凸輪轉子泵故障分析及對策

吳國龍

（珠海經濟特區廣珠發電有限責任公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

廣珠發電有限責任公司2×700MW 機組分別于2000 年和2001 年建成投產，鍋爐為日本三菱重工（MHI）設計制造的MB-FRR 型2290t/h 亞臨界參數四角切圓燃燒強制循環汽包鍋爐，燃燒為低氮直流燃燒器。設計燃煤用神府東勝煤和進口煤煙氣脫硫FGD 系統采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，一爐一塔脫硫裝置于2006 年投入運行。在燃用設計煤種（含硫量為0.63%，FGD 入口SO2濃度1299mg/m3）及校核煤種（含硫量0.80%，FGD 入口SO2濃度1850mg/m3）、鍋爐最大工況（BMCR），處理100%煙氣量條件下脫硫裝置的脫硫率保證值分別大于92%和91%。

為適應燃煤硫分提高的現狀，以及滿足SO2排放濃度的環保要求，對原有FGD 系統進行了增容改造。改造設計脫硫系統入口煙氣量2394820m3/h（標態、濕基、實際O2），原煙氣SO2濃度按2200mg/m3（標態、濕基、6% O2）設計，脫硫效率不低于97.7%，脫硫系統出口（煙囪入口）SO2排放濃度滿足《火電廠大氣污染排放超標準》（GB 13223—2011）中規定不大于50mg/m3（標態、濕基、6% O2），年等效利用小時數不低于5500h，已于2013 年投運。

2016 年作為超低排放改造工程配套項目之一，對脫硫GGH 進行密封改造，減少GGH 煙氣泄漏而引起的SO2排放污染。FGD 系統共配置了6 臺RD100 型凸輪轉子泵應用于脫硫系統地坑漿液輸送。其中#1、#2塔配置了4 臺凸輪轉子泵，應用于吸收塔溢流漿液和地坑收集的其他液體回收利用。石灰石-石膏法漿液制備工藝流程配置2 臺凸輪轉子地坑泵將脫水皮帶過渡漿液、汽水分離器分離的漿液，還有再循環箱回流的漿液在地坑集中再輸送到事故漿液罐，供濕磨制漿用水。在整個FGD 系統中，吸收塔是整體工藝過程中最關鍵的環節之一，而橡膠包覆凸輪轉子地坑泵是應用在FGD 的重要設備，主要作用就是提供連續、儲存豐富的氧化劑，并確保將氧化劑均勻、有效地投入吸收塔底部。通過地坑泵的作用，煙氣中的SO2會與輸入的氧化劑充分溶解化合，并被吸收液中的堿液捕獲，從而實現高效脫硫效果。

1 凸輪轉子地坑泵技術性能

1.1 工作原理

橡膠包覆凸輪轉子泵是一種容積泵，是國際上最先進的流體輸送設備之一[1]，運行過程中它是采用兩個同步運動的轉子，轉子由一對外置式同步齒輪帶動，轉子在傳動軸的帶動下進行同步反方向低速旋轉，轉子之間以及轉子與泵體之間互不接觸，而是形成間隙或面密封，從而構成了較高的負壓，在進口和出口之間形成的壓力差壓迫介質通過泵體完成工作。適合腐蝕性和高黏度介質的輸送。

1.2 主要結構及參數

凸輪轉子泵主要由驅動電機、減速器、聯軸器、泵體、泵座組成，其中泵體由泵殼、橡膠凸輪復合轉子、徑、軸向耐磨襯板、泵蓋、泵軸、軸承、機封等部件組成。RDG100 凸輪轉子地坑泵主要技術參數如表1 所示。

表1 凸輪轉子地坑泵的主要技術參數

1.3 RDD100 型凸輪轉子地坑泵特點

（1）可輸送汽、液、固三相混合介質漿料，結構緊湊，維護方便。

（2）可輸送的介質黏度≤10 萬CP 和含固量達55%的漿料。

（3）三葉螺旋橡膠復合凸輪轉子與泵體之間采用無間隙設計及進料口寬大設計，密封性好，螺旋外形密封長30%，凸輪泵是容積泵，靠泵腔內容積的變化來輸送混合漿液的泵，輸送含固體顆粒物漿液介質通過能力較高。耐磨板設計，自吸能力強，適應于含固率≤20%脫硫漿液輸送。具有耐腐蝕、抗磨損性能好[2]。

