雙軟管高壓煤漿泵軟管破裂原因分析及對(duì)策

高海松

(中石化齊魯分公司第二化肥廠， 山東淄博 255400)

GE水煤漿氣化工藝中，煤漿和氧氣在燒嘴中充分混合，在壓力為6.5 MPa、溫度為1 400 ℃左右的條件下，在氣化爐內(nèi)進(jìn)行火焰型非催化部分氧化反應(yīng)，生成主要成分為H2、CO、CO2的粗合成氣。

高壓煤漿泵承擔(dān)著將水煤漿送入燒嘴的作用，它在氣化工藝中具有至關(guān)重要的地位。為了保護(hù)氣化爐的安全，工藝包中設(shè)計(jì)了氧煤比(氧氣體積流量和煤漿體積流量的比值)作為氣化爐聯(lián)鎖指標(biāo)之一。氧氣流量過高或煤漿流量過低均會(huì)使氧煤比高或氧煤比高高導(dǎo)致聯(lián)鎖停車。高壓煤漿泵軟管破裂后液壓油液位降低或者煤漿進(jìn)入液壓腔，可能導(dǎo)致缸體不做功從而使氧煤比高或氧煤比高高聯(lián)鎖。更嚴(yán)重的是若在出現(xiàn)過氧情況時(shí)，聯(lián)鎖未能正常動(dòng)作，會(huì)給氣化爐帶來災(zāi)難性后果。

因此,為了避免軟管破裂故障，需要從高壓煤漿泵的結(jié)構(gòu)、工作原理，以及軟管所處的工藝環(huán)境進(jìn)行逐一分析，找到軟管破裂的原因，然后制定相應(yīng)的措施來消除這些故障發(fā)生的必要條件。

1 雙軟管高壓煤漿泵結(jié)構(gòu)

雙軟管高壓煤漿泵的主要結(jié)構(gòu)有驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力端、液力端、液壓輔助系統(tǒng)、進(jìn)出口壓力流量穩(wěn)定系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、消振隔振裝置等。

軟管屬于液力端部分，液力端由活塞與油缸組件、軟管腔和單向止逆閥組成。軟管將煤漿與液壓輔助系統(tǒng)、泵腔隔離開來，避免泵腔被腐蝕和磨損。中石化齊魯分公司第二化肥廠水煤漿氣化裝置使用的高壓煤漿泵屬于雙軟管泵，內(nèi)軟管內(nèi)部為自下而上流動(dòng)的煤漿，外軟管外部為液壓油。為了監(jiān)測(cè)軟管運(yùn)行狀況，在內(nèi)外軟管之間空腔端蓋處安裝了軟管破裂報(bào)警裝置。當(dāng)任意一層軟管破裂，煤漿或液壓油都會(huì)進(jìn)入雙層軟管之間從而使壓力開關(guān)動(dòng)作。此時(shí)軟管破裂報(bào)警裝置會(huì)向中控發(fā)出故障信號(hào)。但泵在短期內(nèi)仍能憑借另外一層軟管像傳統(tǒng)隔膜泵那樣繼續(xù)運(yùn)行，直至整個(gè)系統(tǒng)做好了計(jì)劃停機(jī)檢修的準(zhǔn)備。

高壓煤漿泵液力端示意圖見圖1。

圖1 高壓煤漿泵液力端示意圖

2 雙軟管高壓煤漿泵的工作原理

高壓煤漿泵工作原理圖見圖2。

圖2 高壓煤漿泵工作原理圖

高壓煤漿泵由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過減速箱減速后，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在曲軸箱中轉(zhuǎn)換為往復(fù)運(yùn)動(dòng)。活塞在液壓缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)液壓油作用于內(nèi)外軟管。由于雙軟管的特殊結(jié)構(gòu)，它們始終按相同的方向和形狀收縮和鼓脹。

