柱塞式双软管高压泵的过载保护技术及应用

胡志宜

安徽万纬工程管理有限责任公司(安徽安庆246001)

柱塞式双软管高压泵的过载保护技术及应用

胡志宜

安徽万纬工程管理有限责任公司(安徽安庆246001)

结合柱塞式双软管高压泵在中国石化安庆分公司炼化一体化项目中的应用，介绍了该泵的过载保护、双软管状况监测、液压油泄漏补偿控制、缓冲流量稳定等核心技术。该项目应用柱塞式双软管高压泵输送高黏性、高磨蚀性的炭泥固、液混合浆料，并对高压泵采取过载保护、过压保护及缓冲流量稳定等安全保护措施。运行结果表明，该泵由于采用初级和二级双软管及过载保护措施，提高了安全可靠性，输送的固液流体流量大，压力高，不易堵塞，适合高压输送高黏度的固液浆料流体。

柱塞式双软管高压泵;结构及性能;过载保护技术

柱塞式双软管高压泵输出压力高［1-2］，它克服了柱塞泵密封件易磨损［3］及软管腔室本身无法被机械直接驱动等缺点，且输送的物料与泵柱塞运动部件不接触，避免了物料中固体颗粒对泵的机械磨损，延长了泵的液压系统使用寿命，使泵的稳定性与可靠性大幅度提高。由于柱塞式双软管高压泵可以高效、可靠地输送固液混合浆料，浆料中固体含量可高达60%～80%，被广泛用于石油、化工、矿山、冶金、造纸行业的高腐蚀、带颗粒、易挥发、易燃剧毒等浆料流体的输送。中国石化安庆分公司2013年建成的炼化一体化项目采用电动液压柱塞式双软管高压泵输送炭泥固、液混合浆料，并采取过载保护、过压保护及缓冲流量稳定等技术对泵进行安全保护，提高了泵的安全可靠性。

1 泵结构及工作原理

安庆分公司柱塞式双软管高压泵为三缸单作用、多重安全保护高压泵，用作输送高黏性、高磨蚀性的炭泥浆料流体。该泵由初级和二级软管、吸入和排出单向阀、感压开关、控制盘、驱动液、泵腔、液压油罐、安全阀、过压阀、液压缸、柱塞、连杆等组成。泵由电动机驱动，电动机经变频器调速及减速齿轮箱减速，由联轴器连接柱塞冲程齿轮箱驱动柱塞作往复运动，推动泵体中双软管输送炭泥浆料流体。设计充压式缓冲器和过压保护系统对泵进行过载保护。柱塞式双软管高压泵结构如图1所示。

图1 柱塞式双软管高压泵结构图

1.1 双软管结构

初级和二级双软管是该泵的独特结构，二者之间注入水和防冻液混合的驱动液作为压力传递元件，传递过程中无压力损失。初级软管与被送浆料直接接触，二级软管将驱动液与液压油隔开，使液压油和浆料被双软管及驱动液完全隔离，即使初级软管与浆料长期接触磨损变薄而破裂，也不会导致液压油渗入浆料而影响整个装置工艺系统。

1.2 工作原理

柱塞式双软管高压泵由电机驱动柱塞在液压缸内作往复运动，使液压缸内的液压油压力发生变化。该变化的压力通过二级软管和初级、二级软管之间的驱动液传递给初级软管，初级和二级软管同时受压，并朝着同一方向凹凸变形，致使初级软管浆料腔体积和压力发生变化对浆料进行吸入和排出。

当柱塞向前(双软管方向)移动时，由于液压油施加的压力导致初级软管容积变小，压力升高，使吸入单向阀关闭，排出单向阀打开，软管浆料腔内上一个冲程吸入的浆料受到软管挤压后，通过排出单向阀排出。

当柱塞向后移动时，在排出冲程时凹凸变形的双软管恢复到原始的圆筒形状。在液压缸内出现真空后使吸入单向阀打开，排出单向阀关闭，浆料被吸入浆料腔。由于柱塞的往复运动，又开始新的排出冲程。柱塞连续的往复运动使浆料保持持续的流动和输送。柱塞式双软管高压泵的输送流量由式(1)计算:

式中，Q为泵输送流量，m3/h;A为柱塞横截面积，m2;n为柱塞往复次数，次/min;Z为柱塞缸数，个;R为系数，单作用柱塞R为0，双作用柱塞R为1;ηv为容积效率［4］。