（4）采用低轉速油冷卻軸相動、靜環式機械密封、自吸性能好。

2 FGD 系統內的工況環境及腐蝕磨損機制

濕法脫硫工藝最典型的是石灰石-石膏法，工藝過程是將含有SO2的煙氣經除塵后進入換熱器降溫，再進入吸收塔噴淋石灰石漿液產生化學反應，然后將煙氣升溫排放。在工藝流程中，從換熱器、吸收塔（包括強制氧化系統）到煙囪的入口，腐蝕磨損都十分嚴重。煙氣中的SO2、SO3、HF 或其他有害氣體在高溫狀態下與介質發生化學反應，形成相應的酸[3]。濕法脫硫系統的設備磨蝕磨損機制十分復雜，包括：①SO（SO3）的腐蝕。②的腐蝕。③Cl-、F-的腐蝕。氯離子在FGD 工藝漿液中含量較少，它是引起FGD 系統設備腐蝕和應力腐蝕的重要原因。氯離子有很強的可被金屬吸附的能力。化學吸附具有選擇性，對于過渡金屬的Fe、Ni等，氯離子比氧更容易吸附在金屬表面，并把氧排擠掉，取代已被吸附的O2-或OH-，使金屬的鈍化態遭到破壞而發生孔蝕，使不銹鋼材料也會失效。由于氯化物濃縮和產生脫氧縫隙條件造成局部腐蝕。因此，脫硫系統洗滌液中不僅含有H2SO4、HCl、HF 等成分，而且含有煙氣中的中顆粒物有粉塵、脫硫產物及漿液流體中的大量固體懸浮顆粒，例如，使用鈣基吸收劑脫硫后漿液流體中含有的大量石膏顆粒等。氣固液三相流體的輸送過程不僅僅是純機械摩擦磨損力的作用，而是一種包括機械、化學和電化學作用的腐蝕磨損裂紋導致斷裂失效的全過程。三相漿液流體的輸送使金屬以水化離子的形式進入漿液流體，湍流時，流體對金屬表面的切應力，加劇了對金屬泵過流件的腐蝕。在漿液流體中含有大量的塵粒或未除塵的固體懸浮顆粒，還含有腐蝕氣體和泡沫。對金屬設備的腐蝕磨損更為嚴重，造成凸輪轉子地坑泵在運行過程中發生過流部件因脫硫漿液腐蝕磨損故障失效。腐蝕磨損機制包括化學、電化學腐蝕、磨料磨損、沖蝕磨損和應力磨損。它剝離了腐蝕產物并隨流體帶走，而后表面又會因沖蝕作用形成新的腐蝕[4]。廣珠發電廠漿液地坑泵磨損失效機制是一個較復雜的分析過程，有待在維修過程中基于實踐再做進一步的探討，但是失效的最主要原因是漿液介質對通流部分的沖蝕磨損和氣蝕磨損，以沖蝕磨損為主。

通常燃煤電廠FGD 系統中凸輪轉子地坑漿液泵的泵體設計過程中必須考慮泵用材料應對輸送介質的適用性（包括介質的流速、粒徑、介質相位和介質的物理化學性能），同時也應考慮泵通流部分構件沖蝕磨損和腐蝕磨損的匹配適用性。還應考慮通流部分磨損后最低間隙控制規范和調整修正措施[5]，其主要目的是考慮防止因沖蝕磨損和腐蝕、氣蝕磨損而造成的氣室改變流體的流道，加劇磨損的問題。

泵的工作介質為石灰石-石膏漿液，石灰石漿液的平均密度為1153kg/m3，固體為CaSO4·2H2O（23%wt%）、CaCO3以及SiO2、Al2O3等其他固體顆粒，可溶性鹽類。石灰石漿液粉粒徑≤63μm，平均含固量≤15%，Cl-含量為20000～40000ppm，pH 為4.5～7，運行溫度約為46.2℃，因此對泵組通流部件就會產生較大的磨損。泵組過流部件材料設計選材十分重要，不僅要考慮新材料必需要具有足夠的耐腐蝕性能，而且還要求其耐磨性能優越。系統不同工藝部位的腐蝕磨損環境工況各不相同，如表2 所示。

