楊曉亮，陳 濤

（云南大紅山管道有限公司，云南 昆明 650302）

0 引言

往復(fù)式活塞隔膜泵也被稱為隔膜泵，其具備堅(jiān)固耐用的特點(diǎn)，機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)組成較為簡(jiǎn)單，廣泛運(yùn)用于的電力、化工、煤炭等領(lǐng)域，可以滿足部分介質(zhì)傳輸?shù)囊蟆Ｍ瑫r(shí)，由于隔膜泵運(yùn)行成本較低，且融入現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)，逐漸成為部分工藝系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)此需要此設(shè)備長(zhǎng)期處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，保障企業(yè)安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

1 往復(fù)式活塞隔膜泵概述

1.1 原理

往復(fù)式活塞隔膜泵作業(yè)期間，具體工作原理如下：電動(dòng)機(jī)借助減速機(jī)改變運(yùn)動(dòng)形式，由旋轉(zhuǎn)方式轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)模式，促使活塞處于往復(fù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，之后在油介質(zhì)的作用下，橡膠隔膜展開穩(wěn)定的凹凸運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)用于煤礦領(lǐng)域，往復(fù)式活塞隔膜泵主要用于礦漿輸送工作，由于設(shè)備內(nèi)部存在隔膜，可以有效防止運(yùn)動(dòng)部件被礦漿所腐蝕，最大限度上延長(zhǎng)部件的使用時(shí)間。其中閥件、隔膜部件與礦漿直接接觸，需要及時(shí)更換此類部件，避免影響隔膜泵工作效果[1]。正常情況下，隔膜使用壽命超過8000h。另外，隔膜泵運(yùn)行期間，將獲得較高的壓力，最高超過20MPa，且隔膜泵運(yùn)行效率高，可超過90%。但也存在相對(duì)應(yīng)的劣勢(shì)，如單臺(tái)隔膜泵整體流量較低，對(duì)輸送介質(zhì)粒度要求高，前期資金投入較高，需要企業(yè)或工廠資金充足，處于良性運(yùn)行狀態(tài)。

以三缸單作用隔膜泵為例，其運(yùn)行基本原理如下：電動(dòng)機(jī)嚴(yán)格管控減速機(jī)，靈活調(diào)整輸入動(dòng)力，促使帶動(dòng)曲軸處于穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，連接十字頭、曲軸、連桿等，形成完善的曲柄連接系統(tǒng)，十字頭穩(wěn)定進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。若活塞向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，橡膠隔膜拉至左側(cè)一段，擴(kuò)大隔膜室的空間，并且出料閥處于關(guān)閉狀態(tài)。三缸單作用隔膜泵的基本原理如圖1 所示。

圖1 三缸單作用隔膜泵的基本原理

1.2 基本結(jié)構(gòu)

往復(fù)式活塞隔膜泵由液壓輔助系統(tǒng)、出料壓力補(bǔ)償系統(tǒng)、動(dòng)力端、液力端等組成。設(shè)備具體工作過程中，部件與輸送介質(zhì)未直接接觸，通過橡膠隔膜將部件和介質(zhì)隔開，不僅提高整體輸送效果，還有效避免液壓缸、活塞密封圈、活塞桿等部件出現(xiàn)重大磨損，延長(zhǎng)設(shè)備使用時(shí)間?，F(xiàn)階段，運(yùn)用范圍較廣的隔膜泵包括雙缸雙作用、三缸單作用的隔膜泵設(shè)備。根據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，隔膜泵關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 隔膜泵關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

1.3 監(jiān)測(cè)方法

為了保障往復(fù)式活塞隔膜泵的運(yùn)行效果，需要對(duì)機(jī)械設(shè)備展開全面化的檢測(cè)和診斷，并細(xì)致化分析當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行效果，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患。正常情況下，主要運(yùn)用振動(dòng)診斷法，融入壓力、溫度等多樣化的監(jiān)測(cè)方式，以此推動(dòng)監(jiān)測(cè)工作有序進(jìn)行。機(jī)械正常運(yùn)行期間，振動(dòng)信號(hào)不具備平穩(wěn)性的特點(diǎn)，可以利用matlab商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，高效化存儲(chǔ)和分析相關(guān)數(shù)據(jù)。另外，技術(shù)人員還應(yīng)重視振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置工作，從垂直、軸向、水平3 個(gè)方面入手，實(shí)現(xiàn)全面化檢測(cè)各個(gè)位置的故障，從而不斷提升隔膜泵的實(shí)用性。

