胡志宜

安徽萬緯工程管理有限責(zé)任公司(安徽安慶246001)

柱塞式雙軟管高壓泵的過載保護(hù)技術(shù)及應(yīng)用

胡志宜

安徽萬緯工程管理有限責(zé)任公司(安徽安慶246001)

結(jié)合柱塞式雙軟管高壓泵在中國(guó)石化安慶分公司煉化一體化項(xiàng)目中的應(yīng)用，介紹了該泵的過載保護(hù)、雙軟管狀況監(jiān)測(cè)、液壓油泄漏補(bǔ)償控制、緩沖流量穩(wěn)定等核心技術(shù)。該項(xiàng)目應(yīng)用柱塞式雙軟管高壓泵輸送高黏性、高磨蝕性的炭泥固、液混合漿料，并對(duì)高壓泵采取過載保護(hù)、過壓保護(hù)及緩沖流量穩(wěn)定等安全保護(hù)措施。運(yùn)行結(jié)果表明，該泵由于采用初級(jí)和二級(jí)雙軟管及過載保護(hù)措施，提高了安全可靠性，輸送的固液流體流量大，壓力高，不易堵塞，適合高壓輸送高黏度的固液漿料流體。

柱塞式雙軟管高壓泵;結(jié)構(gòu)及性能;過載保護(hù)技術(shù)

柱塞式雙軟管高壓泵輸出壓力高［1-2］，它克服了柱塞泵密封件易磨損［3］及軟管腔室本身無法被機(jī)械直接驅(qū)動(dòng)等缺點(diǎn)，且輸送的物料與泵柱塞運(yùn)動(dòng)部件不接觸，避免了物料中固體顆粒對(duì)泵的機(jī)械磨損，延長(zhǎng)了泵的液壓系統(tǒng)使用壽命，使泵的穩(wěn)定性與可靠性大幅度提高。由于柱塞式雙軟管高壓泵可以高效、可靠地輸送固液混合漿料，漿料中固體含量可高達(dá)60%～80%，被廣泛用于石油、化工、礦山、冶金、造紙行業(yè)的高腐蝕、帶顆粒、易揮發(fā)、易燃劇毒等漿料流體的輸送。中國(guó)石化安慶分公司2013年建成的煉化一體化項(xiàng)目采用電動(dòng)液壓柱塞式雙軟管高壓泵輸送炭泥固、液混合漿料，并采取過載保護(hù)、過壓保護(hù)及緩沖流量穩(wěn)定等技術(shù)對(duì)泵進(jìn)行安全保護(hù)，提高了泵的安全可靠性。

1 泵結(jié)構(gòu)及工作原理

安慶分公司柱塞式雙軟管高壓泵為三缸單作用、多重安全保護(hù)高壓泵，用作輸送高黏性、高磨蝕性的炭泥漿料流體。該泵由初級(jí)和二級(jí)軟管、吸入和排出單向閥、感壓開關(guān)、控制盤、驅(qū)動(dòng)液、泵腔、液壓油罐、安全閥、過壓閥、液壓缸、柱塞、連桿等組成。泵由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)經(jīng)變頻器調(diào)速及減速齒輪箱減速，由聯(lián)軸器連接柱塞沖程齒輪箱驅(qū)動(dòng)柱塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)泵體中雙軟管輸送炭泥漿料流體。設(shè)計(jì)充壓式緩沖器和過壓保護(hù)系統(tǒng)對(duì)泵進(jìn)行過載保護(hù)。柱塞式雙軟管高壓泵結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 柱塞式雙軟管高壓泵結(jié)構(gòu)圖

1.1 雙軟管結(jié)構(gòu)

初級(jí)和二級(jí)雙軟管是該泵的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，二者之間注入水和防凍液混合的驅(qū)動(dòng)液作為壓力傳遞元件，傳遞過程中無壓力損失。初級(jí)軟管與被送漿料直接接觸，二級(jí)軟管將驅(qū)動(dòng)液與液壓油隔開，使液壓油和漿料被雙軟管及驅(qū)動(dòng)液完全隔離，即使初級(jí)軟管與漿料長(zhǎng)期接觸磨損變薄而破裂，也不會(huì)導(dǎo)致液壓油滲入漿料而影響整個(gè)裝置工藝系統(tǒng)。

1.2 工作原理

柱塞式雙軟管高壓泵由電機(jī)驅(qū)動(dòng)柱塞在液壓缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使液壓缸內(nèi)的液壓油壓力發(fā)生變化。該變化的壓力通過二級(jí)軟管和初級(jí)、二級(jí)軟管之間的驅(qū)動(dòng)液傳遞給初級(jí)軟管，初級(jí)和二級(jí)軟管同時(shí)受壓，并朝著同一方向凹凸變形，致使初級(jí)軟管漿料腔體積和壓力發(fā)生變化對(duì)漿料進(jìn)行吸入和排出。

