黃毅

液壓驅(qū)動隔膜計量泵的選用和故障處理

黃毅

計量泵分為柱塞泵、隔膜泵和齒輪泵等多種形式，廣泛應(yīng)用于石油化工等領(lǐng)域。其中液壓驅(qū)動隔膜計量泵以其無泄漏、可靠性高的特點被某工程塑料裝置選用。技術(shù)人員在使用過程中通過解決出口壓力大幅波動和出口無流量等故障熟悉了解了該型泵的結(jié)構(gòu)特點。

隔膜計量泵 選用 壓力波動 無流量

計量泵是流體輸送機械的一種，其突出特點是可以保持與排出壓力無關(guān)的恒定流量。使用計量泵可以同時完成輸送、計量和調(diào)節(jié)的功能,從而簡化生產(chǎn)工藝流程。使用多臺計量泵，可以將幾種介質(zhì)按準(zhǔn)確比例輸入工藝流程中進(jìn)行混合。由于其自身的突出，計量泵如今已被廣泛地應(yīng)用于石油化工、制藥、食品等各工業(yè)領(lǐng)域中。在我公司的實際生產(chǎn)中也根據(jù)工藝條件需要選擇使用了大量的計量泵，并在運行和維護中積累了一定的使用經(jīng)驗。

1 計量泵的分類和基本原理

計量泵的常見類型包括柱塞泵、隔膜泵和齒輪泵，其中尤以前兩種泵得到了更廣泛的使用。由于同為往復(fù)泵，柱塞泵和隔膜泵具有類似的結(jié)構(gòu)。典型的往復(fù)式計量泵主要由傳動機座部件、泵頭部件和電機三部份組成。傳動機座部件將電機的圓周運動轉(zhuǎn)變?yōu)楸妙^內(nèi)柱塞（或隔膜）的往復(fù)運動。隨著柱塞（或隔膜）在液缸內(nèi)的往復(fù)運動 ，液體被不斷吸入和排出。排出行程中，柱塞（或隔膜）的移動在液體上增加了壓力，使液體得以輸送。由于每個周期柱塞（或隔膜）推送的液體量與其推送的行程成正比，改變行程長度即可方便的達(dá)到調(diào)節(jié)流量的作用，也可通過改變往復(fù)運動頻率或同時采用兩種方法來調(diào)節(jié)流量[1]。

1.1 柱塞泵的特點

盡管結(jié)構(gòu)相似，但柱塞泵與隔膜泵具有顯著的不同。其直接利用柱塞推動工作介質(zhì)，因此柱塞式計量泵具有結(jié)構(gòu)簡單、耐高溫高壓、計量精度高等優(yōu)點。但柱塞泵的結(jié)構(gòu)在帶來顯著好處的同時也導(dǎo)致了工作介質(zhì)和泵內(nèi)潤滑劑之間無法實現(xiàn)完全隔離這一缺點。即使采用填料實現(xiàn)柱塞的密封,在填料被腐蝕和磨損后也會影響泵的計量精度。在高防污染要求的介質(zhì)輸送應(yīng)用中填料密封的可靠性也無法滿足要求。對于這樣的應(yīng)用環(huán)境，隔膜式計量泵就具備了無可比擬的優(yōu)勢。

1.2 隔膜式計量泵的特點

顧名思義，隔膜式計量泵利用柔性隔膜取代活塞，在驅(qū)動機構(gòu)作用下實現(xiàn)往復(fù)運動，完成吸入－排出過程。由于隔膜的隔離作用，在結(jié)構(gòu)上真正實現(xiàn)了被計量流體與驅(qū)動潤滑機構(gòu)之間的隔離。因此特別適合于不容許泄漏的場合，例如輸送易燃、易爆、有毒和貴重的介質(zhì)。優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計和新型材料的選用大大提高了隔膜的使用壽命，加上復(fù)合材料優(yōu)異的耐腐蝕特性，隔膜式計量泵目前已經(jīng)成為流體計量應(yīng)用中的主力泵型。在隔膜式計量泵家族里，液力驅(qū)動式隔膜泵由于采用了油均勻地驅(qū)動隔膜，克服了機械直接驅(qū)動方式下泵隔膜受力過分集中的缺點，進(jìn)一步提升了隔膜壽命和工作壓力上限。[2]

