往復式活塞隔膜泵的技術參數及核心技術研究

楊曉亮，陳 濤

（云南大紅山管道有限公司，云南 昆明 650302）

0 引言

往復式活塞隔膜泵也被稱為隔膜泵，其具備堅固耐用的特點，機械設備結構組成較為簡單，廣泛運用于的電力、化工、煤炭等領域，可以滿足部分介質傳輸的要求。同時，由于隔膜泵運行成本較低，且融入現代化科學技術，逐漸成為部分工藝系統的關鍵設備，對此需要此設備長期處于穩定運行狀態，保障企業安全穩定生產。

1 往復式活塞隔膜泵概述

1.1 原理

往復式活塞隔膜泵作業期間，具體工作原理如下：電動機借助減速機改變運動形式，由旋轉方式轉變成直線運動模式，促使活塞處于往復運動狀態，之后在油介質的作用下，橡膠隔膜展開穩定的凹凸運動。當運用于煤礦領域，往復式活塞隔膜泵主要用于礦漿輸送工作，由于設備內部存在隔膜，可以有效防止運動部件被礦漿所腐蝕，最大限度上延長部件的使用時間。其中閥件、隔膜部件與礦漿直接接觸，需要及時更換此類部件，避免影響隔膜泵工作效果[1]。正常情況下，隔膜使用壽命超過8000h。另外，隔膜泵運行期間，將獲得較高的壓力，最高超過20MPa，且隔膜泵運行效率高，可超過90%。但也存在相對應的劣勢，如單臺隔膜泵整體流量較低，對輸送介質粒度要求高，前期資金投入較高，需要企業或工廠資金充足，處于良性運行狀態。

以三缸單作用隔膜泵為例，其運行基本原理如下：電動機嚴格管控減速機，靈活調整輸入動力，促使帶動曲軸處于穩定旋轉運動狀態，連接十字頭、曲軸、連桿等，形成完善的曲柄連接系統，十字頭穩定進行直線運動。若活塞向左運動時，橡膠隔膜拉至左側一段，擴大隔膜室的空間，并且出料閥處于關閉狀態。三缸單作用隔膜泵的基本原理如圖1 所示。

圖1 三缸單作用隔膜泵的基本原理

1.2 基本結構

往復式活塞隔膜泵由液壓輔助系統、出料壓力補償系統、動力端、液力端等組成。設備具體工作過程中，部件與輸送介質未直接接觸，通過橡膠隔膜將部件和介質隔開，不僅提高整體輸送效果，還有效避免液壓缸、活塞密封圈、活塞桿等部件出現重大磨損，延長設備使用時間。現階段，運用范圍較廣的隔膜泵包括雙缸雙作用、三缸單作用的隔膜泵設備。根據相關調查結果顯示，隔膜泵關鍵技術參數如表1 所示。

表1 隔膜泵關鍵技術參數

1.3 監測方法

為了保障往復式活塞隔膜泵的運行效果，需要對機械設備展開全面化的檢測和診斷，并細致化分析當前設備運行效果，便于及時發現故障隱患。正常情況下，主要運用振動診斷法，融入壓力、溫度等多樣化的監測方式，以此推動監測工作有序進行。機械正常運行期間，振動信號不具備平穩性的特點，可以利用matlab商業數學軟件，高效化存儲和分析相關數據。另外，技術人員還應重視振動測點的設置工作，從垂直、軸向、水平3 個方面入手，實現全面化檢測各個位置的故障，從而不斷提升隔膜泵的實用性。

2 隔膜泵第三代技術

根據相關調查結果顯示，隔膜泵發展經過3 個時期，具體如下：第一階段，1991—1999 年，雙缸雙作用的隔膜泵，壓力為7MPa、流量為20～160m3/h，主要運用于煤化工領域；第二階段，壓力為7MPa、流量為25～270m3/h 的雙缸雙作用的隔膜泵；第三階段，三缸單作用、雙缸雙作用的隔膜泵，主要特點包括：在政府部門的支持下，獨立研發且具有知識產權的橡膠隔膜技術，可以長時間運用，并且具有良好的安全性和可靠性。同時，采用先進球閥、曲軸結構，能夠避免出現閥撞擊現象，有效延長閥座、閥球的使用時間，連接部位具有較高的密封性[2]。另外，加工設備關鍵零部件時，可以采用單獨的工藝技術，并具備可靠的集成技術。