活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓油擠壓軟管，軟管此時(shí)被壓縮，內(nèi)軟管腔體內(nèi)壓力提高，軟管內(nèi)的煤漿被排出。活塞向后移動(dòng)時(shí)，軟管向活塞側(cè)抽吸，軟管恢復(fù)初始狀態(tài)，出口閥在出口壓力和重力作用下關(guān)閉，由于膨脹軟管內(nèi)壓力低于入口壓力，入口閥開啟，煤漿流入內(nèi)軟管內(nèi)部?；钊總€(gè)沖程都通過機(jī)械控制補(bǔ)油、排油一次。

當(dāng)活塞前移時(shí)，高壓煤漿泵進(jìn)入排出沖程段，此時(shí)有經(jīng)精確計(jì)算的液壓油通過排氣補(bǔ)油閥壓入油箱，使在吸入段時(shí)混入液壓腔的空氣在油箱中釋放出來。在吸入階段因液壓油量少，外軟管會(huì)在活塞死點(diǎn)位置之前壓向控制盤并通過曲柄開啟排氣補(bǔ)油閥，利用活塞移動(dòng)形成的真空和油箱液位進(jìn)行補(bǔ)油，直至軟管移動(dòng)到極限位置為止。補(bǔ)油閥補(bǔ)油時(shí)只能在曲柄控制下打開，這樣可以確保軟管不會(huì)過分變形。

排出含氣液壓油時(shí)，油壓將下球頂開，油從彈簧定位柱中的孔進(jìn)入上閥室，由排油孔排出。補(bǔ)油時(shí)，軟管通過機(jī)械頂桿將下球頂開；然后利用液力端的負(fù)壓將上球吸下，油箱中的油進(jìn)入上閥室，再通過彈簧定位柱中的孔進(jìn)入下閥室，補(bǔ)入液壓腔。

為了使內(nèi)外軟管緊密貼合，在安裝軟管時(shí)需要在兩層軟管之間加入水和防凍液，然后在試車過程中通過軟管破裂報(bào)警裝置的單向閥將混合液體排出。正常運(yùn)行過程中兩層軟管之間壓力為零。任何一層軟管破裂時(shí)，報(bào)警裝置都向集散控制系統(tǒng)(DCS)發(fā)出故障信號(hào)，現(xiàn)場人員根據(jù)單向閥排出的介質(zhì)來判斷軟管破裂情況：(1)若內(nèi)軟管破裂，在報(bào)警裝置單向閥絲堵處排出煤漿；(2)若外軟管破裂，在報(bào)警裝置單向閥絲堵處排出液壓油，有時(shí)油位會(huì)略微下降；(3)若雙層軟管破裂，油箱液壓油變色(乳化或變黑)，在報(bào)警裝置單向閥絲堵處排出液體。

3 高壓煤漿泵軟管破裂的原因分析

3.1 設(shè)計(jì)及制造方面的原因

3.1.1 設(shè)計(jì)原因

在裝置原始開車早期軟管破裂頻率很高，根據(jù)統(tǒng)計(jì)2008年10月—2019年12月，軟管使用壽命約在2 200 h。鑒于每次軟管破裂的現(xiàn)象基本相同，并根據(jù)系統(tǒng)壓力、流量等參數(shù)排除工藝操作原因后，從設(shè)備的結(jié)構(gòu)、軟管的更換操作兩方面分析根本原因是缸體設(shè)計(jì)存在問題。由于設(shè)計(jì)缺陷，運(yùn)行中液壓腔中氣體不能及時(shí)排出，或者隔膜軟管伸縮率與缸體內(nèi)徑容積設(shè)計(jì)不匹配。將此問題反饋到生產(chǎn)商后，生產(chǎn)商經(jīng)過對(duì)原缸體進(jìn)行測(cè)繪檢查，發(fā)現(xiàn)缸體缺陷是在鑄造時(shí)誤差過大引起的。

后來生產(chǎn)商對(duì)缸體進(jìn)行了改造，取消缸體內(nèi)表面圓形凸起(見圖3)。雖然改造完成，但是更換隔膜后經(jīng)常出現(xiàn)由水和防凍液組成的混合液不能正常排出的現(xiàn)象，這也導(dǎo)致了雙層軟管之間的氣體無法正常排出。為此生產(chǎn)商在內(nèi)軟管外側(cè)對(duì)稱位置粘上2條寬度在5 mm左右的隔筋。在試車過程中因?yàn)楦艚畹拇嬖冢?條軟管在隔筋部位存在縫隙，從而使水和防凍液可以正常排出。

