減少活塞隔膜泵故障的探索

莫日愛

（中國鋁業廣西分公司氧化鋁廠，廣西 平果 531400）

活塞隔膜泵是拜耳法氧化鋁生產流程中常用大型設備，揚程高，性能較穩定，屬于氧化鋁生產關鍵主體設備。中國鋁業廣西分公司氧化鋁廠一、二系列工程從荷蘭引進了3臺活塞隔膜泵，工作壓力6MPa，流量245～490m3/h，沖程22～37spm，安裝在溶出工序，是溶出工序的 心臟 設備，輸送氧化鋁原礦漿至高溫高壓單管和壓煮器系統，按“開二備一”模式組織生產。溶出工序是氧化鋁生產流程關鍵環節，活塞隔膜泵在整個氧化鋁生產工藝中起著舉足輕重的作用，其運行情況直接決定氧化鋁生產連續穩定性。

隨著隔膜泵流量高位運行和運轉率的提高，加上一系列2臺隔膜泵使用年限已達20年，設備故障逐漸增多，設備非停次數也逐年增加，平均無故障時間已縮短至12天。設備故障故障率高62次/年，全年備件費用達到了300萬元,潤滑油消耗超過20萬元。設備的高故障、穩定性差、泄漏點多等問題已經嚴重威脅到了溶出高壓系統的穩定運行，多次造成溶出機組悶罐。隔膜泵的不良狀況已影響到氧化鋁廠生產的正常運行。

1 活塞隔膜泵主要故障分析

活塞隔膜泵主要由驅動裝置、動力端、液力端、控制系統組成。近幾年的情況表現，活塞隔膜泵的主要故障集中在動力端軸承故障、連桿斷裂、活塞缸端蓋密封泄漏、泵室隔膜破損、閥室單向閥損壞、限壓系統故障、推進液蓄能器故障、潤滑系統泄漏等故障。閥室單向閥經過多次改進目前更換周期已達到25天，正常按周期檢查更換，周期內基本無異常發生。

（1）一、二期溶出工序1#和2#活塞隔膜泵從1995年投用，至2017年已使用22年，3#隔膜泵2002年投用，目前也運行了15年。3臺泵設備老化陳舊和一些零部件結構缺陷，是設備故障較高的主要原因之一。

（2）隨著產量的逐年提高，一、二期活塞隔膜泵單臺的進料量基本保持在475m3/h,達到設計最大流量的97%。要達到此流量，活塞隔膜泵的運行沖程達到約36（37×97%=35.89）spm，接近最大沖程。活塞隔膜泵長時間在較高沖程和高負荷運行，加大設備的振動和零部件的磨損，加速零部件的損壞，也是近年設備故障率高的主要原因之一。

（3）液力端限壓系統的內部結構復雜，各類接頭密封點多且容易泄漏，密封性較差，其中限壓安全閥近幾年表現尤為突出。限壓安全閥泄漏動作后，閥芯處的O型圈在回座后出現損壞，影響整個限壓系統的密封性。限壓安全閥泄漏，

造成的影響有3個：①如泄漏過大，推進液補油頻繁，當補油量低于泄漏量時，隔膜因缺油導致異常破損；②隔膜腔內推進液量反復變化，隔膜運行過程中幾何形變不規則，加速隔膜損壞；③液力端的平衡被打破，活塞桿受力上發生變化，在交變應力下可能導致活塞桿斷裂，動力端驅動部分也因液力端的不穩定造成連桿軸承損壞等。

（4）液力端推進液部分供油系統、限壓系統、沖洗系統等以及動力端的潤滑系統等部分，附件和管路較多，管路接頭經多年的拆裝檢修，恢復后常因密封不良出現泄漏現象，密封處的泄漏點達100多個。油路泄漏，成為近年主要常見故障，除了容易導致設備因泄漏原因停機處理外，也會影響設備衛生和現場環境。

（5）控制系統的儀表采用的是電接點壓力表，受結構限制，壓力檢測元件直接和介質接觸，檢測元件直接受壓并通過形變將壓力通過指針傳遞出來，在隔膜泵輔機油泵啟動瞬間，一個沖擊壓力作用在形變元件上，使指針瞬間沖擊，久而久之，在沖擊壓力作用下，使機械式指針機構失效，導致電接點輸出誤動或抖動，造成信號不穩定。另外由于傳輸電接點信號的電纜一般選用非屏蔽電纜，也會造成信號干擾。