2 隔膜泵第三代技術(shù)

根據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，隔膜泵發(fā)展經(jīng)過3 個(gè)時(shí)期，具體如下：第一階段，1991—1999 年，雙缸雙作用的隔膜泵，壓力為7MPa、流量為20～160m3/h，主要運(yùn)用于煤化工領(lǐng)域；第二階段，壓力為7MPa、流量為25～270m3/h 的雙缸雙作用的隔膜泵；第三階段，三缸單作用、雙缸雙作用的隔膜泵，主要特點(diǎn)包括：在政府部門的支持下，獨(dú)立研發(fā)且具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的橡膠隔膜技術(shù)，可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)用，并且具有良好的安全性和可靠性。同時(shí)，采用先進(jìn)球閥、曲軸結(jié)構(gòu)，能夠避免出現(xiàn)閥撞擊現(xiàn)象，有效延長(zhǎng)閥座、閥球的使用時(shí)間，連接部位具有較高的密封性[2]。另外，加工設(shè)備關(guān)鍵零部件時(shí)，可以采用單獨(dú)的工藝技術(shù)，并具備可靠的集成技術(shù)。

3 往復(fù)式活塞隔膜泵技術(shù)參數(shù)

對(duì)于往復(fù)式活塞隔膜泵來說，技術(shù)參數(shù)包含輸送介質(zhì)、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率、運(yùn)行工況參數(shù)、流量等。

3.1 流量參數(shù)

隔膜泵活塞處于往復(fù)作業(yè)狀態(tài)時(shí)，實(shí)際液體排出體積相同，故此從理論角度分析時(shí)，隔膜泵平均輸出流量處于恒定狀態(tài)，但由于受到氣體等因素的影響，導(dǎo)致具體排出流量小于理論值。目前，隔膜泵結(jié)構(gòu)型式包括三缸單作用、雙缸雙作用兩種，圖2 為三缸單作用瞬時(shí)流量曲線。

圖2 三缸單作用瞬時(shí)流量曲線

3.2 隔膜泵壓力參數(shù)

壓力參數(shù)分成排出階段壓力和吸入階段壓力。吸入過程中，內(nèi)隔膜的表面壓力應(yīng)大于飽和蒸汽壓力，以此避免由于出現(xiàn)脫硫、汽化現(xiàn)象，而導(dǎo)致噪音增加、容積效率降低，縮短隔膜的使用時(shí)間。對(duì)于最小吸入壓力，則需要根據(jù)介質(zhì)情況和工程實(shí)際情況，確定最小吸入壓力數(shù)值。另外，流量不決定隔膜泵排出壓力和吸入壓力的大小，其主要取決于管路的負(fù)載性能。往復(fù)式活塞隔膜泵正常運(yùn)行過程中，只有保障排出壓力小于最高值，且吸入壓力大于最小值，才能提高隔膜泵運(yùn)行的安全性。

3.3 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率和易損件壽命參數(shù)

往復(fù)式活塞隔膜泵設(shè)備運(yùn)行期間，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率屬于關(guān)鍵，其中易損件壽命指金屬閥件、隔膜等使用時(shí)間，直接影響隔膜泵的具體運(yùn)行效果，關(guān)系到泵的運(yùn)行壽命。目前，隔膜泵最高連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)效率在93%～95%，且單臺(tái)最高流量為300m3/h，最高壓力為25MPa。鑒于這一特點(diǎn)，輸送高腐蝕性固液兩相介質(zhì)過程中，應(yīng)優(yōu)先選用隔膜泵，將其作為核心輸送設(shè)備，進(jìn)一步提升工藝系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，保障系統(tǒng)運(yùn)行效果。同時(shí)，油隔離活塞泵、活塞泵等系統(tǒng)中，采用隔膜泵，具有前期資金投入高、后期效益明顯的特點(diǎn)，主要由于隔膜泵整體運(yùn)行效率較高，且實(shí)際運(yùn)行成本較低，經(jīng)過3～5 年即可為企業(yè)帶來較高的效益[3]。