當(dāng)柱塞向前(雙軟管方向)移動(dòng)時(shí)，由于液壓油施加的壓力導(dǎo)致初級(jí)軟管容積變小，壓力升高，使吸入單向閥關(guān)閉，排出單向閥打開，軟管漿料腔內(nèi)上一個(gè)沖程吸入的漿料受到軟管擠壓后，通過排出單向閥排出。

當(dāng)柱塞向后移動(dòng)時(shí)，在排出沖程時(shí)凹凸變形的雙軟管恢復(fù)到原始的圓筒形狀。在液壓缸內(nèi)出現(xiàn)真空后使吸入單向閥打開，排出單向閥關(guān)閉，漿料被吸入漿料腔。由于柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，又開始新的排出沖程。柱塞連續(xù)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)使?jié){料保持持續(xù)的流動(dòng)和輸送。柱塞式雙軟管高壓泵的輸送流量由式(1)計(jì)算:

式中，Q為泵輸送流量，m3/h;A為柱塞橫截面積，m2;n為柱塞往復(fù)次數(shù)，次/min;Z為柱塞缸數(shù)，個(gè);R為系數(shù)，單作用柱塞R為0，雙作用柱塞R為1;ηv為容積效率［4］。

由式(1)可知，柱塞的橫截面積、缸數(shù)、作用方式及容積效率是確定值，泵的輸送流量Q與柱塞往復(fù)次數(shù)n，即柱塞的往復(fù)速度成正比。

2 過載分析與保護(hù)技術(shù)

柱塞式雙軟管高壓泵的過載是影響泵安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一，取決于其設(shè)計(jì)參數(shù)及保護(hù)技術(shù)。安慶分公司柱塞式雙軟管高壓泵采用緩沖流量穩(wěn)定、過壓保護(hù)、自動(dòng)補(bǔ)油、安全泄油、雙軟管監(jiān)測(cè)等技術(shù)，對(duì)流量和壓力的波動(dòng)進(jìn)行穩(wěn)定;在泵超壓時(shí)進(jìn)行泄油，欠壓時(shí)補(bǔ)油;初級(jí)和二級(jí)軟管之間的驅(qū)動(dòng)液超壓時(shí)自動(dòng)泄壓;單層軟管破損時(shí)感壓開關(guān)立即報(bào)警等措施，以保證泵的安全運(yùn)行。

2.1 系統(tǒng)過載分析

柱塞式雙軟管高壓泵通過柱塞的吸入和排出沖程，驅(qū)動(dòng)雙軟管凹凸變形，使泵腔內(nèi)漿料流體體積和壓力發(fā)生變化，將漿料吸入和排出。這兩個(gè)沖程的開始階段都有一個(gè)速度的跳躍Δw，m/s。

根據(jù)儒科夫斯定理，速度的跳躍會(huì)產(chǎn)生壓力激增Δp，由式(2)計(jì)算［5］:

式中，ρ為漿料密度，kg/m3;α為加速度，m/s2。

如圖2所示，柱塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度變化近似正弦波曲線，速度變化的激增因數(shù)Δst=Δw/wf(wf為柱塞速度最大值)，Δp可由式(3)表示:

式中，Q為漿料流體流量，m3/h;A為漿料流體流過的管道截面積，m2。

圖2 速度跳躍Δw的產(chǎn)生圖

由式(3)可知，當(dāng)ρ、α、Δst確定后，Δp與Q成正比，與A成反比，因此，大流量柱塞式雙軟管高壓泵的壓力激增較大。例如，使用大流量柱塞式雙軟管高壓泵和相應(yīng)的出口管道輸送液體，當(dāng)Δw=1m/s時(shí)，由式(3)可得出約1.2MPa的壓力激增。

壓力激增會(huì)引起泵流量和壓力的波動(dòng)，它以波的方式在管道中傳遞，使管道的流量和壓力產(chǎn)生脈動(dòng)［6］，并形成壓力波在管道中振蕩。流量和壓力脈動(dòng)會(huì)引起泵和管道系統(tǒng)故障，使軟管出現(xiàn)拉伸應(yīng)力，減少軟管壽命，并對(duì)液壓系統(tǒng)造成沖擊，為此，設(shè)計(jì)了充氮緩沖器和過壓保護(hù)系統(tǒng)對(duì)泵進(jìn)行過載保護(hù)。

