過載保護。

2.2 緩沖穩定

在泵的排出管道設計緩沖器來減弱流量脈動。緩沖器是消除管道內流量脈動的一個蓄能裝置，通過緩沖器內氮氣氣囊的壓縮和膨脹來儲存和釋放比平均流量多或少的那部分漿料流體，從而減小管道中的流量脈動。假設泵的瞬時流量為Qi，平均流量為Qm，當Qi=Qm時所對應的緩沖器內氮氣氣囊壓力為Pm。

當Qi＞Qm時，泵的排出壓力就大于Pm。因此，緩沖器內氮氣氣囊被壓縮，緩沖器內的漿料流體量增加，把泵排出的瞬時流量一部分存入緩沖器，使緩沖器后的管道內瞬時流量小于該瞬間泵排出的瞬時流量。

當Qi＜Qm時，排出壓力小于Pm。緩沖器內氮氣氣囊膨脹，漿料流體量減小，使緩沖器后的管道內的瞬時流量大于該瞬間泵排出的瞬時流量。

由此可知，由于設計了緩沖器，使泵的流量和壓力脈動率大大減小。如果緩沖器內具有足夠的氮氣氣囊容積，使氮氣氣囊壓力在一個較小的范圍內波動，漿料流體的流量和壓力就趨于穩定。

2.3 過壓保護

過壓保護系統由過壓閥和安全閥組成。安全閥的作用是在因泵排出壓力超過規定壓力最高值時打開，保護液壓系統安全;過壓閥由泄油球閥、補油球閥、復位彈簧等組成，當泵腔內漿料壓力超過預設高壓值，則過壓閥打開使液壓油泄入液壓油罐以降低壓力。安全保護系統結構如圖3所示。

圖3 安全保護系統結構圖

在過壓保護液壓油泄油后的吸入沖程中，柱塞向后運動，因液壓缸油量減少，二級軟管被抽吸并推動控制盤，與控制盤連接的導桿推動推力杠桿，推力杠桿頂起閥挺桿，閥挺桿的推力作用于起閥器，打開補油球閥使超壓失去的液壓油再次流回液壓缸。此過程不斷重復，直到壓力調整至正常范圍。

2.4 安全閥

安全閥的作用，一是能夠泄掉因液壓缸油量增加過多而超過規定的壓力;二是能夠在因泵排出壓力超過規定值時打開，保護液壓系統安全。例如，泵的最高排放壓力為8.75 MPa，如果發生管線堵塞等出口不暢現象，泵壓升高至9.0 MPa，此時安全閥將起跳，將液壓缸內的液壓油排出;待壓力降至8.75 MPa以下，自動補油閥開始補充液壓油使泵正常運行，保護了泵的運行安全。

2.5 雙軟管狀況監測

初級或二級軟管破裂會影響柱塞式雙軟管高壓泵安全可靠運行，一旦雙軟管都發生破裂，炭泥漿料就會進入柱塞缸內，會導致柱塞組件的磨損，并對液壓控制系統造成嚴重污染，影響泵的安全、長周期運行。故設計了雙軟管破裂監控和報警系統來監測雙軟管的工作狀況，在每個泵的排出單向閥與雙軟管固定對接法蘭之間安裝一個感壓開關，其壓力檢測探頭監測初級和二級軟管的差壓。當差壓過大時感壓開關動作，發出報警信號，并通過聯鎖控制系統使泵自動停機。感壓開關的過壓設定值為0.2MPa。

3 安裝與調試

液壓油和驅動液的正確加注是柱塞式雙軟管高壓泵過載保護技術應用的關鍵，加注量的過多、不足或含有空氣都會影響過載保護系統的正常工作。泵被加注液壓油和驅動液后，進行過載保護系統和系統調試。

3.1 液壓油加注

液壓油加注時手動盤車移動液壓缸的柱塞至二級軟管側位置，確保二級軟管緊靠控制盤;將水注入初級軟管內直至水溢出，以防加注液壓油時導致雙軟管發生過渡變形;打開泵體上口的排氣口排氣，往油罐加注HLP68液壓油，直至液壓油流出排氣口時將排氣口關閉。加注液壓油時要防止雜物進入液壓油控制系統，以免堵塞排氣補油閥平衡孔，損傷二級軟管或造成柱塞磨損。