由式(1)可知，柱塞的横截面积、缸数、作用方式及容积效率是确定值，泵的输送流量Q与柱塞往复次数n，即柱塞的往复速度成正比。

2 过载分析与保护技术

柱塞式双软管高压泵的过载是影响泵安全可靠运行的关键因素之一，取决于其设计参数及保护技术。安庆分公司柱塞式双软管高压泵采用缓冲流量稳定、过压保护、自动补油、安全泄油、双软管监测等技术，对流量和压力的波动进行稳定;在泵超压时进行泄油，欠压时补油;初级和二级软管之间的驱动液超压时自动泄压;单层软管破损时感压开关立即报警等措施，以保证泵的安全运行。

2.1 系统过载分析

柱塞式双软管高压泵通过柱塞的吸入和排出冲程，驱动双软管凹凸变形，使泵腔内浆料流体体积和压力发生变化，将浆料吸入和排出。这两个冲程的开始阶段都有一个速度的跳跃Δw，m/s。

根据儒科夫斯定理，速度的跳跃会产生压力激增Δp，由式(2)计算［5］:

式中，ρ为浆料密度，kg/m3;α为加速度，m/s2。

如图2所示，柱塞作往复运动的速度变化近似正弦波曲线，速度变化的激增因数Δst=Δw/wf(wf为柱塞速度最大值)，Δp可由式(3)表示:

式中，Q为浆料流体流量，m3/h;A为浆料流体流过的管道截面积，m2。

图2 速度跳跃Δw的产生图

由式(3)可知，当ρ、α、Δst确定后，Δp与Q成正比，与A成反比，因此，大流量柱塞式双软管高压泵的压力激增较大。例如，使用大流量柱塞式双软管高压泵和相应的出口管道输送液体，当Δw=1m/s时，由式(3)可得出约1.2MPa的压力激增。

压力激增会引起泵流量和压力的波动，它以波的方式在管道中传递，使管道的流量和压力产生脉动［6］，并形成压力波在管道中振荡。流量和压力脉动会引起泵和管道系统故障，使软管出现拉伸应力，减少软管寿命，并对液压系统造成冲击，为此，设计了充氮缓冲器和过压保护系统对泵进行过载保护。

2.2 缓冲稳定

在泵的排出管道设计缓冲器来减弱流量脉动。缓冲器是消除管道内流量脉动的一个蓄能装置，通过缓冲器内氮气气囊的压缩和膨胀来储存和释放比平均流量多或少的那部分浆料流体，从而减小管道中的流量脉动。假设泵的瞬时流量为Qi，平均流量为Qm，当Qi=Qm时所对应的缓冲器内氮气气囊压力为Pm。

当Qi＞Qm时，泵的排出压力就大于Pm。因此，缓冲器内氮气气囊被压缩，缓冲器内的浆料流体量增加，把泵排出的瞬时流量一部分存入缓冲器，使缓冲器后的管道内瞬时流量小于该瞬间泵排出的瞬时流量。

当Qi＜Qm时，排出压力小于Pm。缓冲器内氮气气囊膨胀，浆料流体量减小，使缓冲器后的管道内的瞬时流量大于该瞬间泵排出的瞬时流量。

由此可知，由于设计了缓冲器，使泵的流量和压力脉动率大大减小。如果缓冲器内具有足够的氮气气囊容积，使氮气气囊压力在一个较小的范围内波动，浆料流体的流量和压力就趋于稳定。

2.3 过压保护

过压保护系统由过压阀和安全阀组成。安全阀的作用是在因泵排出压力超过规定压力最高值时打开，保护液压系统安全;过压阀由泄油球阀、补油球阀、复位弹簧等组成，当泵腔内浆料压力超过预设高压值，则过压阀打开使液压油泄入液压油罐以降低压力。安全保护系统结构如图3所示。

图3 安全保护系统结构图

在过压保护液压油泄油后的吸入冲程中，柱塞向后运动，因液压缸油量减少，二级软管被抽吸并推动控制盘，与控制盘连接的导杆推动推力杠杆，推力杠杆顶起阀挺杆，阀挺杆的推力作用于起阀器，打开补油球阀使超压失去的液压油再次流回液压缸。此过程不断重复，直到压力调整至正常范围。

2.4 安全阀

安全阀的作用，一是能够泄掉因液压缸油量增加过多而超过规定的压力;二是能够在因泵排出压力超过规定值时打开，保护液压系统安全。例如，泵的最高排放压力为8.75 MPa，如果发生管线堵塞等出口不畅现象，泵压升高至9.0 MPa，此时安全阀将起跳，将液压缸内的液压油排出;待压力降至8.75 MPa以下，自动补油阀开始补充液压油使泵正常运行，保护了泵的运行安全。

