菲鲁瓦高压煤浆泵振动原因分析以及优化改造

李永平，李彦成，李中保

菲鲁瓦高压煤浆泵振动原因分析以及优化改造

李永平，李彦成，李中保

（兖州煤业榆林能化有限公司，陕西 榆林 719000）

对某型号的菲鲁瓦高压煤浆泵在运行期间出现泵体振动大、出口压力大、流量波动大、出口管线晃动等问题进行了分析，并结合现场实际工况，将菲鲁瓦泵的出口二级缓冲器装置技改为一级缓冲装置，增大缓冲器的容积，提高缓冲效果。同时对泵出口管线支撑进行技改，提高了出口管线支撑的支撑性能。从而有效解决了泵的振动等故障问题，提高了泵的运行负荷，保障了化工系统的高负荷和连续稳定运行。

高压煤浆泵；缓冲器；出口管线

兖州煤业榆林能化有限公司一期年产60万吨甲醇项目配置3台菲鲁瓦高压煤浆泵（型号：TGK 400/400-K200-DS230HD）对煤浆进行加压气化。该泵为双隔膜柱塞泵，泵入口压力0.15 MPa，出口压力8.0 MPa，介质为60℃煤浆，泵进出口设置球型串联单向阀，出口配置缓冲器一台。其工艺流程为：煤经称重给煤机精确计量后，与水及添加剂进入棒磨机，研磨成浓度为62%的煤浆，低压煤浆泵将煤浆输送至煤浆槽内，然后经高压煤浆泵加压送至工艺烧嘴，与纯度大于99.6%的氧气混合进入气化炉燃烧室内进行反应，生成合成气。随着气化装置生产能力的不断提高，在工艺烧嘴与拱顶砖、渣口砖寿命延长的同时，也对其他关键设备提出了更高要求。高压煤浆泵作为装置的关键设备，其运行的正常与否决定着气化装置的运行周期。

3台菲鲁瓦高压煤浆在投运初期状况良好，但后期随着系统负荷的增加，当煤浆流量超过82 m3/h（对应转速1230 r/min）时泵的柱塞缸头出现严重振动现象，泵出口煤浆管线出现严重晃动问题，同时泵出口缓冲器隔膜频繁出现破裂现象。通过现场在线流量计检测，在该负荷工况下泵出口流量波动最大值为1.15 m3/h，出口压力波动最大值为0.04 MPa。为保证泵安全稳定运行，整个气化系统负荷被严格控制在82 m3/h以下，高压煤浆泵成为整个气化系统高负荷运行的瓶颈和制约点。

1 泵故障原因分析

1.1 泵出口缓冲器缓冲能力不足

为减少运行期间煤浆泵出口流量和压力的波动，泵在出口配置了一台立式双隔膜缓冲器，如图1所示，其容积为50 L。该缓冲器工作原理为两级传递缓冲，一级缓冲装置为双隔膜和防冻液，二级缓冲装置为单隔膜气囊和高压氮气。当泵出口煤浆出现压力和流量波动时，富裕能量首先推动一级缓冲隔膜外壁防冻液，该液体再传递给二级缓冲氮气气囊进行能量储存或者能量补充，起到削峰填谷的作用。当泵在低负荷运行时，泵做功频率低，出口流量和压力波动缓慢，出口缓冲器能满足缓冲要求；当泵在高负荷运行时，泵做功频率加快，出口流量和压力波动频率随之加快，缓冲器出现严重的缓冲效果滞后问题，无法在第一时间对流量和压力起到缓冲作用，最终导致泵严重振动。

泵的高负荷运行过程中出口缓冲器由于缓冲容积小、缓冲效果不佳，导致泵出口出现煤浆流量波动大、缓冲罐的蘑菇阀响声较大问题。针对该问题，现场必须在调整负荷时对出口缓冲罐的压力进行适当调整。缓冲罐添加的防冻液为60 L，如果气囊压力过低，软管会超出圆柱体，不停地拍打蘑菇阀，易造成蘑菇阀损坏；而如果气囊压力过高，则气囊下部的蘑菇阀会关闭，缓冲液完全在软管外侧，挤压软管，造成软管破损。但泵在运行期间，氮气气囊表显示压力并非是实际气囊压力，而是泵出口整个煤浆系统的压力。所以泵一旦运行，该缓冲器无法在线进行压力调节。

对出口缓冲器破裂的隔膜进行拆检后发现，隔膜破裂位置大致相同，都是在隔膜排水线处至上而下贯穿性开裂。在缓冲运行过程中，出口缓冲罐隔膜软管承受煤浆压力、气囊给缓冲液的压力及缓冲器压板的剪切力，一旦缓冲效果不好，缓冲液未能及时起到应有的缓冲作用，则在煤浆的冲击载荷下隔膜出现过度舒张，最终便会出现缓冲器软管破裂问题[3]。