2 主要措施

通過大范圍更換主要零部件、更換整臺設備或增加1臺套設備來改善活塞隔膜泵目前高故障率狀態都不現實，活塞隔膜泵備件費用昂貴，采購或新增1臺設備，投資較大。針對活塞隔膜泵存在的問題，氧化鋁廠開展了大量分析研究工作，結合多年的經驗和當前新技術新裝備特性，提出了3臺泵同時運行供料模式等多條改進措施。

2．1 改變活塞隔膜泵運行方式，降低單臺活塞隔膜泵運行沖程

一、二系列3臺活塞隔膜泵采用的是 開二備一 運行模式，1#泵和3#泵分別單獨給一、二系列溶出機組供料，2#泵作為備用泵，在其他2臺檢修時，單獨給一系列溶出機組或二系列溶出機組供料，檢修完畢恢復運行后，2#泵退出繼續備用。如果采用3臺泵同時運行共同給一、二系列溶出機組供料模式，在機組料漿需求量不變的條件下，可降低單臺泵運行沖程，減少單臺泵進料量，降低泵運行負荷。沖程和負荷的減少，有利于減小設備振動和減緩零部件的磨損，有益于減少設備故障，提高設備完好率，是很好的運行模式。關鍵是3臺泵同時運行供料，需解決以下四個問題：①因泵結構特點，公備泵往兩個溶出供料時如何分料的問題；②解決一、二系列溶出壓力不等的問題，一、二系列溶出機組由于單套管的不同，一系列單管只有5級，二系列單套管有6級，運行過程中，二溶出隔膜泵出口緩沖器壓力比一溶出高4Bar，怎么保證1臺泵同時給兩個系列供料時設備穩定運行；③需要解決公用泵由同時向兩個系列供料切換到向單系列溶出供料的問題，包括其連鎖的條件；④能源消耗問題，3臺泵同時運行是否比兩臺泵運行時能源消耗提高。

2．1．1 分料問題的解決

一、二系列3臺活塞隔膜泵結構特點是四缸雙作用，泵體分為左泵和右泵（圖1）。利用其特點當3臺泵同時往兩條系列供料，對1臺公備用泵的運行方式進行改變，改為1#泵與2#泵的左泵給一系列溶出機組供料，3#泵與2#泵的右泵給二系列溶出機組供料，中間用聯通閥控制，保證1#或3#泵故障的時候2#泵能單獨向機組供料，確保機組正常運行（圖2）。

圖1

圖2

2．1．2 壓力波動問題的解決。

一、二系列3臺活塞隔膜泵結構特點是四相位，容易因相位的疊加時，導致出口料漿的脈沖疊加引起出口壓力的波動增大，針對此問題，采取以下2個措施。

（1）通過增加2#泵出口氮氣包作為緩沖器，減少出口壓力的波動。當單臺泵往同一條系列輸出料漿時，其四相位及排料沖程是有規律的排料，隔膜泵由于存在相位差，出口壓力的相位如圖3。2臺泵同時供料時，出口料漿的脈沖疊加引起出口壓力的波動增大,引起管道振動。為減小出口料漿壓力波動，出口緩沖裝置由原2#泵設備左、右泵分別一個氮氣包及一個總氮氣包改成左、右泵出口各兩個氮氣包。

圖3

（2）在設備操作使用上當3泵需要同時運行時，生產操作人員首先把公備泵2#泵開啟運行至所需的流量時，再把其他泵提升至泵運行速度至正常流量，避免其他2臺泵的相序差對公備泵的影響。

2．1．3 連鎖問題的解決。

因需公備泵能同時向兩個系列供料，還需要確保公用泵在某1臺隔膜泵檢修時，公用泵需要恢復向單一溶出機組供料，并且要具備向一系列或者二系列切換的能力，對系統的聯鎖提出三種模式的新要求。即第一種模式，公用泵與一系列機組連鎖；第二種模式，公用泵與二系列機組連鎖；第三種模式，公用泵同時與一、二系列機組連鎖，任何一個機組故障均連鎖公用泵跳停。為了實現連鎖控制模式，硬件上新增一個三模式選擇開關，軟件上在DSC進行編程組態，實現軟連鎖的切換。

