減少活塞隔膜泵故障的探索

莫日愛

（中國鋁業(yè)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(chǎn)流程中常用大型設(shè)備，揚(yáng)程高，性能較穩(wěn)定，屬于氧化鋁生產(chǎn)關(guān)鍵主體設(shè)備。中國鋁業(yè)廣西分公司氧化鋁廠一、二系列工程從荷蘭引進(jìn)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(shè)備，輸送氧化鋁原礦漿至高溫高壓單管和壓煮器系統(tǒng)，按“開二備一”模式組織生產(chǎn)。溶出工序是氧化鋁生產(chǎn)流程關(guān)鍵環(huán)節(jié)，活塞隔膜泵在整個(gè)氧化鋁生產(chǎn)工藝中起著舉足輕重的作用，其運(yùn)行情況直接決定氧化鋁生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定性。

隨著隔膜泵流量高位運(yùn)行和運(yùn)轉(zhuǎn)率的提高，加上一系列2臺隔膜泵使用年限已達(dá)20年，設(shè)備故障逐漸增多，設(shè)備非停次數(shù)也逐年增加，平均無故障時(shí)間已縮短至12天。設(shè)備故障故障率高62次/年，全年備件費(fèi)用達(dá)到了300萬元,潤滑油消耗超過20萬元。設(shè)備的高故障、穩(wěn)定性差、泄漏點(diǎn)多等問題已經(jīng)嚴(yán)重威脅到了溶出高壓系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，多次造成溶出機(jī)組悶罐。隔膜泵的不良狀況已影響到氧化鋁廠生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

1 活塞隔膜泵主要故障分析

活塞隔膜泵主要由驅(qū)動裝置、動力端、液力端、控制系統(tǒng)組成。近幾年的情況表現(xiàn)，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(tǒng)故障、推進(jìn)液蓄能器故障、潤滑系統(tǒng)泄漏等故障。閥室單向閥經(jīng)過多次改進(jìn)目前更換周期已達(dá)到25天，正常按周期檢查更換，周期內(nèi)基本無異常發(fā)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(yùn)行了15年。3臺泵設(shè)備老化陳舊和一些零部件結(jié)構(gòu)缺陷，是設(shè)備故障較高的主要原因之一。

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

（3）液力端限壓系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各類接頭密封點(diǎn)多且容易泄漏，密封性較差，其中限壓安全閥近幾年表現(xiàn)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(xiàn)損壞，影響整個(gè)限壓系統(tǒng)的密封性。限壓安全閥泄漏，

造成的影響有3個(gè)：①如泄漏過大，推進(jìn)液補(bǔ)油頻繁，當(dāng)補(bǔ)油量低于泄漏量時(shí)，隔膜因缺油導(dǎo)致異常破損；②隔膜腔內(nèi)推進(jìn)液量反復(fù)變化，隔膜運(yùn)行過程中幾何形變不規(guī)則，加速隔膜損壞；③液力端的平衡被打破，活塞桿受力上發(fā)生變化，在交變應(yīng)力下可能導(dǎo)致活塞桿斷裂，動力端驅(qū)動部分也因液力端的不穩(wěn)定造成連桿軸承損壞等。

（4）液力端推進(jìn)液部分供油系統(tǒng)、限壓系統(tǒng)、沖洗系統(tǒng)等以及動力端的潤滑系統(tǒng)等部分，附件和管路較多，管路接頭經(jīng)多年的拆裝檢修，恢復(fù)后常因密封不良出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，密封處的泄漏點(diǎn)達(dá)100多個(gè)。油路泄漏，成為近年主要常見故障，除了容易導(dǎo)致設(shè)備因泄漏原因停機(jī)處理外，也會影響設(shè)備衛(wèi)生和現(xiàn)場環(huán)境。

（5）控制系統(tǒng)的儀表采用的是電接點(diǎn)壓力表，受結(jié)構(gòu)限制，壓力檢測元件直接和介質(zhì)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(jī)油泵啟動瞬間，一個(gè)沖擊壓力作用在形變元件上，使指針?biāo)查g沖擊，久而久之，在沖擊壓力作用下，使機(jī)械式指針機(jī)構(gòu)失效，導(dǎo)致電接點(diǎn)輸出誤動或抖動，造成信號不穩(wěn)定。另外由于傳輸電接點(diǎn)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(shè)備或增加1臺套設(shè)備來改善活塞隔膜泵目前高故障率狀態(tài)都不現(xiàn)實(shí)，活塞隔膜泵備件費(fèi)用昂貴，采購或新增1臺設(shè)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(jié)合多年的經(jīng)驗(yàn)和當(dāng)前新技術(shù)新裝備特性，提出了3臺泵同時(shí)運(yùn)行供料模式等多條改進(jìn)措施。