图1 立式出口缓冲器

1.2 泵的煤浆管线支撑能力不足

高压煤浆泵出口原设计采用HG/T 21629－1999管架标准图[2]A5-1基准型双螺栓管夹（图2）对煤浆管线进行支撑和加固。煤浆管线从泵出口至气化炉顶部高度落差为41 m，中途九层楼板之间每层设置A5-1基准型双螺栓管夹对煤浆管线进行支撑和加固。由于菲鲁瓦高压煤浆泵为柱塞泵，当出口缓冲器效果不明显时，煤浆管线随着煤浆压力波动出现冲击性振动，当泵在低负荷运行时振动较小，当泵处于高负荷运行时振动菲常严重。在剧烈振动工况下，原设计的A5-1基准型双螺栓管夹支撑刚度严重不足（根据标准核实，该支撑抱卡采用厚度6 mm钢板，采用M14单头螺栓进行固定），加之管线和管线内部输送介质煤浆的自身重力，导致管夹支撑能力不足。支撑应力超过金属的极限强度后，部分管夹出现局部变形和松动现象，导致煤浆管线失去有效的支撑和固定，整体出现无规律晃动，振动情况恶化。

图2 基准型双螺栓管夹

1.3 泵的进出口阀球升程导向器磨损

高压煤浆泵为柱塞泵，其进出口必须设置止逆阀。该泵采用密封性能更好的球阀作为止逆阀，如图3所示。为进一步提高密封性能，进出口采用双球阀串联的方式。止逆阀的阀球安装在升程导向器内部。升程导向器的作用是保证阀球在工作过程中始终沿着垂直方向上下运动，在不影响煤浆通流的前提下起到良好的止逆作用。阀球在柱塞每次做功的过程中都进行一次往复升降运动，并且是高速高压的冲击性撞击，加之煤浆的高速过流磨损，导致阀球以及升程导向器磨损严重。升程导向器磨损后直径尺寸变大，对阀球无法起到良好的限制作用，导致阀球在工作过程中不是理论设计的垂直上下运动，阀球球心变成了无规律的运动轨迹[4]。当升程导向器磨损严重时，采用故障诊断分析仪对阀球球心轨迹进行在线采集，得到图4。由此导致阀球上下运动不同步、不及时，最终导致高压煤浆泵三个缸每次做功时容积不同，出口煤浆的压力和流量出现较大波动。

图3 阀球升程导向器

图4 阀球球心轨迹

由于菲鲁瓦高压煤浆泵为柱塞泵，在单向阀每次做功过程中阀球都会撞击阀座，由此导致阀球和阀座出现磨损[7]。当阀球磨损至一定程度时阀球会出现破裂或者表面不平现象，同时阀座磨损至一定程度也会导致密封面凹凸不平。当以上问题出现时，泵进出口单向阀失去密封作用，在柱塞往复过程中部分煤浆泄漏至泵腔或者入口，导致泵每次做功时三个缸输送煤浆量出现异常，进而导致泵出现异常振动[8]。

菲鲁瓦高压煤浆泵进出口球阀使用寿命的长短取决于以下几点：

（1）气化炉压力等级。气化炉压力和负荷越高，阀球和阀座及密封圈的磨损速率就会越快，反之则较慢；

（2）原煤煤质。煤质的好坏，特别是煤质颗粒度含量，也决定了阀球和阀座的磨损速率；

（3）原煤煤质中的硫含量。硫含量的高低会影响阀球和阀座的腐蚀速率；

（4）阀球和阀座的密封性。煤颗粒卡涩、阀球出现凹坑、阀座出现沟槽致使阀座密封效果差等原因在泵高压的作用下，造成阀球和阀座的冲刷越来越严重，最终造成高低压区煤浆串流，导致煤浆泵振动大或者停车[9]。

2 故障解决办法及改进措施

2.1 重新设计出口缓冲器

针对泵原设计使用的出口缓冲器在高负荷工作时缓冲效果不佳和缓冲作用滞后的问题，做出技改。将立式双隔膜二级缓冲结构，技改为单隔膜单级双球形串联缓冲结构，如图5所示。该种缓冲器主要应用于GEHO公司隔膜泵，其结构的优点为缓冲器采用单隔膜结构，隔膜与煤浆直接接触，并且隔膜与煤浆接触面积大，可直接起到缓冲效果，有效避免了原缓冲器存在的缓冲滞后问题[5]。

图5 双球形串联缓冲器

用于吸收煤浆泵出口压力脉动的气囊式缓冲器，其容积量计算为[1]：

式中：为缓冲器气囊总容积，L；为煤浆泵每转排量，L/r；为排量变化率，取0.012；为脉动变化率；为泵最大流量，取95 m3/h；为泵最高转速，取47 r/min；max为脉动压力振幅，取0.7 bar；out为泵的排出压力，最高取9.6 bar，且一般取气囊充气压为0.6×out。