3 往復式活塞隔膜泵技術參數

對于往復式活塞隔膜泵來說，技術參數包含輸送介質、連續運轉率、運行工況參數、流量等。

3.1 流量參數

隔膜泵活塞處于往復作業狀態時，實際液體排出體積相同，故此從理論角度分析時，隔膜泵平均輸出流量處于恒定狀態，但由于受到氣體等因素的影響，導致具體排出流量小于理論值。目前，隔膜泵結構型式包括三缸單作用、雙缸雙作用兩種，圖2 為三缸單作用瞬時流量曲線。

圖2 三缸單作用瞬時流量曲線

3.2 隔膜泵壓力參數

壓力參數分成排出階段壓力和吸入階段壓力。吸入過程中，內隔膜的表面壓力應大于飽和蒸汽壓力，以此避免由于出現脫硫、汽化現象，而導致噪音增加、容積效率降低，縮短隔膜的使用時間。對于最小吸入壓力，則需要根據介質情況和工程實際情況，確定最小吸入壓力數值。另外，流量不決定隔膜泵排出壓力和吸入壓力的大小，其主要取決于管路的負載性能。往復式活塞隔膜泵正常運行過程中，只有保障排出壓力小于最高值，且吸入壓力大于最小值，才能提高隔膜泵運行的安全性。

3.3 連續運轉率和易損件壽命參數

往復式活塞隔膜泵設備運行期間，連續運轉率屬于關鍵，其中易損件壽命指金屬閥件、隔膜等使用時間，直接影響隔膜泵的具體運行效果，關系到泵的運行壽命。目前，隔膜泵最高連續運轉效率在93%～95%，且單臺最高流量為300m3/h，最高壓力為25MPa。鑒于這一特點，輸送高腐蝕性固液兩相介質過程中，應優先選用隔膜泵，將其作為核心輸送設備，進一步提升工藝系統的可靠性和經濟性，保障系統運行效果。同時，油隔離活塞泵、活塞泵等系統中，采用隔膜泵，具有前期資金投入高、后期效益明顯的特點，主要由于隔膜泵整體運行效率較高，且實際運行成本較低，經過3～5 年即可為企業帶來較高的效益[3]。

3.4 輸送介質和運行工況參數

采用往復式活塞隔膜泵時，應根據實際需求，選擇最恰當的輸送泵型，促進工藝系統穩定化運行，保障整體運行效益。具體選擇期間，需要考慮泵的運行效率、吸入性能、穩定性和經濟性，并仔細分析輸送介質的濃度、腐蝕性、重量等，還要考慮泵型的適用能力。隔膜泵安全運行階段，對整體工況要求較高，需要相關人員采集相關數據，深度分析粒度分布情況、壓力脈動等。具體而言：采用隔膜泵系統時，介質粒度分布應小于1mm，最大顆粒不得超過2～3mm。由于輸送介質普遍為礦漿，屬于一種兩相流體，黏度、沉降濃度、濃度等指標嚴重影響介質輸送效果，需要在管路設計期間展開全方位的考慮，提高管路設計的合理性和科學性[4]。

輸送礦漿過程中，若在其他因素的影響下，礦漿物理性質發生改變，將明顯降低吸入壓力，導致汽蝕現象的發生。通過調查大量案例可得，隔膜泵最小吸入壓力為1.2～1.5kgf/cm2，同時當礦漿濃度超過50%，最小允許吸入壓力為2.5～3.0kgf/cm2，而若濃度逐步增加，吸入壓力隨之提高，但不得超過6kgf/cm2。

采用往復式活塞隔膜泵時，管路存在壓力脈動，主要由于內部流量變化產生。另外，三缸單作用、雙缸雙作用的隔膜泵，當處于不同曲柄轉速時，將周期性出現相角大小相同現象，促使瞬間流量峰值疊加，一旦壓力補償裝置發生故障，無法正常運行，極易出現嚴重的安全事故。為了避免重大事故的發生，當兩臺或兩臺以上隔膜泵同時向相同管路輸送礦漿時，應根據隔膜泵的運行特點，采取有效的預防措施。表2 為三缸單作用、雙缸雙作用的振幅差值和流量不均勻系數，可以看出采用多臺泵，能夠合理分散相角峰值。

