菲魯瓦高壓煤漿泵振動原因分析以及優化改造

李永平，李彥成，李中保

菲魯瓦高壓煤漿泵振動原因分析以及優化改造

李永平，李彥成，李中保

（兗州煤業榆林能化有限公司，陜西 榆林 719000）

對某型號的菲魯瓦高壓煤漿泵在運行期間出現泵體振動大、出口壓力大、流量波動大、出口管線晃動等問題進行了分析，并結合現場實際工況，將菲魯瓦泵的出口二級緩沖器裝置技改為一級緩沖裝置，增大緩沖器的容積，提高緩沖效果。同時對泵出口管線支撐進行技改，提高了出口管線支撐的支撐性能。從而有效解決了泵的振動等故障問題，提高了泵的運行負荷，保障了化工系統的高負荷和連續穩定運行。

高壓煤漿泵；緩沖器；出口管線

兗州煤業榆林能化有限公司一期年產60萬噸甲醇項目配置3臺菲魯瓦高壓煤漿泵（型號：TGK 400/400-K200-DS230HD）對煤漿進行加壓氣化。該泵為雙隔膜柱塞泵，泵入口壓力0.15 MPa，出口壓力8.0 MPa，介質為60℃煤漿，泵進出口設置球型串聯單向閥，出口配置緩沖器一臺。其工藝流程為：煤經稱重給煤機精確計量后，與水及添加劑進入棒磨機，研磨成濃度為62%的煤漿，低壓煤漿泵將煤漿輸送至煤漿槽內，然后經高壓煤漿泵加壓送至工藝燒嘴，與純度大于99.6%的氧氣混合進入氣化爐燃燒室內進行反應，生成合成氣。隨著氣化裝置生產能力的不斷提高，在工藝燒嘴與拱頂磚、渣口磚壽命延長的同時，也對其他關鍵設備提出了更高要求。高壓煤漿泵作為裝置的關鍵設備，其運行的正常與否決定著氣化裝置的運行周期。

3臺菲魯瓦高壓煤漿在投運初期狀況良好，但后期隨著系統負荷的增加，當煤漿流量超過82 m3/h（對應轉速1230 r/min）時泵的柱塞缸頭出現嚴重振動現象，泵出口煤漿管線出現嚴重晃動問題，同時泵出口緩沖器隔膜頻繁出現破裂現象。通過現場在線流量計檢測，在該負荷工況下泵出口流量波動最大值為1.15 m3/h，出口壓力波動最大值為0.04 MPa。為保證泵安全穩定運行，整個氣化系統負荷被嚴格控制在82 m3/h以下，高壓煤漿泵成為整個氣化系統高負荷運行的瓶頸和制約點。

1 泵故障原因分析

1.1 泵出口緩沖器緩沖能力不足

為減少運行期間煤漿泵出口流量和壓力的波動，泵在出口配置了一臺立式雙隔膜緩沖器，如圖1所示，其容積為50 L。該緩沖器工作原理為兩級傳遞緩沖，一級緩沖裝置為雙隔膜和防凍液，二級緩沖裝置為單隔膜氣囊和高壓氮氣。當泵出口煤漿出現壓力和流量波動時，富裕能量首先推動一級緩沖隔膜外壁防凍液，該液體再傳遞給二級緩沖氮氣氣囊進行能量儲存或者能量補充，起到削峰填谷的作用。當泵在低負荷運行時，泵做功頻率低，出口流量和壓力波動緩慢，出口緩沖器能滿足緩沖要求；當泵在高負荷運行時，泵做功頻率加快，出口流量和壓力波動頻率隨之加快，緩沖器出現嚴重的緩沖效果滯后問題，無法在第一時間對流量和壓力起到緩沖作用，最終導致泵嚴重振動。

