液压驱动隔膜计量泵的选用和故障处理

黄毅

液压驱动隔膜计量泵的选用和故障处理

黄毅

计量泵分为柱塞泵、隔膜泵和齿轮泵等多种形式，广泛应用于石油化工等领域。其中液压驱动隔膜计量泵以其无泄漏、可靠性高的特点被某工程塑料装置选用。技术人员在使用过程中通过解决出口压力大幅波动和出口无流量等故障熟悉了解了该型泵的结构特点。

隔膜计量泵 选用 压力波动 无流量

计量泵是流体输送机械的一种，其突出特点是可以保持与排出压力无关的恒定流量。使用计量泵可以同时完成输送、计量和调节的功能,从而简化生产工艺流程。使用多台计量泵，可以将几种介质按准确比例输入工艺流程中进行混合。由于其自身的突出，计量泵如今已被广泛地应用于石油化工、制药、食品等各工业领域中。在我公司的实际生产中也根据工艺条件需要选择使用了大量的计量泵，并在运行和维护中积累了一定的使用经验。

1 计量泵的分类和基本原理

计量泵的常见类型包括柱塞泵、隔膜泵和齿轮泵，其中尤以前两种泵得到了更广泛的使用。由于同为往复泵，柱塞泵和隔膜泵具有类似的结构。典型的往复式计量泵主要由传动机座部件、泵头部件和电机三部份组成。传动机座部件将电机的圆周运动转变为泵头内柱塞（或隔膜）的往复运动。随着柱塞（或隔膜）在液缸内的往复运动 ，液体被不断吸入和排出。排出行程中，柱塞（或隔膜）的移动在液体上增加了压力，使液体得以输送。由于每个周期柱塞（或隔膜）推送的液体量与其推送的行程成正比，改变行程长度即可方便的达到调节流量的作用，也可通过改变往复运动频率或同时采用两种方法来调节流量[1]。

1.1 柱塞泵的特点

尽管结构相似，但柱塞泵与隔膜泵具有显著的不同。其直接利用柱塞推动工作介质，因此柱塞式计量泵具有结构简单、耐高温高压、计量精度高等优点。但柱塞泵的结构在带来显著好处的同时也导致了工作介质和泵内润滑剂之间无法实现完全隔离这一缺点。即使采用填料实现柱塞的密封,在填料被腐蚀和磨损后也会影响泵的计量精度。在高防污染要求的介质输送应用中填料密封的可靠性也无法满足要求。对于这样的应用环境，隔膜式计量泵就具备了无可比拟的优势。

1.2 隔膜式计量泵的特点

顾名思义，隔膜式计量泵利用柔性隔膜取代活塞，在驱动机构作用下实现往复运动，完成吸入－排出过程。由于隔膜的隔离作用，在结构上真正实现了被计量流体与驱动润滑机构之间的隔离。因此特别适合于不容许泄漏的场合，例如输送易燃、易爆、有毒和贵重的介质。优化的结构设计和新型材料的选用大大提高了隔膜的使用寿命，加上复合材料优异的耐腐蚀特性，隔膜式计量泵目前已经成为流体计量应用中的主力泵型。在隔膜式计量泵家族里，液力驱动式隔膜泵由于采用了油均匀地驱动隔膜，克服了机械直接驱动方式下泵隔膜受力过分集中的缺点，进一步提升了隔膜寿命和工作压力上限。[2]

2 某工程塑料装置中计量泵的选用

该工程塑料装置的工艺中需要向反应器内定量输送多种辅料，因此需要使用较多的计量泵。由于引发剂、硅油等辅料均价格昂贵且部分辅料为过氧化物等高风险的化学品，因此对机泵的防泄露要求很高。在选择设备初期就确定了使用计量泵的基本类型为隔膜式计量泵。此外该装置聚合反应要求保证辅料的连续添加，如引发剂停止供应超过10分钟就将导致生产线全线停车，导致巨额物料损失。这样的工艺条件对计量泵提出了极高的可靠性要求。综合以上因素装置选用了米顿罗公司的液压驱动隔膜计量泵。该型计量泵由于采用液压驱动，避免了传统隔膜泵柱塞直接与隔膜连接造成应力集中的问题，因此隔膜的使用寿命较长。为进一步确保工艺的可靠性要求，该泵还采用了双隔膜的机构，并配备了隔膜破损检测装置。可以在单层隔膜发生破裂的情况下通过检测装置及时发现以便进行切换维修。这种泵的计量稳态重复精度也达到±1%的水平，满足了工艺要求。该泵的液压旁路设计，保证了机泵无论停机或运行均可从0-100%额定流量进行调节。

