雙軟管高壓煤漿泵軟管破裂原因分析及對策

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，在氣化爐內進行火焰型非催化部分氧化反應，生成主要成分為H2、CO、CO2的粗合成氣。

高壓煤漿泵承擔著將水煤漿送入燒嘴的作用，它在氣化工藝中具有至關重要的地位。為了保護氣化爐的安全，工藝包中設計了氧煤比(氧氣體積流量和煤漿體積流量的比值)作為氣化爐聯鎖指標之一。氧氣流量過高或煤漿流量過低均會使氧煤比高或氧煤比高高導致聯鎖停車。高壓煤漿泵軟管破裂后液壓油液位降低或者煤漿進入液壓腔，可能導致缸體不做功從而使氧煤比高或氧煤比高高聯鎖。更嚴重的是若在出現過氧情況時，聯鎖未能正常動作，會給氣化爐帶來災難性后果。

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

1 雙軟管高壓煤漿泵結構

雙軟管高壓煤漿泵的主要結構有驅動和傳動系統、動力端、液力端、液壓輔助系統、進出口壓力流量穩定系統、控制系統、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、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，內軟管內部為自下而上流動的煤漿，外軟管外部為液壓油。為了監測軟管運行狀況，在內外軟管之間空腔端蓋處安裝了軟管破裂報警裝置。當任意一層軟管破裂，煤漿或液壓油都會進入雙層軟管之間從而使壓力開關動作。此時軟管破裂報警裝置會向中控發出故障信號。但泵在短期內仍能憑借另外一層軟管像傳統隔膜泵那樣繼續運行，直至整個系統做好了計劃停機檢修的準備。

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

高壓煤漿泵由電機驅動，經過減速箱減速后，旋轉運動在曲軸箱中轉換為往復運動?；钊谝簤焊變韧鶑瓦\動，驅動液壓油作用于內外軟管。由于雙軟管的特殊結構，它們始終按相同的方向和形狀收縮和鼓脹。

活塞向前運動時，液壓油擠壓軟管，軟管此時被壓縮，內軟管腔體內壓力提高，軟管內的煤漿被排出?；钊蚝笠苿訒r，軟管向活塞側抽吸，軟管恢復初始狀態，出口閥在出口壓力和重力作用下關閉，由于膨脹軟管內壓力低于入口壓力，入口閥開啟，煤漿流入內軟管內部?；钊總€沖程都通過機械控制補油、排油一次。

當活塞前移時，高壓煤漿泵進入排出沖程段，此時有經精確計算的液壓油通過排氣補油閥壓入油箱，使在吸入段時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，外軟管會在活塞死點位置之前壓向控制盤并通過曲柄開啟排氣補油閥，利用活塞移動形成的真空和油箱液位進行補油，直至軟管移動到極限位置為止。補油閥補油時只能在曲柄控制下打開，這樣可以確保軟管不會過分變形。

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

為了使內外軟管緊密貼合，在安裝軟管時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警裝置的單向閥將混合液體排出。正常運行過程中兩層軟管之間壓力為零。任何一層軟管破裂時，報警裝置都向集散控制系統(DCS)發出故障信號，現場人員根據單向閥排出的介質來判斷軟管破裂情況：(1)若內軟管破裂，在報警裝置單向閥絲堵處排出煤漿；(2)若外軟管破裂，在報警裝置單向閥絲堵處排出液壓油，有時油位會略微下降；(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 設計及制造方面的原因

3.1.1 設計原因

在裝置原始開車早期軟管破裂頻率很高，根據統計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象基本相同，并根據系統壓力、流量等參數排除工藝操作原因后，從設備的結構、軟管的更換操作兩方面分析根本原因是缸體設計存在問題。由于設計缺陷，運行中液壓腔中氣體不能及時排出，或者隔膜軟管伸縮率與缸體內徑容積設計不匹配。將此問題反饋到生產商后，生產商經過對原缸體進行測繪檢查，發現缸體缺陷是在鑄造時誤差過大引起的。