3.4 輸送介質(zhì)和運(yùn)行工況參數(shù)

采用往復(fù)式活塞隔膜泵時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求，選擇最恰當(dāng)?shù)妮斔捅眯停龠M(jìn)工藝系統(tǒng)穩(wěn)定化運(yùn)行，保障整體運(yùn)行效益。具體選擇期間，需要考慮泵的運(yùn)行效率、吸入性能、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，并仔細(xì)分析輸送介質(zhì)的濃度、腐蝕性、重量等，還要考慮泵型的適用能力。隔膜泵安全運(yùn)行階段，對(duì)整體工況要求較高，需要相關(guān)人員采集相關(guān)數(shù)據(jù)，深度分析粒度分布情況、壓力脈動(dòng)等。具體而言：采用隔膜泵系統(tǒng)時(shí)，介質(zhì)粒度分布應(yīng)小于1mm，最大顆粒不得超過2～3mm。由于輸送介質(zhì)普遍為礦漿，屬于一種兩相流體，黏度、沉降濃度、濃度等指標(biāo)嚴(yán)重影響介質(zhì)輸送效果，需要在管路設(shè)計(jì)期間展開全方位的考慮，提高管路設(shè)計(jì)的合理性和科學(xué)性[4]。

輸送礦漿過程中，若在其他因素的影響下，礦漿物理性質(zhì)發(fā)生改變，將明顯降低吸入壓力，導(dǎo)致汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生。通過調(diào)查大量案例可得，隔膜泵最小吸入壓力為1.2～1.5kgf/cm2，同時(shí)當(dāng)?shù)V漿濃度超過50%，最小允許吸入壓力為2.5～3.0kgf/cm2，而若濃度逐步增加，吸入壓力隨之提高，但不得超過6kgf/cm2。

采用往復(fù)式活塞隔膜泵時(shí)，管路存在壓力脈動(dòng)，主要由于內(nèi)部流量變化產(chǎn)生。另外，三缸單作用、雙缸雙作用的隔膜泵，當(dāng)處于不同曲柄轉(zhuǎn)速時(shí)，將周期性出現(xiàn)相角大小相同現(xiàn)象，促使瞬間流量峰值疊加，一旦壓力補(bǔ)償裝置發(fā)生故障，無法正常運(yùn)行，極易出現(xiàn)嚴(yán)重的安全事故。為了避免重大事故的發(fā)生，當(dāng)兩臺(tái)或兩臺(tái)以上隔膜泵同時(shí)向相同管路輸送礦漿時(shí)，應(yīng)根據(jù)隔膜泵的運(yùn)行特點(diǎn)，采取有效的預(yù)防措施。表2 為三缸單作用、雙缸雙作用的振幅差值和流量不均勻系數(shù)，可以看出采用多臺(tái)泵，能夠合理分散相角峰值。

表2 振幅差值ΔA 與流量不均勻系數(shù)δp

4 往復(fù)式活塞隔膜泵的核心技術(shù)

4.1 核心技術(shù)

相對(duì)于其他類型的往復(fù)泵，隔膜泵在活塞密封制造、基本理論、自動(dòng)化控制技術(shù)方面存在明顯的差異性[5]。運(yùn)用往復(fù)式活塞隔膜泵時(shí)，需要重點(diǎn)檢查活塞的密封性，直接影響油量的變化，若密封性能良好，則油量變化不明顯，且隔膜處于穩(wěn)定受力狀態(tài)，不會(huì)對(duì)隔膜使用時(shí)間造成嚴(yán)重的影響。不僅如此，當(dāng)處于隔膜泵安裝期間時(shí)，需要選擇緊鄰輸送介質(zhì)的位置，以此縮短管道長(zhǎng)度，減少各種配件的使用量。安裝鋼性管道時(shí)，應(yīng)利用緩沖器和軟管安裝隔膜泵的進(jìn)出口，降低設(shè)備運(yùn)行期間壓力變化、震動(dòng)帶來的影響。