这批隔膜计量泵投用至今近五年时间，运行情况良好，表现出较高的可靠性。

3 液压驱动隔膜计量泵使用过程中的故障和解决方法

由于装置使用液压驱动隔膜泵也是新的尝试，在运行期间，尤其是在装置开车初期，计量泵也出现过各种不同类型的故障。通过解决这些问题，也逐渐提高了工程技术人员对这种泵的性能和结构特点的理解，为其后机泵长期稳定运行奠定了基础。

3.1 计量泵出口压力流量大幅波动

装置使用隔膜式计量泵时为采用变频电机驱动，并在计量泵出口配备质量流量计。通过变频电机与流量计的配合，实现流量的自动控制。计量泵运行过程中发现流量出现大幅波动的情况，现场检查发现计量泵现场压力表显示的计量泵出口压力也存在大幅波动的情况。在排除控制系统原因后，对机泵进行了拆解检查，未发现异常。机泵重新安装后故障依旧。后检查发现计量泵出口的脉冲缓冲器设定压力明显低于正常值，经重新加压至使用压力的50%～60%之间后故障解决。（见图1）

图1：计量泵的脉冲缓冲器

由于为隔膜计量泵的机构为往复泵，其运行过程中存在排出行程和吸入行程。排出行程中进口阀关闭，被输送介质在膜片的作用下受压被推出出口阀，计量泵出口压力达到最高值。但在吸入行程中则进口阀开启从进口管吸入被输送介质，此时出口阀关闭使得计量泵出口压力达到最低值。为避免这样的压力、流量波动给工艺和控制带来不利影响，计量泵大多配有脉冲缓冲器。脉冲缓冲器实质上是一个储存惰性气体的腔室（本例中缓冲器内填充氮气）。在一定封闭空间内液体是不可压缩的，气体却可以。脉冲缓冲器正是应用了气体的可压缩性来缓冲管路输送中液体的脉冲。减小被输送介质的压力、流量波动。在排出行程中计量泵的出口压力升高，被输送介质压缩脉冲缓冲器内的氮气并进入脉冲缓冲器内避免出口压力过高。在吸入行程中计量泵的出口压力下降，当其压力低于氮气压力时，氮气膨胀并迫使介质流回管路。使得出口压力保持在一定得水平。有关研究表明，合适的脉冲缓冲器可以减小系统90%或者更多的脉冲。

在缓冲器内的氮气压力不足的情况下，在计量泵排出行程时缓冲器内气体被过度压缩，在吸入行程时又无法为回流介质提供足够压力。缓冲器无法起到正常的缓冲作用，导致了压力的大幅波动，进而导致了计量泵出口流量的波动。恢复缓冲器功能后即排除了故障。

3.2 计量泵出口无流量故障

计量泵在使用过程中出现出口流量短时间内大幅降低的情况。故障随机出现，在变频数值不变的条件下出口流量明显低于正常值，甚至降到无流量。故障持续30秒左右后自行恢复。解决故障的过程中首先怀疑出口管上安全阀起跳泄漏，将安全阀出口加装盲板后故障依旧。随后尝试更换计量泵出口脉冲缓冲器亦无效果。由于该泵的液压驱动油由传动机座内的润滑油提供，考虑是否润滑油中的杂质堵塞油路。遂对润滑油进行更换，同时对传动机座内的润滑油腔进行清洗。但润滑油更换两次后问题依旧。最终决定拆泵检查，经拆解机泵在计量泵进口单向阀中发现半个垫圈。确定该异物为导致流量间隙波动的原因。其在单向阀中影响单向阀的正常启闭，导致计量泵无法正常吸入被输送介质。造成出口流量的异常波动。

计量泵中的异物移除后本应将故障排除，但将机泵重新组装后却出现了出口完全没有流量的故障。经多次拆卸检查均未发现异常。经仔细查看该泵的图纸资料，才找出故障原因。这是由于该型计量泵每次完全拆解后均需要执行对隔膜腔的充油操作。