表2 振幅差值ΔA 與流量不均勻系數δp

4 往復式活塞隔膜泵的核心技術

4.1 核心技術

相對于其他類型的往復泵，隔膜泵在活塞密封制造、基本理論、自動化控制技術方面存在明顯的差異性[5]。運用往復式活塞隔膜泵時，需要重點檢查活塞的密封性，直接影響油量的變化，若密封性能良好，則油量變化不明顯，且隔膜處于穩定受力狀態，不會對隔膜使用時間造成嚴重的影響。不僅如此，當處于隔膜泵安裝期間時，需要選擇緊鄰輸送介質的位置，以此縮短管道長度，減少各種配件的使用量。安裝鋼性管道時，應利用緩沖器和軟管安裝隔膜泵的進出口，降低設備運行期間壓力變化、震動帶來的影響。

故障處理也屬于隔膜泵核心技術，能夠有效降低設備故障帶來的影響。以三缸單作用隔膜泵為例，常見故障包括如下。

（1）隔膜泵動力端故障。潤滑油箱溫度超過安全范圍，多是由于十字頭出現跑偏現象或者潤滑系統發生故障，需要全面化檢查系統的基本性能，并按照要求調整十字頭；推進液系統故障，多是由于安全閥泄露、橡膠隔膜被損壞等，需要技術人員及時更換安全閥、橡膠隔膜。

（2）工作壓力表出現異常波動情況，多是由于充氣壓力較低，或者氣囊被損壞等。處理此類故障時，應仔細檢查氮氣氣囊，查看壓力表數據是否正常，以及是否存在漏氣點。

（3）排料階段和吸料階段出現異常響動。排料期間異常響動，多是由于進料閥門堵塞、活塞缸內部存在空氣，處理故障時應重點檢查零部件、補油狀況等。而若吸料階段出現響動、振動時，多是由于吸入壓力較低、料漿溫度超過要求，具體處理階段，需要靈活調整漿料的溫度，適當增加進料壓力。

4.2 故障處理案例分析

以氧化鋁溶出車間為例，車間各項工作正常開展時，裝置云清時，隔膜式存在持續排油的現象，造成儲備油過量，而經過技術人員深入分析和檢測后，發現系統壓力出現異常波動現象，并存在振動和噪音情況。同時，當對設備展開合理化調整后，隔膜泵異常振動現象得到緩解，但系統仍然發出排油信號。對此技術人員切斷設備電源，全面化清理隔膜泵內部的淤積物、漿液等，重新連接電源，發現隔膜室中排油信號消失，且運行頻率提升，但系統再次出現振動壓力是異常變化的情況。

鑒于這一特點，技術人員對單向閥、隔膜室、管道等位置展開全面檢查。隔膜室持續發出排油信號，造成推進液排出量超過要求，并且整個過程活塞不間斷地進行重復運動，而隨著液壓油的流失，無法滿足活塞正常運動要求，造成隔膜運動不正常，難以有序完成吸料、排料等工作。另外，單向閥內，礦漿處于靜止運動狀態，常常發生淤積情況。故此，為了解決現存故障，需要對隔膜式進行拆檢操作，了解內部情況。經檢驗后發現，隔膜室隔膜未能固定于隔膜室，造成行程導桿與隔膜分離，最終出現脫落現象，而影響導桿正常運動，難以及時發出補油信號，需要更新隔膜即可解決故障。

5 結語

總而言之，在時代快速發展背景下，科學技術水平顯著提升，隔膜泵相關性能和功能不斷被完善，運行效率進一步提升，可以滿足現代化企業的發展需求。目前，往復式活塞隔膜泵得到大規模推廣，在工業領域取得良好的應用效果，我國自主研發新型隔膜泵，隔膜泵的基本性能不斷優化，并融入自動化控制技術等，使其廣泛被運用于煤化工、管道化輸送等領域，為相關企業創造更大的經濟效益。