2．1．4 能耗問題

能耗問題主要考慮電耗，通過對變頻器電量的統計分析，一、二系列2臺隔膜泵分別單獨供料2個系列的能耗為1700kW/h（供2個溶出，累積4h后平均），3臺運行的平均能耗為1360kW/h（供2個溶出，累積6h后平均值），而節電達到340kW/h。可見3臺泵同時運行供料，不但沒有增加電耗，反而降低。

2018年3月份氧化鋁廠實施了3臺泵同時運行供料相關改造，2#泵出口料漿部分增加聯通管道、閥門和緩沖器等裝置，實現2#泵既能同時向一、二系列溶出機組供料，又能單向給一系列溶出機組或二系列溶出機組供料。控制系統新增了三模式選擇開關，并進行相應DSC編程組態，實現軟連鎖的切換。改造后運行，設備正常，供料正常，達到預期效果。

2．2 3臺泵同時運行供料模式對泵的穩定性要求更高

為了進一步提高活塞隔膜泵可靠性，針對存在的主要故障實施了相應的改造提升和維護，確保滿足要求。

（1）限壓系統的改造。限壓系統的插裝閥經常因為安全閥密封泄漏導致生產和設備事故，而且備件價格昂貴。針對此問題氧化鋁廠設備技術人員開始對其安全閥改型。取消原限壓系統中的油泵、蓄能器等復雜構件，安全閥改用常見的彈簧式安全閥，改造后只有單獨的安全閥構件，裝置簡單維護方便，穩定性好。

（2）針對油路、附件燃油泄漏問題，對3臺泵進行了較全面的整改檢修。活塞缸端部漏油問題經常引發隔膜泵推進液填充的跳停，通過在缸蓋與密封墊之間加入5mm厚鋼制密封墊子，增加缸套密封的壓縮量有效解決活塞缸端部漏油問題。潤滑系統油流指示器密封部分拆卸后找平研磨達到密封標準，油管接頭改為帶密封圈接頭。其他管路接頭拆開檢查，更換密封件、接頭。經過一次整體的深度維護后，各密封點得到了有效控制，保證了良好密封。

（3）針對控制系統儀表不穩定以及電接點壓力信號不便于連續跟蹤信號的趨勢，無法直觀顯示信號曲線并判斷設備故障問題，改為壓變傳遞模擬量信號。由于壓變是把壓力信號轉換為連續的電信號輸出，并用模擬量4 20信號電纜傳輸至PLC，且壓變檢測原理發生變化，致使信號傳輸連續穩定抗干擾性提高，還可通過HMI跟蹤信號變化趨勢。

3 效果及效益

2018年，3臺活塞隔膜泵經過改造提升和綜合檢修維護后，準備整體性能得到改善提升，尤其是開啟3泵同時運行供料模式，降低設備運行沖程，有效減小設備振動，設備故障明顯減少。

實施一系列的措施后，3臺活塞隔膜泵的MTBF由12天提升到21天,減少溶出機組非停最少7h（按平均算），產生經濟效益約32萬元。全年3臺泵未發生活塞桿斷裂、連桿軸承損壞、安全閥損壞等往年常發生的主要零部件損壞故障，較往年零部件消耗和檢修費用節約約150萬元。另外3臺活塞隔膜泵同時運行供料的平均能耗為1360kW·h較2臺活塞隔膜泵分別單獨供2個系列的能耗為1700kW·h可年節約費用339×0.6×365×24×0.975×0.3544≈62萬元。年綜合成效244萬元。

活塞隔膜泵運行沖程的降低，現場噪聲值由原來89.2dB下降到87.4dB，現場噪聲降低，改善現場環境，有利于減少職業危害。油路泄漏的減少，清潔設備同時也改善現場衛生，為員工創造更適時的作業環境。

4 結語

氧化鋁廠經過3臺活塞隔膜泵進行較全面的問題治理，尤其是創新性改造一、二系列活塞隔膜泵料漿出口部分、先啟動運行公備泵和聯鎖切換模式的優化，成功推行3臺活塞隔膜泵同時運行供料運行模式，有效提升設備可靠性，降低設備故障率，取得較好的效果和效益。一、二系列溶出活塞隔膜泵運行模式的創新應用，對于同類雙泵雙缸雙作用隔膜泵或同行業設備運行方式提供借鑒經驗。