后來生產商對缸體進行了改造，取消缸體內表面圓形凸起(見圖3)。雖然改造完成，但是更換隔膜后經常出現由水和防凍液組成的混合液不能正常排出的現象，這也導致了雙層軟管之間的氣體無法正常排出。為此生產商在內軟管外側對稱位置粘上2條寬度在5 mm左右的隔筋。在試車過程中因為隔筋的存在，2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 最初設計的缸體

3.1.2 制造缺陷

在軟管的鑄造過程中，可能會出現氣孔等鑄造缺陷。在設備運行周期內，由于軟管質量問題導致的破裂情況屢見不鮮。這些缺陷不僅有內部缺陷還有外觀可見的缺陷。在該高壓煤漿泵的運行中,有一次由于沒有仔細檢查軟管的外觀就進行了安裝，結果在試車過程中從軟管破裂報警裝置處持續排出液體。停機拆卸后發現軟管的頂部存在不易發現的孔洞。對其他軟管進行檢查后發現同一批次軟管也有一部分存在此類缺陷(見圖4)。經過和生產商的溝通后生產商確認是質量缺陷并進行了賠付。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。HNBR是由丁腈橡膠(NBR)經催化加氫而制得的新型彈性體。加氫反應使得HNBR大分子主鏈上的不飽和雙鍵數量大幅減少, 從而賦予聚合物優異的耐熱性、耐候性和耐臭氧性能，保留的腈基使HNBR具有與NBR同樣優異的耐化學穩定性[1]。

雖然HNBR性能較NBR有所改善，但是橡膠作為一種有機高分子產品，在儲存過程中必然會受到光、熱、氧氣的影響而老化。通過對橡膠自然老化的研究發現，氧氣的作用是橡膠老化的主要因素[2]。在實際生產中還無法做到無氧條件下的儲存，因此軟管的儲存期應作為使用前的一項檢查項目。

2.2.2 軟管疲勞

在高壓煤漿泵正常運行過程中，雙層軟管一直處于一種周而復始的擴張、收縮狀態，因此軟管承受一個周期性的交變應力[3]。根據設備的制造說明，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力開裂的風險。2013年以后軟管破裂次數大大減少，一方面是因為軟管制造質量不斷提高，另一方面是能夠按照氣化爐的運行周期對高壓煤漿泵實施合理的定期檢修，其間會根據軟管的使用壽命進行更換。

3.3 安裝原因

施工質量是保證設備檢修后能否正常運行的先決條件，在檢修中要求軟管翻邊(相當于密封墊)壓縮量適中。如果壓縮量不足，會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過度形變而發生提前損壞。內軟管外側兩條隔筋與液壓輔助系統控制盤應錯開一定的角度，正常安裝時軟管隔筋與其軸向線錯位90°安裝，在此位置軟管變形最小，受力最小，尤其應避免隔筋正對控制盤。因為如果隔筋正對控制盤的軸線，在運行過程中控制盤對外軟管施加一個力，這個力同樣會傳遞給內軟管。按照牛頓第三定律，內軟管同樣會對外軟管施加一個大小相等、方向相反的力，而這個力在隔筋正對控制盤的軸線時最大[4]。

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

圖5 外軟管破裂情況

3.4 操作運行問題

氣化爐停車時，聯鎖動作設置為氣化爐一旦停車高壓煤漿泵停運、煤漿管線上游切斷閥XV12002、下游切斷閥XV12003關閉，煤漿管線內部存有8.0 MPa的壓力，泵出口緩沖罐軟管外側與出口緩沖罐(見圖6)之間的防凍液壓力同樣為8.0 MPa。當氧氣管線泄壓完成后，煤漿回流閥XV12001自動打開，管線壓力瞬間由8.0 MPa降至常壓。而在這個過程中緩沖罐軟管外側防凍液壓力無處泄放，必然會對軟管造成很大的沖擊。因此，在停車過程中曾經多次出現此類軟管呈現爆裂型開裂故障(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 軟管破裂應對策略