2．1 改變活塞隔膜泵運(yùn)行方式，降低單臺活塞隔膜泵運(yùn)行沖程

一、二系列3臺活塞隔膜泵采用的是 開二備一 運(yùn)行模式，1#泵和3#泵分別單獨(dú)給一、二系列溶出機(jī)組供料，2#泵作為備用泵，在其他2臺檢修時(shí)，單獨(dú)給一系列溶出機(jī)組或二系列溶出機(jī)組供料，檢修完畢恢復(fù)運(yùn)行后，2#泵退出繼續(xù)備用。如果采用3臺泵同時(shí)運(yùn)行共同給一、二系列溶出機(jī)組供料模式，在機(jī)組料漿需求量不變的條件下，可降低單臺泵運(yùn)行沖程，減少單臺泵進(jìn)料量，降低泵運(yùn)行負(fù)荷。沖程和負(fù)荷的減少，有利于減小設(shè)備振動和減緩零部件的磨損，有益于減少設(shè)備故障，提高設(shè)備完好率，是很好的運(yùn)行模式。關(guān)鍵是3臺泵同時(shí)運(yùn)行供料，需解決以下四個(gè)問題：①因泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，公備泵往兩個(gè)溶出供料時(shí)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(jī)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(yùn)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(shí)給兩個(gè)系列供料時(shí)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行；③需要解決公用泵由同時(shí)向兩個(gè)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(shí)運(yùn)行是否比兩臺泵運(yùn)行時(shí)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)是四缸雙作用，泵體分為左泵和右泵（圖1）。利用其特點(diǎn)當(dāng)3臺泵同時(shí)往兩條系列供料，對1臺公備用泵的運(yùn)行方式進(jìn)行改變，改為1#泵與2#泵的左泵給一系列溶出機(jī)組供料，3#泵與2#泵的右泵給二系列溶出機(jī)組供料，中間用聯(lián)通閥控制，保證1#或3#泵故障的時(shí)候2#泵能單獨(dú)向機(jī)組供料，確保機(jī)組正常運(yùn)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)是四相位，容易因相位的疊加時(shí)，導(dǎo)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(gè)措施。

（1）通過增加2#泵出口氮?dú)獍鳛榫彌_器，減少出口壓力的波動。當(dāng)單臺泵往同一條系列輸出料漿時(shí)，其四相位及排料沖程是有規(guī)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(shí)供料時(shí)，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(shè)備左、右泵分別一個(gè)氮?dú)獍耙粋€(gè)總氮?dú)獍某勺蟆⒂冶贸隹诟鲀蓚€(gè)氮?dú)獍?/p>

圖3

（2）在設(shè)備操作使用上當(dāng)3泵需要同時(shí)運(yùn)行時(shí)，生產(chǎn)操作人員首先把公備泵2#泵開啟運(yùn)行至所需的流量時(shí)，再把其他泵提升至泵運(yùn)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(shí)向兩個(gè)系列供料，還需要確保公用泵在某1臺隔膜泵檢修時(shí)，公用泵需要恢復(fù)向單一溶出機(jī)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(tǒng)的聯(lián)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(jī)組連鎖；第二種模式，公用泵與二系列機(jī)組連鎖；第三種模式，公用泵同時(shí)與一、二系列機(jī)組連鎖，任何一個(gè)機(jī)組故障均連鎖公用泵跳停。為了實(shí)現(xiàn)連鎖控制模式，硬件上新增一個(gè)三模式選擇開關(guān)，軟件上在DSC進(jìn)行編程組態(tài)，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)計(jì)分析，一、二系列2臺隔膜泵分別單獨(dú)供料2個(gè)系列的能耗為1700kW/h（供2個(gè)溶出，累積4h后平均），3臺運(yùn)行的平均能耗為1360kW/h（供2個(gè)溶出，累積6h后平均值），而節(jié)電達(dá)到340kW/h。可見3臺泵同時(shí)運(yùn)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(shí)施了3臺泵同時(shí)運(yùn)行供料相關(guān)改造，2#泵出口料漿部分增加聯(lián)通管道、閥門和緩沖器等裝置，實(shí)現(xiàn)2#泵既能同時(shí)向一、二系列溶出機(jī)組供料，又能單向給一系列溶出機(jī)組或二系列溶出機(jī)組供料。控制系統(tǒng)新增了三模式選擇開關(guān)，并進(jìn)行相應(yīng)DSC編程組態(tài)，實(shí)現(xiàn)軟連鎖的切換。改造后運(yùn)行，設(shè)備正常，供料正常，達(dá)到預(yù)期效果。