故障處理也屬于隔膜泵核心技術(shù)，能夠有效降低設(shè)備故障帶來的影響。以三缸單作用隔膜泵為例，常見故障包括如下。

（1）隔膜泵動(dòng)力端故障。潤(rùn)滑油箱溫度超過安全范圍，多是由于十字頭出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象或者潤(rùn)滑系統(tǒng)發(fā)生故障，需要全面化檢查系統(tǒng)的基本性能，并按照要求調(diào)整十字頭；推進(jìn)液系統(tǒng)故障，多是由于安全閥泄露、橡膠隔膜被損壞等，需要技術(shù)人員及時(shí)更換安全閥、橡膠隔膜。

（2）工作壓力表出現(xiàn)異常波動(dòng)情況，多是由于充氣壓力較低，或者氣囊被損壞等。處理此類故障時(shí)，應(yīng)仔細(xì)檢查氮?dú)鈿饽遥榭磯毫Ρ頂?shù)據(jù)是否正常，以及是否存在漏氣點(diǎn)。

（3）排料階段和吸料階段出現(xiàn)異常響動(dòng)。排料期間異常響動(dòng)，多是由于進(jìn)料閥門堵塞、活塞缸內(nèi)部存在空氣，處理故障時(shí)應(yīng)重點(diǎn)檢查零部件、補(bǔ)油狀況等。而若吸料階段出現(xiàn)響動(dòng)、振動(dòng)時(shí)，多是由于吸入壓力較低、料漿溫度超過要求，具體處理階段，需要靈活調(diào)整漿料的溫度，適當(dāng)增加進(jìn)料壓力。

4.2 故障處理案例分析

以氧化鋁溶出車間為例，車間各項(xiàng)工作正常開展時(shí)，裝置云清時(shí)，隔膜式存在持續(xù)排油的現(xiàn)象，造成儲(chǔ)備油過量，而經(jīng)過技術(shù)人員深入分析和檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)壓力出現(xiàn)異常波動(dòng)現(xiàn)象，并存在振動(dòng)和噪音情況。同時(shí)，當(dāng)對(duì)設(shè)備展開合理化調(diào)整后，隔膜泵異常振動(dòng)現(xiàn)象得到緩解，但系統(tǒng)仍然發(fā)出排油信號(hào)。對(duì)此技術(shù)人員切斷設(shè)備電源，全面化清理隔膜泵內(nèi)部的淤積物、漿液等，重新連接電源，發(fā)現(xiàn)隔膜室中排油信號(hào)消失，且運(yùn)行頻率提升，但系統(tǒng)再次出現(xiàn)振動(dòng)壓力是異常變化的情況。

鑒于這一特點(diǎn)，技術(shù)人員對(duì)單向閥、隔膜室、管道等位置展開全面檢查。隔膜室持續(xù)發(fā)出排油信號(hào)，造成推進(jìn)液排出量超過要求，并且整個(gè)過程活塞不間斷地進(jìn)行重復(fù)運(yùn)動(dòng)，而隨著液壓油的流失，無法滿足活塞正常運(yùn)動(dòng)要求，造成隔膜運(yùn)動(dòng)不正常，難以有序完成吸料、排料等工作。另外，單向閥內(nèi)，礦漿處于靜止運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，常常發(fā)生淤積情況。故此，為了解決現(xiàn)存故障，需要對(duì)隔膜式進(jìn)行拆檢操作，了解內(nèi)部情況。經(jīng)檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，隔膜室隔膜未能固定于隔膜室，造成行程導(dǎo)桿與隔膜分離，最終出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，而影響導(dǎo)桿正常運(yùn)動(dòng)，難以及時(shí)發(fā)出補(bǔ)油信號(hào)，需要更新隔膜即可解決故障。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在時(shí)代快速發(fā)展背景下，科學(xué)技術(shù)水平顯著提升，隔膜泵相關(guān)性能和功能不斷被完善，運(yùn)行效率進(jìn)一步提升，可以滿足現(xiàn)代化企業(yè)的發(fā)展需求。目前，往復(fù)式活塞隔膜泵得到大規(guī)模推廣，在工業(yè)領(lǐng)域取得良好的應(yīng)用效果，我國(guó)自主研發(fā)新型隔膜泵，隔膜泵的基本性能不斷優(yōu)化，并融入自動(dòng)化控制技術(shù)等，使其廣泛被運(yùn)用于煤化工、管道化輸送等領(lǐng)域，為相關(guān)企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。