2.2 緩沖穩(wěn)定

在泵的排出管道設(shè)計(jì)緩沖器來減弱流量脈動(dòng)。緩沖器是消除管道內(nèi)流量脈動(dòng)的一個(gè)蓄能裝置，通過緩沖器內(nèi)氮?dú)鈿饽业膲嚎s和膨脹來儲(chǔ)存和釋放比平均流量多或少的那部分漿料流體，從而減小管道中的流量脈動(dòng)。假設(shè)泵的瞬時(shí)流量為Qi，平均流量為Qm，當(dāng)Qi=Qm時(shí)所對(duì)應(yīng)的緩沖器內(nèi)氮?dú)鈿饽覊毫镻m。

當(dāng)Qi＞Qm時(shí)，泵的排出壓力就大于Pm。因此，緩沖器內(nèi)氮?dú)鈿饽冶粔嚎s，緩沖器內(nèi)的漿料流體量增加，把泵排出的瞬時(shí)流量一部分存入緩沖器，使緩沖器后的管道內(nèi)瞬時(shí)流量小于該瞬間泵排出的瞬時(shí)流量。

當(dāng)Qi＜Qm時(shí)，排出壓力小于Pm。緩沖器內(nèi)氮?dú)鈿饽遗蛎?，漿料流體量減小，使緩沖器后的管道內(nèi)的瞬時(shí)流量大于該瞬間泵排出的瞬時(shí)流量。

由此可知，由于設(shè)計(jì)了緩沖器，使泵的流量和壓力脈動(dòng)率大大減小。如果緩沖器內(nèi)具有足夠的氮?dú)鈿饽胰莘e，使氮?dú)鈿饽覊毫υ谝粋€(gè)較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，漿料流體的流量和壓力就趨于穩(wěn)定。

2.3 過壓保護(hù)

過壓保護(hù)系統(tǒng)由過壓閥和安全閥組成。安全閥的作用是在因泵排出壓力超過規(guī)定壓力最高值時(shí)打開，保護(hù)液壓系統(tǒng)安全;過壓閥由泄油球閥、補(bǔ)油球閥、復(fù)位彈簧等組成，當(dāng)泵腔內(nèi)漿料壓力超過預(yù)設(shè)高壓值，則過壓閥打開使液壓油泄入液壓油罐以降低壓力。安全保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 安全保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在過壓保護(hù)液壓油泄油后的吸入沖程中，柱塞向后運(yùn)動(dòng)，因液壓缸油量減少，二級(jí)軟管被抽吸并推動(dòng)控制盤，與控制盤連接的導(dǎo)桿推動(dòng)推力杠桿，推力杠桿頂起閥挺桿，閥挺桿的推力作用于起閥器，打開補(bǔ)油球閥使超壓失去的液壓油再次流回液壓缸。此過程不斷重復(fù)，直到壓力調(diào)整至正常范圍。

2.4 安全閥

安全閥的作用，一是能夠泄掉因液壓缸油量增加過多而超過規(guī)定的壓力;二是能夠在因泵排出壓力超過規(guī)定值時(shí)打開，保護(hù)液壓系統(tǒng)安全。例如，泵的最高排放壓力為8.75 MPa，如果發(fā)生管線堵塞等出口不暢現(xiàn)象，泵壓升高至9.0 MPa，此時(shí)安全閥將起跳，將液壓缸內(nèi)的液壓油排出;待壓力降至8.75 MPa以下，自動(dòng)補(bǔ)油閥開始補(bǔ)充液壓油使泵正常運(yùn)行，保護(hù)了泵的運(yùn)行安全。

2.5 雙軟管狀況監(jiān)測(cè)

初級(jí)或二級(jí)軟管破裂會(huì)影響柱塞式雙軟管高壓泵安全可靠運(yùn)行，一旦雙軟管都發(fā)生破裂，炭泥漿料就會(huì)進(jìn)入柱塞缸內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致柱塞組件的磨損，并對(duì)液壓控制系統(tǒng)造成嚴(yán)重污染，影響泵的安全、長(zhǎng)周期運(yùn)行。故設(shè)計(jì)了雙軟管破裂監(jiān)控和報(bào)警系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)雙軟管的工作狀況，在每個(gè)泵的排出單向閥與雙軟管固定對(duì)接法蘭之間安裝一個(gè)感壓開關(guān)，其壓力檢測(cè)探頭監(jiān)測(cè)初級(jí)和二級(jí)軟管的差壓。當(dāng)差壓過大時(shí)感壓開關(guān)動(dòng)作，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并通過聯(lián)鎖控制系統(tǒng)使泵自動(dòng)停機(jī)。感壓開關(guān)的過壓設(shè)定值為0.2MPa。

3 安裝與調(diào)試

液壓油和驅(qū)動(dòng)液的正確加注是柱塞式雙軟管高壓泵過載保護(hù)技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵，加注量的過多、不足或含有空氣都會(huì)影響過載保護(hù)系統(tǒng)的正常工作。泵被加注液壓油和驅(qū)動(dòng)液后，進(jìn)行過載保護(hù)系統(tǒng)和系統(tǒng)調(diào)試。