泵的高負荷運行過程中出口緩沖器由于緩沖容積小、緩沖效果不佳，導致泵出口出現煤漿流量波動大、緩沖罐的蘑菇閥響聲較大問題。針對該問題，現場必須在調整負荷時對出口緩沖罐的壓力進行適當調整。緩沖罐添加的防凍液為60 L，如果氣囊壓力過低，軟管會超出圓柱體，不停地拍打蘑菇閥，易造成蘑菇閥損壞；而如果氣囊壓力過高，則氣囊下部的蘑菇閥會關閉，緩沖液完全在軟管外側，擠壓軟管，造成軟管破損。但泵在運行期間，氮氣氣囊表顯示壓力并非是實際氣囊壓力，而是泵出口整個煤漿系統的壓力。所以泵一旦運行，該緩沖器無法在線進行壓力調節。

對出口緩沖器破裂的隔膜進行拆檢后發現，隔膜破裂位置大致相同，都是在隔膜排水線處至上而下貫穿性開裂。在緩沖運行過程中，出口緩沖罐隔膜軟管承受煤漿壓力、氣囊給緩沖液的壓力及緩沖器壓板的剪切力，一旦緩沖效果不好，緩沖液未能及時起到應有的緩沖作用，則在煤漿的沖擊載荷下隔膜出現過度舒張，最終便會出現緩沖器軟管破裂問題[3]。

圖1 立式出口緩沖器

1.2 泵的煤漿管線支撐能力不足

高壓煤漿泵出口原設計采用HG/T 21629－1999管架標準圖[2]A5-1基準型雙螺栓管夾（圖2）對煤漿管線進行支撐和加固。煤漿管線從泵出口至氣化爐頂部高度落差為41 m，中途九層樓板之間每層設置A5-1基準型雙螺栓管夾對煤漿管線進行支撐和加固。由于菲魯瓦高壓煤漿泵為柱塞泵，當出口緩沖器效果不明顯時，煤漿管線隨著煤漿壓力波動出現沖擊性振動，當泵在低負荷運行時振動較小，當泵處于高負荷運行時振動菲常嚴重。在劇烈振動工況下，原設計的A5-1基準型雙螺栓管夾支撐剛度嚴重不足（根據標準核實，該支撐抱卡采用厚度6 mm鋼板，采用M14單頭螺栓進行固定），加之管線和管線內部輸送介質煤漿的自身重力，導致管夾支撐能力不足。支撐應力超過金屬的極限強度后，部分管夾出現局部變形和松動現象，導致煤漿管線失去有效的支撐和固定，整體出現無規律晃動，振動情況惡化。

圖2 基準型雙螺栓管夾

1.3 泵的進出口閥球升程導向器磨損

高壓煤漿泵為柱塞泵，其進出口必須設置止逆閥。該泵采用密封性能更好的球閥作為止逆閥，如圖3所示。為進一步提高密封性能，進出口采用雙球閥串聯的方式。止逆閥的閥球安裝在升程導向器內部。升程導向器的作用是保證閥球在工作過程中始終沿著垂直方向上下運動，在不影響煤漿通流的前提下起到良好的止逆作用。閥球在柱塞每次做功的過程中都進行一次往復升降運動，并且是高速高壓的沖擊性撞擊，加之煤漿的高速過流磨損，導致閥球以及升程導向器磨損嚴重。升程導向器磨損后直徑尺寸變大，對閥球無法起到良好的限制作用，導致閥球在工作過程中不是理論設計的垂直上下運動，閥球球心變成了無規律的運動軌跡[4]。當升程導向器磨損嚴重時，采用故障診斷分析儀對閥球球心軌跡進行在線采集，得到圖4。由此導致閥球上下運動不同步、不及時，最終導致高壓煤漿泵三個缸每次做功時容積不同，出口煤漿的壓力和流量出現較大波動。