2.5 双软管状况监测

初级或二级软管破裂会影响柱塞式双软管高压泵安全可靠运行，一旦双软管都发生破裂，炭泥浆料就会进入柱塞缸内，会导致柱塞组件的磨损，并对液压控制系统造成严重污染，影响泵的安全、长周期运行。故设计了双软管破裂监控和报警系统来监测双软管的工作状况，在每个泵的排出单向阀与双软管固定对接法兰之间安装一个感压开关，其压力检测探头监测初级和二级软管的差压。当差压过大时感压开关动作，发出报警信号，并通过联锁控制系统使泵自动停机。感压开关的过压设定值为0.2MPa。

3 安装与调试

液压油和驱动液的正确加注是柱塞式双软管高压泵过载保护技术应用的关键，加注量的过多、不足或含有空气都会影响过载保护系统的正常工作。泵被加注液压油和驱动液后，进行过载保护系统和系统调试。

3.1 液压油加注

液压油加注时手动盘车移动液压缸的柱塞至二级软管侧位置，确保二级软管紧靠控制盘;将水注入初级软管内直至水溢出，以防加注液压油时导致双软管发生过渡变形;打开泵体上口的排气口排气，往油罐加注HLP68液压油，直至液压油流出排气口时将排气口关闭。加注液压油时要防止杂物进入液压油控制系统，以免堵塞排气补油阀平衡孔，损伤二级软管或造成柱塞磨损。

3.2 驱动液加注

折下排出单向阀、排出口对接法兰、感压开关，将初级和二级软管的上端从泵体与排出单向阀连接的法兰盘处稍微提起，在初级和二级软管之间注入驱动液(50%水和50%防冻液)，直至感压开关位置出现溢流，并确认2个软管之间无残留空气;组装感压开关、排出口对接法兰、排出单向阀和排出管道;打开旁通阀并手动盘车(人工转动曲轴使柱塞做往复运动);排空液压缸的空气后关闭旁通阀。

3.3 过载保护系统调试

过压阀过压保护值根据工艺要求预先进行调试和设定。调试是通过调整补油阀阀球底与开启阀执行机构的螺纹销(图3)顶部之间的间隙来实现，其正常值范围应为0.5～0.7mm，调整后重新拧紧起阀器上的锁紧螺母。安全阀安全起跳值根据炭泥输送工艺要求预先调整安全阀起跳的设定值。

3.4 试车投运

柱塞式双软管高压泵启动前进行液压系统的排气，以防液压系统内的空气压缩或膨胀冲击二级软管;将泵入口工艺管道排气，避免管线中空气随炭泥浆料带入泵腔内，造成气体压缩或膨胀冲击初级软管;检查泵的润滑油、液压油油位在正常位置;手动盘车，在连杆观察窗观察连杆完成3～5个行程;打开冲洗水阀和回水阀建立水循环回路;开启泵，正常运行3min后打开炭泥进口截止阀，关闭冲洗水阀，打开炭泥出口截止阀;通过变频器调节电机转速进行系统调试。

4 结语

柱塞式双软管高压泵由于采取了上述保护技术对泵进行过载保护，使双软管、柱塞及密封件的使用寿命延长，降低了泵的维修成本。该泵在炼化一体化装置中运行一年多时间，系统稳定，保证了工艺系统安全可靠运行，减少了设备和工艺事故发生，输送的固液流体流量大、压力高，不仅完成了固液流体的加压输送，也避免了被送浆料的泄漏，该泵适合在高黏度、易堵塞、压力高的工艺条件下输送各种浆料流体。

［1］陈焕明，刘卫国，习仁国，等.高压大流量柱塞泵建模与仿真研究［J］.机床与液压，2012，40(7):139-143.

［2］焦海旭，焦阳.超高压柱塞泵设计制造的发展趋势［J］.清洗世界，2012，28(3):26-34.

［3］燕浩，苏晓珍，刘梅清，等.提高隔膜计量泵自吸能力的阶梯式柱塞结构与流体动力特性研究［J］.水泵技术，2013(1):19-22.

［4］唐群国，孙旭东，白宗.全水润滑轴向柱塞液压泵的容积效率分析与试验［J］.液压与气动，2012(9):112-115.

［5］郑卓颖，吴印平，吴丽艳.往复式隔膜计量泵正常运行的几个必须条件［J］.化工设备与管道，2012，49(4):44-46.

［6］刘东海，黄晓云.柱塞隔膜泵与液动隔膜泵的流量脉动分析［J］.液压与气动，2012(11):71-73.

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，工程师，主要从事石油化工项目设备工程咨询和管理工作。