圖3 最初設(shè)計(jì)的缸體

3.1.2 制造缺陷

在軟管的鑄造過程中，可能會(huì)出現(xiàn)氣孔等鑄造缺陷。在設(shè)備運(yùn)行周期內(nèi)，由于軟管質(zhì)量問題導(dǎo)致的破裂情況屢見不鮮。這些缺陷不僅有內(nèi)部缺陷還有外觀可見的缺陷。在該高壓煤漿泵的運(yùn)行中,有一次由于沒有仔細(xì)檢查軟管的外觀就進(jìn)行了安裝，結(jié)果在試車過程中從軟管破裂報(bào)警裝置處持續(xù)排出液體。停機(jī)拆卸后發(fā)現(xiàn)軟管的頂部存在不易發(fā)現(xiàn)的孔洞。對(duì)其他軟管進(jìn)行檢查后發(fā)現(xiàn)同一批次軟管也有一部分存在此類缺陷(見圖4)。經(jīng)過和生產(chǎn)商的溝通后生產(chǎn)商確認(rèn)是質(zhì)量缺陷并進(jìn)行了賠付。在之后的檢維修過程中，軟管的外觀檢查列為了必檢項(xiàng)目。

圖4 有缺陷的軟管

3.2 軟管老化或疲勞

3.2.1 軟管老化

高壓煤漿泵軟管采用氫化丁腈橡膠(HNBR)材質(zhì)。HNBR是由丁腈橡膠(NBR)經(jīng)催化加氫而制得的新型彈性體。加氫反應(yīng)使得HNBR大分子主鏈上的不飽和雙鍵數(shù)量大幅減少, 從而賦予聚合物優(yōu)異的耐熱性、耐候性和耐臭氧性能，保留的腈基使HNBR具有與NBR同樣優(yōu)異的耐化學(xué)穩(wěn)定性[1]。

雖然HNBR性能較NBR有所改善，但是橡膠作為一種有機(jī)高分子產(chǎn)品，在儲(chǔ)存過程中必然會(huì)受到光、熱、氧氣的影響而老化。通過對(duì)橡膠自然老化的研究發(fā)現(xiàn)，氧氣的作用是橡膠老化的主要因素[2]。在實(shí)際生產(chǎn)中還無法做到無氧條件下的儲(chǔ)存，因此軟管的儲(chǔ)存期應(yīng)作為使用前的一項(xiàng)檢查項(xiàng)目。

2.2.2 軟管疲勞

在高壓煤漿泵正常運(yùn)行過程中，雙層軟管一直處于一種周而復(fù)始的擴(kuò)張、收縮狀態(tài)，因此軟管承受一個(gè)周期性的交變應(yīng)力[3]。根據(jù)設(shè)備的制造說明，廠家推薦軟管使用壽命為8 000～12 000 h，若過度使用則存在應(yīng)力開裂的風(fēng)險(xiǎn)。2013年以后軟管破裂次數(shù)大大減少，一方面是因?yàn)檐浌苤圃熨|(zhì)量不斷提高，另一方面是能夠按照氣化爐的運(yùn)行周期對(duì)高壓煤漿泵實(shí)施合理的定期檢修，其間會(huì)根據(jù)軟管的使用壽命進(jìn)行更換。

3.3 安裝原因

施工質(zhì)量是保證設(shè)備檢修后能否正常運(yùn)行的先決條件，在檢修中要求軟管翻邊(相當(dāng)于密封墊)壓縮量適中。如果壓縮量不足，會(huì)造成軟管壓板處泄漏；如果壓縮量過大，軟管上下翻邊容易出現(xiàn)過度形變而發(fā)生提前損壞。內(nèi)軟管外側(cè)兩條隔筋與液壓輔助系統(tǒng)控制盤應(yīng)錯(cuò)開一定的角度，正常安裝時(shí)軟管隔筋與其軸向線錯(cuò)位90°安裝，在此位置軟管變形最小，受力最小，尤其應(yīng)避免隔筋正對(duì)控制盤。因?yàn)槿绻艚钫龑?duì)控制盤的軸線，在運(yùn)行過程中控制盤對(duì)外軟管施加一個(gè)力，這個(gè)力同樣會(huì)傳遞給內(nèi)軟管。按照牛頓第三定律，內(nèi)軟管同樣會(huì)對(duì)外軟管施加一個(gè)大小相等、方向相反的力，而這個(gè)力在隔筋正對(duì)控制盤的軸線時(shí)最大[4]。