该泵的输送作用是通过如下四个基本部件来实现和进行控制的：

泵柱塞“A”以一定得行程做往复运动，液压油被挤压，进入隔膜腔“C”，推出隔膜。

隔膜“X”是液压油和被输送介质之间可以移动的分隔物。

旁路油路从隔膜腔“C”经油路“E”，旁路开口“H”和控制阀“F”回油箱“D”。

一个与泵柱塞一起运动并直接与之相连的旁路控制柱塞“G”，将旁路开口“H”的开关与泵柱塞的位置联系在一起。

当泵柱塞和旁路控制柱塞向前运动，如图4所示，被挤压的油被旁路到油箱中，知道控制柱塞“G”将旁路开口“H”关闭，如图5所示。柱塞的位移被施加到隔膜上，隔膜被推动，挤压物料通过出口止回球阀排出。在吸入行程，泵柱塞将油带出隔膜腔，从而移动隔膜，将物料通过入口止回球阀吸入。当控制柱塞“G”打开旁路开口“H”时，可通过旁路通道供油来实现液压油腔内的油量平衡。

通过旋转调节手柄移动控制阀“F”，使旁路开口“H”能在整个柱塞行程所希望的百分比位置关闭，从而实现排出流量0-100%的调节。当控制阀调到100%流量，旁路开口在每个吸入行程终了时打开，然后在排出行程时，旁路开口立即关闭，使整个柱塞位移都施加到了隔膜上。

当控制阀调到50%流量，旁路开口在柱塞吸入行程一半处打开，在下一个排出行程时，泵柱塞推动的油在第一个50%行程时通过打开的开口旁路回到油箱中，之后旁路开口被控制柱塞关闭，余下的50%柱塞位移被施加到隔膜上，所以只有柱塞一半行程的流体被排放。

由于在维修单向阀的过程中计量泵被完全拆解，隔膜腔“C”内的液压油（润滑油）被全部放净，重新开始运行前必须将其充满液压油。从该泵的原理中不难看出在高流量的设定位置油箱与隔膜腔间的联通时间很短，吸入排出的油量也就极少。由于此时隔膜腔内多是空气，导致无法驱动隔膜正常工作。而低流量的设定位置则在几乎吸入和排出的整个行程中都保持着油箱和隔膜腔的联通，使隔膜腔内的空气便于排出，使其被液压油充满。正确的充油方法应为将计量泵冲程调至0%，将计量泵启动/停止，反复多次。然后将冲程调至25%，运行2分钟；再将冲程调至90%，运行2分钟，如此反复3-5次。按此方法运行后计量泵流量恢复正常，检修前随机出现的流量下降的故障也不再出现。

装置所使用的新设备往往没有现成的经验可以借鉴，需要工程技术人员积极摸索其运行规律，积累经验。在解决故障的过程中带着问题查询各种资料，做到理论与实际相结合，使自身技术水平不断得到提高。本文所介绍的液压驱动隔膜计量泵的使用就是一个典型的例子，通过对常见故障的分析解决，掌握了该类型计量泵的结构特点。

图2：机泵拆解过程

图3：计量泵中拆出的异物（半个垫圈）

图4：旁路打开时泵运行状态

图5：旁路关闭时泵运行状态

[1]姜培正 主编.《过程流体机械》.北京：化学工业出版社.2001年8月.P53

[2]曹勤.《计量泵发展和应用》.石油化工.2002年第5期.P25-26

There are many types of pump which can be used as metering pump like piston metering pump,diaphragm pump,gear pumps and so on.Metering pump is widely used in petrochemical fi eld.Hydraulic-driven diaphragm metering pump has the characteristics of no leakage and high reliability.So this type of pump is selected by an engineering plastic plant.Technical staff get familiar with the structure and characteristics of the pump by solving discharge pressure fl uctuation and no fl ow problems..

Diaphragm metering pump；Selection；Pressure fl uctuation；No fl ow

黄毅：2001年7月大学毕业进入中石化上海高化分公司从事设备管理工作，2005年10月起参加公司新建工程塑料装置的项目建设工作，现任装置设备技术主管