3.2 驅動液加注

折下排出單向閥、排出口對接法蘭、感壓開關，將初級和二級軟管的上端從泵體與排出單向閥連接的法蘭盤處稍微提起，在初級和二級軟管之間注入驅動液(50%水和50%防凍液)，直至感壓開關位置出現溢流，并確認2個軟管之間無殘留空氣;組裝感壓開關、排出口對接法蘭、排出單向閥和排出管道;打開旁通閥并手動盤車(人工轉動曲軸使柱塞做往復運動);排空液壓缸的空氣后關閉旁通閥。

3.3 過載保護系統調試

過壓閥過壓保護值根據工藝要求預先進行調試和設定。調試是通過調整補油閥閥球底與開啟閥執行機構的螺紋銷(圖3)頂部之間的間隙來實現，其正常值范圍應為0.5～0.7mm，調整后重新擰緊起閥器上的鎖緊螺母。安全閥安全起跳值根據炭泥輸送工藝要求預先調整安全閥起跳的設定值。

3.4 試車投運

柱塞式雙軟管高壓泵啟動前進行液壓系統的排氣，以防液壓系統內的空氣壓縮或膨脹沖擊二級軟管;將泵入口工藝管道排氣，避免管線中空氣隨炭泥漿料帶入泵腔內，造成氣體壓縮或膨脹沖擊初級軟管;檢查泵的潤滑油、液壓油油位在正常位置;手動盤車，在連桿觀察窗觀察連桿完成3～5個行程;打開沖洗水閥和回水閥建立水循環回路;開啟泵，正常運行3min后打開炭泥進口截止閥，關閉沖洗水閥，打開炭泥出口截止閥;通過變頻器調節電機轉速進行系統調試。

4 結語

柱塞式雙軟管高壓泵由于采取了上述保護技術對泵進行過載保護，使雙軟管、柱塞及密封件的使用壽命延長，降低了泵的維修成本。該泵在煉化一體化裝置中運行一年多時間，系統穩定，保證了工藝系統安全可靠運行，減少了設備和工藝事故發生，輸送的固液流體流量大、壓力高，不僅完成了固液流體的加壓輸送，也避免了被送漿料的泄漏，該泵適合在高黏度、易堵塞、壓力高的工藝條件下輸送各種漿料流體。

［1］陳煥明，劉衛國，習仁國，等.高壓大流量柱塞泵建模與仿真研究［J］.機床與液壓，2012，40(7):139-143.

［2］焦海旭，焦陽.超高壓柱塞泵設計制造的發展趨勢［J］.清洗世界，2012，28(3):26-34.

［3］燕浩，蘇曉珍，劉梅清，等.提高隔膜計量泵自吸能力的階梯式柱塞結構與流體動力特性研究［J］.水泵技術，2013(1):19-22.

［4］唐群國，孫旭東，白宗.全水潤滑軸向柱塞液壓泵的容積效率分析與試驗［J］.液壓與氣動，2012(9):112-115.

［5］鄭卓穎，吳印平，吳麗艷.往復式隔膜計量泵正常運行的幾個必須條件［J］.化工設備與管道，2012，49(4):44-46.

［6］劉東海，黃曉云.柱塞隔膜泵與液動隔膜泵的流量脈動分析［J］.液壓與氣動，2012(11):71-73.

The core techniques of plunger dual-hose high-pressure pump，such as the overload protection，the monitoring of dual hoses，the compensation control of hydraulic oil leakage，the buffer stability of flow rate，are introduced based on the application of the plunger dual-hose high-pressure pump in the integrated refinery and chemical engineering project of Anqing Company，China Petroleum&Chemical Corporation.In the project，the plunger dual-hose high-pressure pump was used for pumping the solid-liquid mixing slurry with high viscosity and high abradability，and some safety protection measures such as overload protection，overpressure protection，the buffer stability of flow rate，etc.are taken to the pump.The running results show that，the safety reliability of the pump is increased due to using double hoses and overload protection measures，so the pump is not easy to be blocked under large flow rate and high pressure.It is suitable to pumping the solid-liquid mixing slurry with high viscosity and high abradability at high pressure.

plunger dual-hose high-pressure pump;structure and performance;overload protection technology

王梅

2015-02-04

胡志宜(1980-)，男，工程師，主要從事石油化工項目設備工程咨詢和管理工作。