圖3 閥球升程導向器

圖4 閥球球心軌跡

由于菲魯瓦高壓煤漿泵為柱塞泵，在單向閥每次做功過程中閥球都會撞擊閥座，由此導致閥球和閥座出現磨損[7]。當閥球磨損至一定程度時閥球會出現破裂或者表面不平現象，同時閥座磨損至一定程度也會導致密封面凹凸不平。當以上問題出現時，泵進出口單向閥失去密封作用，在柱塞往復過程中部分煤漿泄漏至泵腔或者入口，導致泵每次做功時三個缸輸送煤漿量出現異常，進而導致泵出現異常振動[8]。

菲魯瓦高壓煤漿泵進出口球閥使用壽命的長短取決于以下幾點：

（1）氣化爐壓力等級。氣化爐壓力和負荷越高，閥球和閥座及密封圈的磨損速率就會越快，反之則較慢；

（2）原煤煤質。煤質的好壞，特別是煤質顆粒度含量，也決定了閥球和閥座的磨損速率；

（3）原煤煤質中的硫含量。硫含量的高低會影響閥球和閥座的腐蝕速率；

（4）閥球和閥座的密封性。煤顆粒卡澀、閥球出現凹坑、閥座出現溝槽致使閥座密封效果差等原因在泵高壓的作用下，造成閥球和閥座的沖刷越來越嚴重，最終造成高低壓區煤漿串流，導致煤漿泵振動大或者停車[9]。

2 故障解決辦法及改進措施

2.1 重新設計出口緩沖器

針對泵原設計使用的出口緩沖器在高負荷工作時緩沖效果不佳和緩沖作用滯后的問題，做出技改。將立式雙隔膜二級緩沖結構，技改為單隔膜單級雙球形串聯緩沖結構，如圖5所示。該種緩沖器主要應用于GEHO公司隔膜泵，其結構的優點為緩沖器采用單隔膜結構，隔膜與煤漿直接接觸，并且隔膜與煤漿接觸面積大，可直接起到緩沖效果，有效避免了原緩沖器存在的緩沖滯后問題[5]。

圖5 雙球形串聯緩沖器

用于吸收煤漿泵出口壓力脈動的氣囊式緩沖器，其容積量計算為[1]：

式中：為緩沖器氣囊總容積，L；為煤漿泵每轉排量，L/r；為排量變化率，取0.012；為脈動變化率；為泵最大流量，取95 m3/h；為泵最高轉速，取47 r/min；max為脈動壓力振幅，取0.7 bar；out為泵的排出壓力，最高取9.6 bar，且一般取氣囊充氣壓為0.6×out。

最終計算得到：＝33.68 L/r，＝0.00729，＝92.4 L。

根據以上計算，同時考慮到日后氣化系統的擴能提負荷工況，最終采用二臺容積為75 L的氣囊式緩沖器。

2.2 重新設計泵的煤漿管線支撐

針對高壓煤漿泵原設計支撐的支撐和加固強度不足的問題進行技改。將原A5-1基準型雙螺栓管夾技改為J14-2型振動管道用立管支座，如圖6所示。該型支座專為振動型管道設計，對振動型管線有非常好的固定和緩沖效果，且結構簡單可靠。根據標準核查，該型支座采用16 mm厚度鋼板制作，與現場煤漿管線進行焊接連接，確保支撐強度。

圖6 振動管道用立管支座

2.3 及時更換閥球升程導向器以及閥球等磨損件

針對高壓煤漿泵進出口閥球升程限位器磨損導致閥球軌跡變化的問題，及時對閥球升程導向器進行檢查，根據實際使用工況總結出更換周期，定期更換磨損的升程導向器，確保進出口單向閥閥球能夠按照設計進行垂直上下運動，減少每個缸在每次做功期間出現的流量不同問題，避免泵在高負荷運行期間出現大的壓力和流量波動[6]。為解決閥球磨損和異常開裂、導致閥球止逆作用失效的問題，經兗州煤業榆林能化有限公司與菲魯瓦廠家的技術談判，對高壓煤漿泵閥球進行技改。對原閥球焊接焊縫焊接前預制焊接坡口，增大焊接面積及焊接深度，保證閥球焊縫表面部分有足夠的焊接強度，對閥球表面進行鍍鉻表面處理，在增加焊接強度的同時大大提高了閥球表面的耐磨性能。