(1) 改進設計，提高產品制造水平。

根據反饋的信息，生產商對缸體進行了改型，即缸體內表面由帶有圓形凸起改為接近于圓弧面。改造后的缸體內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表面接觸時形成的油膜的穩定性，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，軟管質量問題已基本不存在，但在實際檢修中外觀宏觀檢查仍要作為一個必須項。

(2) 制定軟管采購及儲備策略。

利用現有采購模式和特殊儲備優勢，制定以下策略：

① 將庫存量4套作為軟管的最低風險庫存，任何情況下都要確保庫存在4套(1臺泵用)以上。

② 按照每年正常消耗8套軟管進行采購，年初利用工單集中采購10套軟管。

③ 將軟管按照到貨時間標記清楚，并根據到貨時間劃分區域儲存。

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

(3) 預防性維修策略及執行。

按照以可靠性為中心的維修(RCM)理念，對高壓煤漿泵軟管破裂這一故障采取主動性維修，而最符合設備運行規律的預防性維修策略是定期報廢。根據以往運行經驗，制定以下預防性維修策略：

① 3個液壓缸的軟管按照10 000 h的使用壽命控制。一般氣化爐1個運行周期使用2支燒嘴，按照每支燒嘴壽命為90 d計算，則1個氣化爐運行周期一般在180 d,即4 320 h，則2個氣化爐運行周期就可以更換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個氣化爐運行周期更換1次出口緩沖罐軟管。

② 當某1個缸軟管壓板處出現泄漏時，下次氣化爐檢修時必須更換該缸的軟管。

③ 每次計劃檢修時要檢查出口緩沖罐軟管內側是否有破裂跡象。

④ 液壓油變渾濁時要檢查清理排氣補油閥，置換液壓油并清洗液壓油腔體。

⑤ 每次計劃檢修時檢查軟管破裂報警裝置單向閥。

⑥ 當單側軟管破裂時盡快協調生產調度調整系統負荷，盡快停機更換軟管。

(4) 質量控制。

做好檢維修質量控制，重點是軟管的安裝，應做到：

① 仔細折疊新的軟管-隔膜并插入軟管缸體中，確認軟管-隔膜外表面上的箭頭與介質流動方向一致。

② 盤車移動相應軟管缸體活塞的位置，保證外軟管接觸控制盤。

③ 內軟管2條隔筋平面與液壓系統控制盤軸線角度為90°±5°。

④ 按照介質的流向安裝入口閥，內軟管充水，向內外軟管之間的空腔添加由水和防凍劑組成的傳動液，充滿傳動液并排盡空氣。

⑤ 將活塞移到前死點，拆卸排氣補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的氣體從缸體頂部的排氣閥處排出時。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，安裝并旋緊排氣補油閥。

(5) 改善停機操作。

優化氣化爐停機泄壓操作設計，在氣化爐停機后給煤漿回流閥XV12001加強制信號，強制其在氧氣管線泄壓完成后處于關閉狀態,即氧氣管線泄壓完成以后，煤漿管線仍然有8.0 MPa的壓力。此時將煤漿管線水壓線盲板倒通，操作人員通過手動打開水壓線閥門緩慢將煤漿管線壓力降低至常壓，出口緩沖罐就不會承受瞬間的沖擊。

5 結語

高壓煤漿泵軟管破裂的原因是多方面的，不僅涉及到生產制造，而且與安裝、運行等多個方面密切相關。設備的運行狀況很多時候取決于操作方法，因此要杜絕軟管破裂的問題除了要在采購、儲備上下功夫，更要在日常操作和維修上做工作。在預防性維修的同時要不斷提高狀態監測水平，為預知性檢修提供技術支持，這樣才能杜絕軟管破裂故障，從而保證高壓煤漿泵、氣化爐的運行安全。