2020年7月高壓煤漿泵P1201C軟管破裂時(shí)，拆下檢查軟管發(fā)現(xiàn)外軟管出現(xiàn)縱向裂紋(見圖5，圖5中左側(cè)為破裂的外軟管，右側(cè)為內(nèi)軟管)，而這條裂紋上下未破裂部位也存在明顯的壓痕，直接原因就是內(nèi)軟管外的隔筋長期接觸外軟管，外軟管出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，最終疲勞開裂。

圖5 外軟管破裂情況

3.4 操作運(yùn)行問題

氣化爐停車時(shí)，聯(lián)鎖動(dòng)作設(shè)置為氣化爐一旦停車高壓煤漿泵停運(yùn)、煤漿管線上游切斷閥XV12002、下游切斷閥XV12003關(guān)閉，煤漿管線內(nèi)部存有8.0 MPa的壓力，泵出口緩沖罐軟管外側(cè)與出口緩沖罐(見圖6)之間的防凍液壓力同樣為8.0 MPa。當(dāng)氧氣管線泄壓完成后，煤漿回流閥XV12001自動(dòng)打開，管線壓力瞬間由8.0 MPa降至常壓。而在這個(gè)過程中緩沖罐軟管外側(cè)防凍液壓力無處泄放，必然會(huì)對(duì)軟管造成很大的沖擊。因此，在停車過程中曾經(jīng)多次出現(xiàn)此類軟管呈現(xiàn)爆裂型開裂故障(見圖7)。

圖6 出口緩沖罐及蓄能器

圖7 爆裂型開裂的軟管

4 軟管破裂應(yīng)對(duì)策略

(1) 改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品制造水平。

根據(jù)反饋的信息，生產(chǎn)商對(duì)缸體進(jìn)行了改型，即缸體內(nèi)表面由帶有圓形凸起改為接近于圓弧面。改造后的缸體內(nèi)表面更接近于圓柱形(見圖8)，保證了軟管與缸體的接觸，提高了軟管與缸體內(nèi)表面接觸時(shí)形成的油膜的穩(wěn)定性，延長了軟管的使用壽命。

圖8 改造后的缸體

隨著原材料和制造水平的提高，軟管質(zhì)量問題已基本不存在，但在實(shí)際檢修中外觀宏觀檢查仍要作為一個(gè)必須項(xiàng)。

(2) 制定軟管采購及儲(chǔ)備策略。

利用現(xiàn)有采購模式和特殊儲(chǔ)備優(yōu)勢(shì)，制定以下策略：

① 將庫存量4套作為軟管的最低風(fēng)險(xiǎn)庫存，任何情況下都要確保庫存在4套(1臺(tái)泵用)以上。

② 按照每年正常消耗8套軟管進(jìn)行采購，年初利用工單集中采購10套軟管。

③ 將軟管按照到貨時(shí)間標(biāo)記清楚，并根據(jù)到貨時(shí)間劃分區(qū)域儲(chǔ)存。

④ 從到貨到運(yùn)行末期滿足3 a的軟管給予更換，到貨超過2 a沒有運(yùn)行的軟管不予使用。

(3) 預(yù)防性維修策略及執(zhí)行。

按照以可靠性為中心的維修(RCM)理念，對(duì)高壓煤漿泵軟管破裂這一故障采取主動(dòng)性維修，而最符合設(shè)備運(yùn)行規(guī)律的預(yù)防性維修策略是定期報(bào)廢。根據(jù)以往運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，制定以下預(yù)防性維修策略：