3 總結

經過對菲魯瓦高壓煤漿泵進行以上技改，泵缸頭振動和出口管線振動情況改善效果明顯?，F場通過原流量計和壓力表對比可知，煤漿管線出口流量、出口壓力波動幅度都有明顯降低，如表1、圖7所示。技改后高壓煤漿泵運行負荷增加至85 m3/h（對應轉速1290 r/min）運行仍十分平穩，同時由于煤漿流量和壓力波動減小，氣化爐內部壓力得以穩定操作，有效產氣量得到了相應提高，有效解決了制約氣化系統高負荷運行的瓶頸問題。

菲魯瓦高壓煤漿泵在實際應用中出現了振動和備件易損等問題，致使該泵無法在高負荷工況下長周期穩定運行。導致高壓煤漿泵振動異常的的原因很多，部分因素不能單獨停留在泵原理論設計上，否則當現實工況偏離理論設計時泵就會出現各種故障。只有通過細致排查和逐步摸索，找出問題所在并予以正確技改，從本質上解決問題，才能發揮出菲魯瓦高壓煤漿泵性能可靠和高效、穩定的特長。

表1 技改前后數據對比表

圖7 技改前后流量波形圖對比

[1]聯合編寫組. 機械設計手冊[M]. 2版. 北京：化學工業出版社，1979：477.

[2]國際石油和化學工業局. 管架標準圖：HG/T 21629-1999[S].

[3]楊世雨. 隔膜泵運行中的故障及處理方法[J]. 梅山科技，2001（2）：31-32

[4]魏龍. 泵維修手冊[M]. 北京：化學工業出版社，2009：346-358.

[5]張文波. 對GEHO高壓煤漿泵活塞桿的故障分析[J]. 化工管理，2016（28）：152.

[6]霍北倉，曹慧. 隔膜泵的維修和保養[J]. 農機使用與維修，2007（3）：74.

[7]路光彬. FELUWA（菲魯瓦）高壓煤漿泵常見故障判斷[J]. 山東化工，2012（8）：35.

[8]李振家，郭本陸. 菲魯瓦高壓煤漿泵運行故障分析及優化改造[J]. 中氮肥，2019（4）：31-32.

[9]劉國峰. FELUWA高壓煤漿泵常見故障分析[J]. 化工氮肥，2014（41）：65-66.

Cause Analysis and Optimization on Feluwa High Pressure Coal Slurry Pump Vibration

LI Yongping，LI Yancheng，LI Zhongbao

( Yanzhou Nengyuan Yulin Nenghua Co.,Ltd., Yulin 719000, China )

This paper analyzes the problems of a certain type of Feluwa high-pressure coal slurry pump during operation, such as large pump body vibration, large outlet pressure, large flow fluctuations, and outlet pipeline sloshing, and according to the actual working conditions, the technology of the secondary export buffer device is changed to the primary buffer device, which increases the volume of the buffer and improves the buffer effect. At the same time, the pump outlet pipeline support is technically modified to improve and strengthen the support performance of the outlet pipeline support, which effectively solves the problem of pump vibration and other faults, increases the pump's operating load, and ensures the high load and continuous and stable operation of the chemical system.

high pressure coal slurry pump；buffer；outlet pipeline

TH3；TQ536

B

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.12.011

1006-0316 (2021) 12-0076-05

2020-08-14

李永平（1982－），男，陜西榆林人，工程師，主要從事化工設備檢修技術管理工作，E-mail：278295739@qq.com；李彥成（1982－），男，陜西榆林人，工程師，主要從事化工設備檢修技術管理工作。