2．2 3臺泵同時(shí)運(yùn)行供料模式對泵的穩(wěn)定性要求更高

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

（1）限壓系統(tǒng)的改造。限壓系統(tǒng)的插裝閥經(jīng)常因?yàn)榘踩y密封泄漏導(dǎo)致生產(chǎn)和設(shè)備事故，而且備件價(jià)格昂貴。針對此問題氧化鋁廠設(shè)備技術(shù)人員開始對其安全閥改型。取消原限壓系統(tǒng)中的油泵、蓄能器等復(fù)雜構(gòu)件，安全閥改用常見的彈簧式安全閥，改造后只有單獨(dú)的安全閥構(gòu)件，裝置簡單維護(hù)方便，穩(wěn)定性好。

（2）針對油路、附件燃油泄漏問題，對3臺泵進(jìn)行了較全面的整改檢修。活塞缸端部漏油問題經(jīng)常引發(fā)隔膜泵推進(jìn)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(tǒng)油流指示器密封部分拆卸后找平研磨達(dá)到密封標(biāo)準(zhǔn)，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(jīng)過一次整體的深度維護(hù)后，各密封點(diǎn)得到了有效控制，保證了良好密封。

（3）針對控制系統(tǒng)儀表不穩(wěn)定以及電接點(diǎn)壓力信號不便于連續(xù)跟蹤信號的趨勢，無法直觀顯示信號曲線并判斷設(shè)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(zhuǎn)換為連續(xù)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(fā)生變化，致使信號傳輸連續(xù)穩(wěn)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(jīng)過改造提升和綜合檢修維護(hù)后，準(zhǔn)備整體性能得到改善提升，尤其是開啟3泵同時(shí)運(yùn)行供料模式，降低設(shè)備運(yùn)行沖程，有效減小設(shè)備振動，設(shè)備故障明顯減少。

實(shí)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(jī)組非停最少7h（按平均算），產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約32萬元。全年3臺泵未發(fā)生活塞桿斷裂、連桿軸承損壞、安全閥損壞等往年常發(fā)生的主要零部件損壞故障，較往年零部件消耗和檢修費(fèi)用節(jié)約約150萬元。另外3臺活塞隔膜泵同時(shí)運(yùn)行供料的平均能耗為1360kW·h較2臺活塞隔膜泵分別單獨(dú)供2個(gè)系列的能耗為1700kW·h可年節(jié)約費(fèi)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(yùn)行沖程的降低，現(xiàn)場噪聲值由原來89.2dB下降到87.4dB，現(xiàn)場噪聲降低，改善現(xiàn)場環(huán)境，有利于減少職業(yè)危害。油路泄漏的減少，清潔設(shè)備同時(shí)也改善現(xiàn)場衛(wèi)生，為員工創(chuàng)造更適時(shí)的作業(yè)環(huán)境。

4 結(jié)語

氧化鋁廠經(jīng)過3臺活塞隔膜泵進(jìn)行較全面的問題治理，尤其是創(chuàng)新性改造一、二系列活塞隔膜泵料漿出口部分、先啟動運(yùn)行公備泵和聯(lián)鎖切換模式的優(yōu)化，成功推行3臺活塞隔膜泵同時(shí)運(yùn)行供料運(yùn)行模式，有效提升設(shè)備可靠性，降低設(shè)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(yùn)行模式的創(chuàng)新應(yīng)用，對于同類雙泵雙缸雙作用隔膜泵或同行業(yè)設(shè)備運(yùn)行方式提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。