① 3個(gè)液壓缸的軟管按照10 000 h的使用壽命控制。一般氣化爐1個(gè)運(yùn)行周期使用2支燒嘴，按照每支燒嘴壽命為90 d計(jì)算，則1個(gè)氣化爐運(yùn)行周期一般在180 d,即4 320 h，則2個(gè)氣化爐運(yùn)行周期就可以更換1次軟管。由于出口緩沖罐承受的交變應(yīng)力較小，出口緩沖罐軟管按照17 500 h的使用壽命來控制，因此每4個(gè)氣化爐運(yùn)行周期更換1次出口緩沖罐軟管。

② 當(dāng)某1個(gè)缸軟管壓板處出現(xiàn)泄漏時(shí)，下次氣化爐檢修時(shí)必須更換該缸的軟管。

③ 每次計(jì)劃檢修時(shí)要檢查出口緩沖罐軟管內(nèi)側(cè)是否有破裂跡象。

④ 液壓油變渾濁時(shí)要檢查清理排氣補(bǔ)油閥，置換液壓油并清洗液壓油腔體。

⑤ 每次計(jì)劃檢修時(shí)檢查軟管破裂報(bào)警裝置單向閥。

⑥ 當(dāng)單側(cè)軟管破裂時(shí)盡快協(xié)調(diào)生產(chǎn)調(diào)度調(diào)整系統(tǒng)負(fù)荷，盡快停機(jī)更換軟管。

(4) 質(zhì)量控制。

做好檢維修質(zhì)量控制，重點(diǎn)是軟管的安裝，應(yīng)做到：

① 仔細(xì)折疊新的軟管-隔膜并插入軟管缸體中，確認(rèn)軟管-隔膜外表面上的箭頭與介質(zhì)流動(dòng)方向一致。

② 盤車移動(dòng)相應(yīng)軟管缸體活塞的位置，保證外軟管接觸控制盤。

③ 內(nèi)軟管2條隔筋平面與液壓系統(tǒng)控制盤軸線角度為90°±5°。

④ 按照介質(zhì)的流向安裝入口閥，內(nèi)軟管充水，向內(nèi)外軟管之間的空腔添加由水和防凍劑組成的傳動(dòng)液，充滿傳動(dòng)液并排盡空氣。

⑤ 將活塞移到前死點(diǎn)，拆卸排氣補(bǔ)油閥和缸體頂部的排氣閥添加液壓油。緩慢加油將液壓腔體內(nèi)的氣體從缸體頂部的排氣閥處排出時(shí)。確保液壓油中的氣體完全排出后裝上排氣閥并安裝液壓油回油管線，安裝并旋緊排氣補(bǔ)油閥。

(5) 改善停機(jī)操作。

優(yōu)化氣化爐停機(jī)泄壓操作設(shè)計(jì)，在氣化爐停機(jī)后給煤漿回流閥XV12001加強(qiáng)制信號(hào)，強(qiáng)制其在氧氣管線泄壓完成后處于關(guān)閉狀態(tài),即氧氣管線泄壓完成以后，煤漿管線仍然有8.0 MPa的壓力。此時(shí)將煤漿管線水壓線盲板倒通，操作人員通過手動(dòng)打開水壓線閥門緩慢將煤漿管線壓力降低至常壓，出口緩沖罐就不會(huì)承受瞬間的沖擊。

5 結(jié)語

高壓煤漿泵軟管破裂的原因是多方面的，不僅涉及到生產(chǎn)制造，而且與安裝、運(yùn)行等多個(gè)方面密切相關(guān)。設(shè)備的運(yùn)行狀況很多時(shí)候取決于操作方法，因此要杜絕軟管破裂的問題除了要在采購、儲(chǔ)備上下功夫，更要在日常操作和維修上做工作。在預(yù)防性維修的同時(shí)要不斷提高狀態(tài)監(jiān)測(cè)水平，為預(yù)知性檢修提供技術(shù)支持，這樣才能杜絕軟管破裂故障，從而保證高壓煤漿泵、氣化爐的運(yùn)行安全。