2 某工程塑料裝置中計量泵的選用

該工程塑料裝置的工藝中需要向反應(yīng)器內(nèi)定量輸送多種輔料，因此需要使用較多的計量泵。由于引發(fā)劑、硅油等輔料均價格昂貴且部分輔料為過氧化物等高風(fēng)險的化學(xué)品，因此對機泵的防泄露要求很高。在選擇設(shè)備初期就確定了使用計量泵的基本類型為隔膜式計量泵。此外該裝置聚合反應(yīng)要求保證輔料的連續(xù)添加，如引發(fā)劑停止供應(yīng)超過10分鐘就將導(dǎo)致生產(chǎn)線全線停車，導(dǎo)致巨額物料損失。這樣的工藝條件對計量泵提出了極高的可靠性要求。綜合以上因素裝置選用了米頓羅公司的液壓驅(qū)動隔膜計量泵。該型計量泵由于采用液壓驅(qū)動，避免了傳統(tǒng)隔膜泵柱塞直接與隔膜連接造成應(yīng)力集中的問題，因此隔膜的使用壽命較長。為進(jìn)一步確保工藝的可靠性要求，該泵還采用了雙隔膜的機構(gòu)，并配備了隔膜破損檢測裝置?？梢栽趩螌痈裟ぐl(fā)生破裂的情況下通過檢測裝置及時發(fā)現(xiàn)以便進(jìn)行切換維修。這種泵的計量穩(wěn)態(tài)重復(fù)精度也達(dá)到±1%的水平，滿足了工藝要求。該泵的液壓旁路設(shè)計，保證了機泵無論停機或運行均可從0-100%額定流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

這批隔膜計量泵投用至今近五年時間，運行情況良好，表現(xiàn)出較高的可靠性。

3 液壓驅(qū)動隔膜計量泵使用過程中的故障和解決方法

由于裝置使用液壓驅(qū)動隔膜泵也是新的嘗試，在運行期間，尤其是在裝置開車初期，計量泵也出現(xiàn)過各種不同類型的故障。通過解決這些問題，也逐漸提高了工程技術(shù)人員對這種泵的性能和結(jié)構(gòu)特點的理解，為其后機泵長期穩(wěn)定運行奠定了基礎(chǔ)。

3.1 計量泵出口壓力流量大幅波動

裝置使用隔膜式計量泵時為采用變頻電機驅(qū)動，并在計量泵出口配備質(zhì)量流量計。通過變頻電機與流量計的配合，實現(xiàn)流量的自動控制。計量泵運行過程中發(fā)現(xiàn)流量出現(xiàn)大幅波動的情況，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)計量泵現(xiàn)場壓力表顯示的計量泵出口壓力也存在大幅波動的情況。在排除控制系統(tǒng)原因后，對機泵進(jìn)行了拆解檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。機泵重新安裝后故障依舊。后檢查發(fā)現(xiàn)計量泵出口的脈沖緩沖器設(shè)定壓力明顯低于正常值，經(jīng)重新加壓至使用壓力的50%～60%之間后故障解決。（見圖1）

圖1：計量泵的脈沖緩沖器

由于為隔膜計量泵的機構(gòu)為往復(fù)泵，其運行過程中存在排出行程和吸入行程。排出行程中進(jìn)口閥關(guān)閉，被輸送介質(zhì)在膜片的作用下受壓被推出出口閥，計量泵出口壓力達(dá)到最高值。但在吸入行程中則進(jìn)口閥開啟從進(jìn)口管吸入被輸送介質(zhì)，此時出口閥關(guān)閉使得計量泵出口壓力達(dá)到最低值。為避免這樣的壓力、流量波動給工藝和控制帶來不利影響，計量泵大多配有脈沖緩沖器。脈沖緩沖器實質(zhì)上是一個儲存惰性氣體的腔室（本例中緩沖器內(nèi)填充氮氣）。在一定封閉空間內(nèi)液體是不可壓縮的，氣體卻可以。脈沖緩沖器正是應(yīng)用了氣體的可壓縮性來緩沖管路輸送中液體的脈沖。減小被輸送介質(zhì)的壓力、流量波動。在排出行程中計量泵的出口壓力升高，被輸送介質(zhì)壓縮脈沖緩沖器內(nèi)的氮氣并進(jìn)入脈沖緩沖器內(nèi)避免出口壓力過高。在吸入行程中計量泵的出口壓力下降，當(dāng)其壓力低于氮氣壓力時，氮氣膨脹并迫使介質(zhì)流回管路。使得出口壓力保持在一定得水平。有關(guān)研究表明，合適的脈沖緩沖器可以減小系統(tǒng)90%或者更多的脈沖。

在緩沖器內(nèi)的氮氣壓力不足的情況下，在計量泵排出行程時緩沖器內(nèi)氣體被過度壓縮，在吸入行程時又無法為回流介質(zhì)提供足夠壓力。緩沖器無法起到正常的緩沖作用，導(dǎo)致了壓力的大幅波動，進(jìn)而導(dǎo)致了計量泵出口流量的波動?；謴?fù)緩沖器功能后即排除了故障。

3.2 計量泵出口無流量故障

計量泵在使用過程中出現(xiàn)出口流量短時間內(nèi)大幅降低的情況。故障隨機出現(xiàn)，在變頻數(shù)值不變的條件下出口流量明顯低于正常值，甚至降到無流量。故障持續(xù)30秒左右后自行恢復(fù)。解決故障的過程中首先懷疑出口管上安全閥起跳泄漏，將安全閥出口加裝盲板后故障依舊。隨后嘗試更換計量泵出口脈沖緩沖器亦無效果。由于該泵的液壓驅(qū)動油由傳動機座內(nèi)的潤滑油提供，考慮是否潤滑油中的雜質(zhì)堵塞油路。遂對潤滑油進(jìn)行更換，同時對傳動機座內(nèi)的潤滑油腔進(jìn)行清洗。但潤滑油更換兩次后問題依舊。最終決定拆泵檢查，經(jīng)拆解機泵在計量泵進(jìn)口單向閥中發(fā)現(xiàn)半個墊圈。確定該異物為導(dǎo)致流量間隙波動的原因。其在單向閥中影響單向閥的正常啟閉，導(dǎo)致計量泵無法正常吸入被輸送介質(zhì)。造成出口流量的異常波動。