表2 脫硫系統石灰石-石膏漿液輸送處理主要腐蝕磨損工況

3 凸輪轉子地坑泵故障失效原因及對策

凸輪轉子地坑泵在煙氣脫硫漿液輸送工況環境下，運行過程中因腐蝕磨損失效故障，針對其各類故障原因、過程現象、故障失效機制和故障產生后果分析以及解決辦法進行歸納總結，如表3 所示，以最佳的技術工藝方法確保設備安全、經濟、可靠運行。

表3 橡膠復合凸輪轉子泵故障失效分析及對策

凸輪轉子地坑泵在啟動、運行、停機過程中必須注意的規定：①在啟動凸輪轉子地坑泵之前，需要確保泵的所有閥門和管道都處于正常狀態，并檢查泵的軸承滑潤機械密封及電氣系統是否正常。②在啟動地坑泵之前，需要先將泵內的空氣排出，以免出現氣鎖現象。具體方法是打開泵體上的排氣閥門，直到泵內沒有氣體排出為止。③啟動地坑泵時，應先打開進水閥門，然后逐步打開出水閥門，直到泵進入正常工作狀態。如果泵出現異常，應立即停止運行，并檢查分析故障原因，并排除故障。④在正常運行中，應定期檢查凸輪轉子地坑泵的運行狀態，包括檢查泵的運行聲音、振動、溫度等參數，以及管道和閥門的工作狀態等。⑤在停止吸收塔地坑泵時，應先關閉出水閥門，然后逐步關閉進水閥門，最后關閉泵體上的排氣閥門，以避免泵內產生氣鎖現象。

4 建議及效果

（1）珠海經濟特區廣珠發電有限責任公司應用橡膠包覆凸輪轉子地坑泵在FGD 系統運行過程中具有高效節能、低噪音、耐磨抗腐蝕、適應強和維護方便等特點。學習了解凸輪地坑泵的技術性能結構及工況維護技能，熟練掌握常見故障分析決斷措施及解決故障維修工藝控制實施再制造。熟悉維護設備的過程中的關鍵技術和工藝要點，勤學苦練基本功，才能確保設備的可靠性維護和安全運行。

（2）系統設備的防腐蝕磨損處理，除了材料與結構的工況環境的適用性需要改進外，最為重點是關鍵設備要努力創新改進和加強以可靠性為中心的設備維護管理。即地坑輸送的橡膠包覆凸輪轉子泵、徑向及軸向耐腐蝕防磨襯板、軸承、機封、管道等過流件的新技術、新工藝、新結構、新材料的研究開發和推廣應用。例如，珠海經濟特區廣珠發電有限責任公司FGD 系統在各種泵維護和檢修過程中，已經采用了新材料防腐蝕耐磨金屬材料有雙相不銹鋼、高合金特種鋼。非金屬材料有陶瓷、玻璃鋼，高分子聚合物材料有橡膠、塑料，化學聚合物以及金屬、非金屬高分子聚合物、耐腐蝕抗磨損材料等，在生產中發揮了重要作用，達到節能減排增效的目的，取得明顯的社會經濟效益。

5 結語

綜上所述，燃煤發電廠脫硫系統漿液輸送設備過流零部件磨損腐蝕失效機制是一個較復雜的分析處理過程，有待在運行和維護檢修過程中，基于實踐經驗和工況環境條件不斷變化來促進我們持續改進和進步。珠海經濟特區廣珠發電有限責任公司橡膠包覆凸輪轉子地坑泵故障失效機制最主要原因是泵運行過程中漿液（介質）對地溝泵過流部件的磨料沖蝕、磨損和腐蝕，以磨料磨損為主。

應用再制造技術及時修復設備及其過流零部件，研發出適用燃為發電廠FGD 系統工況條件運行的橡膠包覆凸輪轉子地坑泵耐磨抗腐蝕過流零部件新技術工藝、新材料來保障設備正常運行。實施開展以FGD 系統漿液地坑泵設備的狀態維護控制，健全狀態維護制度和以可靠性為中心的設備管理，確保FGD 系統設備的安全、經濟、穩定、高效運行。