3.1 液壓油加注

液壓油加注時(shí)手動(dòng)盤車移動(dòng)液壓缸的柱塞至二級(jí)軟管側(cè)位置，確保二級(jí)軟管緊靠控制盤;將水注入初級(jí)軟管內(nèi)直至水溢出，以防加注液壓油時(shí)導(dǎo)致雙軟管發(fā)生過渡變形;打開泵體上口的排氣口排氣，往油罐加注HLP68液壓油，直至液壓油流出排氣口時(shí)將排氣口關(guān)閉。加注液壓油時(shí)要防止雜物進(jìn)入液壓油控制系統(tǒng)，以免堵塞排氣補(bǔ)油閥平衡孔，損傷二級(jí)軟管或造成柱塞磨損。

3.2 驅(qū)動(dòng)液加注

折下排出單向閥、排出口對(duì)接法蘭、感壓開關(guān)，將初級(jí)和二級(jí)軟管的上端從泵體與排出單向閥連接的法蘭盤處稍微提起，在初級(jí)和二級(jí)軟管之間注入驅(qū)動(dòng)液(50%水和50%防凍液)，直至感壓開關(guān)位置出現(xiàn)溢流，并確認(rèn)2個(gè)軟管之間無殘留空氣;組裝感壓開關(guān)、排出口對(duì)接法蘭、排出單向閥和排出管道;打開旁通閥并手動(dòng)盤車(人工轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸使柱塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng));排空液壓缸的空氣后關(guān)閉旁通閥。

3.3 過載保護(hù)系統(tǒng)調(diào)試

過壓閥過壓保護(hù)值根據(jù)工藝要求預(yù)先進(jìn)行調(diào)試和設(shè)定。調(diào)試是通過調(diào)整補(bǔ)油閥閥球底與開啟閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的螺紋銷(圖3)頂部之間的間隙來實(shí)現(xiàn)，其正常值范圍應(yīng)為0.5～0.7mm，調(diào)整后重新擰緊起閥器上的鎖緊螺母。安全閥安全起跳值根據(jù)炭泥輸送工藝要求預(yù)先調(diào)整安全閥起跳的設(shè)定值。

3.4 試車投運(yùn)

柱塞式雙軟管高壓泵啟動(dòng)前進(jìn)行液壓系統(tǒng)的排氣，以防液壓系統(tǒng)內(nèi)的空氣壓縮或膨脹沖擊二級(jí)軟管;將泵入口工藝管道排氣，避免管線中空氣隨炭泥漿料帶入泵腔內(nèi)，造成氣體壓縮或膨脹沖擊初級(jí)軟管;檢查泵的潤(rùn)滑油、液壓油油位在正常位置;手動(dòng)盤車，在連桿觀察窗觀察連桿完成3～5個(gè)行程;打開沖洗水閥和回水閥建立水循環(huán)回路;開啟泵，正常運(yùn)行3min后打開炭泥進(jìn)口截止閥，關(guān)閉沖洗水閥，打開炭泥出口截止閥;通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。

4 結(jié)語

柱塞式雙軟管高壓泵由于采取了上述保護(hù)技術(shù)對(duì)泵進(jìn)行過載保護(hù)，使雙軟管、柱塞及密封件的使用壽命延長(zhǎng)，降低了泵的維修成本。該泵在煉化一體化裝置中運(yùn)行一年多時(shí)間，系統(tǒng)穩(wěn)定，保證了工藝系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，減少了設(shè)備和工藝事故發(fā)生，輸送的固液流體流量大、壓力高，不僅完成了固液流體的加壓輸送，也避免了被送漿料的泄漏，該泵適合在高黏度、易堵塞、壓力高的工藝條件下輸送各種漿料流體。

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The core techniques of plunger dual-hose high-pressure pump，such as the overload protection，the monitoring of dual hoses，the compensation control of hydraulic oil leakage，the buffer stability of flow rate，are introduced based on the application of the plunger dual-hose high-pressure pump in the integrated refinery and chemical engineering project of Anqing Company，China Petroleum&Chemical Corporation.In the project，the plunger dual-hose high-pressure pump was used for pumping the solid-liquid mixing slurry with high viscosity and high abradability，and some safety protection measures such as overload protection，overpressure protection，the buffer stability of flow rate，etc.are taken to the pump.The running results show that，the safety reliability of the pump is increased due to using double hoses and overload protection measures，so the pump is not easy to be blocked under large flow rate and high pressure.It is suitable to pumping the solid-liquid mixing slurry with high viscosity and high abradability at high pressure.

plunger dual-hose high-pressure pump;structure and performance;overload protection technology

王梅

2015-02-04

胡志宜(1980-)，男，工程師，主要從事石油化工項(xiàng)目設(shè)備工程咨詢和管理工作。