最终计算得到：＝33.68 L/r，＝0.00729，＝92.4 L。

根据以上计算，同时考虑到日后气化系统的扩能提负荷工况，最终采用二台容积为75 L的气囊式缓冲器。

2.2 重新设计泵的煤浆管线支撑

针对高压煤浆泵原设计支撑的支撑和加固强度不足的问题进行技改。将原A5-1基准型双螺栓管夹技改为J14-2型振动管道用立管支座，如图6所示。该型支座专为振动型管道设计，对振动型管线有非常好的固定和缓冲效果，且结构简单可靠。根据标准核查，该型支座采用16 mm厚度钢板制作，与现场煤浆管线进行焊接连接，确保支撑强度。

图6 振动管道用立管支座

2.3 及时更换阀球升程导向器以及阀球等磨损件

针对高压煤浆泵进出口阀球升程限位器磨损导致阀球轨迹变化的问题，及时对阀球升程导向器进行检查，根据实际使用工况总结出更换周期，定期更换磨损的升程导向器，确保进出口单向阀阀球能够按照设计进行垂直上下运动，减少每个缸在每次做功期间出现的流量不同问题，避免泵在高负荷运行期间出现大的压力和流量波动[6]。为解决阀球磨损和异常开裂、导致阀球止逆作用失效的问题，经兖州煤业榆林能化有限公司与菲鲁瓦厂家的技术谈判，对高压煤浆泵阀球进行技改。对原阀球焊接焊缝焊接前预制焊接坡口，增大焊接面积及焊接深度，保证阀球焊缝表面部分有足够的焊接强度，对阀球表面进行镀铬表面处理，在增加焊接强度的同时大大提高了阀球表面的耐磨性能。

3 总结

经过对菲鲁瓦高压煤浆泵进行以上技改，泵缸头振动和出口管线振动情况改善效果明显。现场通过原流量计和压力表对比可知，煤浆管线出口流量、出口压力波动幅度都有明显降低，如表1、图7所示。技改后高压煤浆泵运行负荷增加至85 m3/h（对应转速1290 r/min）运行仍十分平稳，同时由于煤浆流量和压力波动减小，气化炉内部压力得以稳定操作，有效产气量得到了相应提高，有效解决了制约气化系统高负荷运行的瓶颈问题。

菲鲁瓦高压煤浆泵在实际应用中出现了振动和备件易损等问题，致使该泵无法在高负荷工况下长周期稳定运行。导致高压煤浆泵振动异常的的原因很多，部分因素不能单独停留在泵原理论设计上，否则当现实工况偏离理论设计时泵就会出现各种故障。只有通过细致排查和逐步摸索，找出问题所在并予以正确技改，从本质上解决问题，才能发挥出菲鲁瓦高压煤浆泵性能可靠和高效、稳定的特长。

表1 技改前后数据对比表

图7 技改前后流量波形图对比

[1]联合编写组. 机械设计手册[M]. 2版. 北京：化学工业出版社，1979：477.

[2]国际石油和化学工业局. 管架标准图：HG/T 21629-1999[S].

[3]杨世雨. 隔膜泵运行中的故障及处理方法[J]. 梅山科技，2001（2）：31-32

[4]魏龙. 泵维修手册[M]. 北京：化学工业出版社，2009：346-358.

[5]张文波. 对GEHO高压煤浆泵活塞杆的故障分析[J]. 化工管理，2016（28）：152.

[6]霍北仓，曹慧. 隔膜泵的维修和保养[J]. 农机使用与维修，2007（3）：74.

[7]路光彬. FELUWA（菲鲁瓦）高压煤浆泵常见故障判断[J]. 山东化工，2012（8）：35.

[8]李振家，郭本陆. 菲鲁瓦高压煤浆泵运行故障分析及优化改造[J]. 中氮肥，2019（4）：31-32.

[9]刘国峰. FELUWA高压煤浆泵常见故障分析[J]. 化工氮肥，2014（41）：65-66.

Cause Analysis and Optimization on Feluwa High Pressure Coal Slurry Pump Vibration

LI Yongping，LI Yancheng，LI Zhongbao

( Yanzhou Nengyuan Yulin Nenghua Co.,Ltd., Yulin 719000, China )

This paper analyzes the problems of a certain type of Feluwa high-pressure coal slurry pump during operation, such as large pump body vibration, large outlet pressure, large flow fluctuations, and outlet pipeline sloshing, and according to the actual working conditions, the technology of the secondary export buffer device is changed to the primary buffer device, which increases the volume of the buffer and improves the buffer effect. At the same time, the pump outlet pipeline support is technically modified to improve and strengthen the support performance of the outlet pipeline support, which effectively solves the problem of pump vibration and other faults, increases the pump's operating load, and ensures the high load and continuous and stable operation of the chemical system.

high pressure coal slurry pump；buffer；outlet pipeline

TH3；TQ536

B

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.12.011

1006-0316 (2021) 12-0076-05

2020-08-14

李永平（1982－），男，陕西榆林人，工程师，主要从事化工设备检修技术管理工作，E-mail：278295739@qq.com；李彦成（1982－），男，陕西榆林人，工程师，主要从事化工设备检修技术管理工作。