計量泵中的異物移除后本應(yīng)將故障排除，但將機泵重新組裝后卻出現(xiàn)了出口完全沒有流量的故障。經(jīng)多次拆卸檢查均未發(fā)現(xiàn)異常。經(jīng)仔細(xì)查看該泵的圖紙資料，才找出故障原因。這是由于該型計量泵每次完全拆解后均需要執(zhí)行對隔膜腔的充油操作。

該泵的輸送作用是通過如下四個基本部件來實現(xiàn)和進(jìn)行控制的：

泵柱塞“A”以一定得行程做往復(fù)運動，液壓油被擠壓，進(jìn)入隔膜腔“C”，推出隔膜。

隔膜“X”是液壓油和被輸送介質(zhì)之間可以移動的分隔物。

旁路油路從隔膜腔“C”經(jīng)油路“E”，旁路開口“H”和控制閥“F”回油箱“D”。

一個與泵柱塞一起運動并直接與之相連的旁路控制柱塞“G”，將旁路開口“H”的開關(guān)與泵柱塞的位置聯(lián)系在一起。

當(dāng)泵柱塞和旁路控制柱塞向前運動，如圖4所示，被擠壓的油被旁路到油箱中，知道控制柱塞“G”將旁路開口“H”關(guān)閉，如圖5所示。柱塞的位移被施加到隔膜上，隔膜被推動，擠壓物料通過出口止回球閥排出。在吸入行程，泵柱塞將油帶出隔膜腔，從而移動隔膜，將物料通過入口止回球閥吸入。當(dāng)控制柱塞“G”打開旁路開口“H”時，可通過旁路通道供油來實現(xiàn)液壓油腔內(nèi)的油量平衡。

通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)手柄移動控制閥“F”，使旁路開口“H”能在整個柱塞行程所希望的百分比位置關(guān)閉，從而實現(xiàn)排出流量0-100%的調(diào)節(jié)。當(dāng)控制閥調(diào)到100%流量，旁路開口在每個吸入行程終了時打開，然后在排出行程時，旁路開口立即關(guān)閉，使整個柱塞位移都施加到了隔膜上。

當(dāng)控制閥調(diào)到50%流量，旁路開口在柱塞吸入行程一半處打開，在下一個排出行程時，泵柱塞推動的油在第一個50%行程時通過打開的開口旁路回到油箱中，之后旁路開口被控制柱塞關(guān)閉，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體被排放。

由于在維修單向閥的過程中計量泵被完全拆解，隔膜腔“C”內(nèi)的液壓油（潤滑油）被全部放凈，重新開始運行前必須將其充滿液壓油。從該泵的原理中不難看出在高流量的設(shè)定位置油箱與隔膜腔間的聯(lián)通時間很短，吸入排出的油量也就極少。由于此時隔膜腔內(nèi)多是空氣，導(dǎo)致無法驅(qū)動隔膜正常工作。而低流量的設(shè)定位置則在幾乎吸入和排出的整個行程中都保持著油箱和隔膜腔的聯(lián)通，使隔膜腔內(nèi)的空氣便于排出，使其被液壓油充滿。正確的充油方法應(yīng)為將計量泵沖程調(diào)至0%，將計量泵啟動/停止，反復(fù)多次。然后將沖程調(diào)至25%，運行2分鐘；再將沖程調(diào)至90%，運行2分鐘，如此反復(fù)3-5次。按此方法運行后計量泵流量恢復(fù)正常，檢修前隨機出現(xiàn)的流量下降的故障也不再出現(xiàn)。

裝置所使用的新設(shè)備往往沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗可以借鑒，需要工程技術(shù)人員積極摸索其運行規(guī)律，積累經(jīng)驗。在解決故障的過程中帶著問題查詢各種資料，做到理論與實際相結(jié)合，使自身技術(shù)水平不斷得到提高。本文所介紹的液壓驅(qū)動隔膜計量泵的使用就是一個典型的例子，通過對常見故障的分析解決，掌握了該類型計量泵的結(jié)構(gòu)特點。

圖2：機泵拆解過程

圖3：計量泵中拆出的異物（半個墊圈）

圖4：旁路打開時泵運行狀態(tài)

圖5：旁路關(guān)閉時泵運行狀態(tài)

[1]姜培正 主編.《過程流體機械》.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2001年8月.P53

[2]曹勤.《計量泵發(fā)展和應(yīng)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

黃毅：2001年7月大學(xué)畢業(yè)進(jìn)入中石化上海高化分公司從事設(shè)備管理工作，2005年10月起參加公司新建工程塑料裝置的項目建設(shè)工作，現(xiàn)任裝置設(shè)備技術(shù)主管