凸轮转子泵故障分析及对策

吴国龙

（珠海经济特区广珠发电有限责任公司，广东 珠海 519000）

0 引言

广珠发电有限责任公司2×700MW 机组分别于2000 年和2001 年建成投产，锅炉为日本三菱重工（MHI）设计制造的MB-FRR 型2290t/h 亚临界参数四角切圆燃烧强制循环汽包锅炉，燃烧为低氮直流燃烧器。设计燃煤用神府东胜煤和进口煤烟气脱硫FGD 系统采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺，一炉一塔脱硫装置于2006 年投入运行。在燃用设计煤种（含硫量为0.63%，FGD 入口SO2浓度1299mg/m3）及校核煤种（含硫量0.80%，FGD 入口SO2浓度1850mg/m3）、锅炉最大工况（BMCR），处理100%烟气量条件下脱硫装置的脱硫率保证值分别大于92%和91%。

为适应燃煤硫分提高的现状，以及满足SO2排放浓度的环保要求，对原有FGD 系统进行了增容改造。改造设计脱硫系统入口烟气量2394820m3/h（标态、湿基、实际O2），原烟气SO2浓度按2200mg/m3（标态、湿基、6% O2）设计，脱硫效率不低于97.7%，脱硫系统出口（烟囱入口）SO2排放浓度满足《火电厂大气污染排放超标准》（GB 13223—2011）中规定不大于50mg/m3（标态、湿基、6% O2），年等效利用小时数不低于5500h，已于2013 年投运。

2016 年作为超低排放改造工程配套项目之一，对脱硫GGH 进行密封改造，减少GGH 烟气泄漏而引起的SO2排放污染。FGD 系统共配置了6 台RD100 型凸轮转子泵应用于脱硫系统地坑浆液输送。其中#1、#2塔配置了4 台凸轮转子泵，应用于吸收塔溢流浆液和地坑收集的其他液体回收利用。石灰石-石膏法浆液制备工艺流程配置2 台凸轮转子地坑泵将脱水皮带过渡浆液、汽水分离器分离的浆液，还有再循环箱回流的浆液在地坑集中再输送到事故浆液罐，供湿磨制浆用水。在整个FGD 系统中，吸收塔是整体工艺过程中最关键的环节之一，而橡胶包覆凸轮转子地坑泵是应用在FGD 的重要设备，主要作用就是提供连续、储存丰富的氧化剂，并确保将氧化剂均匀、有效地投入吸收塔底部。通过地坑泵的作用，烟气中的SO2会与输入的氧化剂充分溶解化合，并被吸收液中的碱液捕获，从而实现高效脱硫效果。

1 凸轮转子地坑泵技术性能

1.1 工作原理

橡胶包覆凸轮转子泵是一种容积泵，是国际上最先进的流体输送设备之一[1]，运行过程中它是采用两个同步运动的转子，转子由一对外置式同步齿轮带动，转子在传动轴的带动下进行同步反方向低速旋转，转子之间以及转子与泵体之间互不接触，而是形成间隙或面密封，从而构成了较高的负压，在进口和出口之间形成的压力差压迫介质通过泵体完成工作。适合腐蚀性和高黏度介质的输送。

1.2 主要结构及参数

凸轮转子泵主要由驱动电机、减速器、联轴器、泵体、泵座组成，其中泵体由泵壳、橡胶凸轮复合转子、径、轴向耐磨衬板、泵盖、泵轴、轴承、机封等部件组成。RDG100 凸轮转子地坑泵主要技术参数如表1 所示。

表1 凸轮转子地坑泵的主要技术参数

1.3 RDD100 型凸轮转子地坑泵特点

（1）可输送汽、液、固三相混合介质浆料，结构紧凑，维护方便。

（2）可输送的介质黏度≤10 万CP 和含固量达55%的浆料。

（3）三叶螺旋橡胶复合凸轮转子与泵体之间采用无间隙设计及进料口宽大设计，密封性好，螺旋外形密封长30%，凸轮泵是容积泵，靠泵腔内容积的变化来输送混合浆液的泵，输送含固体颗粒物浆液介质通过能力较高。耐磨板设计，自吸能力强，适应于含固率≤20%脱硫浆液输送。具有耐腐蚀、抗磨损性能好[2]。

（4）采用低转速油冷却轴相动、静环式机械密封、自吸性能好。

2 FGD 系统内的工况环境及腐蚀磨损机制

湿法脱硫工艺最典型的是石灰石-石膏法，工艺过程是将含有SO2的烟气经除尘后进入换热器降温，再进入吸收塔喷淋石灰石浆液产生化学反应，然后将烟气升温排放。在工艺流程中，从换热器、吸收塔（包括强制氧化系统）到烟囱的入口，腐蚀磨损都十分严重。烟气中的SO2、SO3、HF 或其他有害气体在高温状态下与介质发生化学反应，形成相应的酸[3]。湿法脱硫系统的设备磨蚀磨损机制十分复杂，包括：①SO（SO3）的腐蚀。②的腐蚀。③Cl-、F-的腐蚀。氯离子在FGD 工艺浆液中含量较少，它是引起FGD 系统设备腐蚀和应力腐蚀的重要原因。氯离子有很强的可被金属吸附的能力。化学吸附具有选择性，对于过渡金属的Fe、Ni等，氯离子比氧更容易吸附在金属表面，并把氧排挤掉，取代已被吸附的O2-或OH-，使金属的钝化态遭到破坏而发生孔蚀，使不锈钢材料也会失效。由于氯化物浓缩和产生脱氧缝隙条件造成局部腐蚀。因此，脱硫系统洗涤液中不仅含有H2SO4、HCl、HF 等成分，而且含有烟气中的中颗粒物有粉尘、脱硫产物及浆液流体中的大量固体悬浮颗粒，例如，使用钙基吸收剂脱硫后浆液流体中含有的大量石膏颗粒等。气固液三相流体的输送过程不仅仅是纯机械摩擦磨损力的作用，而是一种包括机械、化学和电化学作用的腐蚀磨损裂纹导致断裂失效的全过程。三相浆液流体的输送使金属以水化离子的形式进入浆液流体，湍流时，流体对金属表面的切应力，加剧了对金属泵过流件的腐蚀。在浆液流体中含有大量的尘粒或未除尘的固体悬浮颗粒，还含有腐蚀气体和泡沫。对金属设备的腐蚀磨损更为严重，造成凸轮转子地坑泵在运行过程中发生过流部件因脱硫浆液腐蚀磨损故障失效。腐蚀磨损机制包括化学、电化学腐蚀、磨料磨损、冲蚀磨损和应力磨损。它剥离了腐蚀产物并随流体带走，而后表面又会因冲蚀作用形成新的腐蚀[4]。广珠发电厂浆液地坑泵磨损失效机制是一个较复杂的分析过程，有待在维修过程中基于实践再做进一步的探讨，但是失效的最主要原因是浆液介质对通流部分的冲蚀磨损和气蚀磨损，以冲蚀磨损为主。

通常燃煤电厂FGD 系统中凸轮转子地坑浆液泵的泵体设计过程中必须考虑泵用材料应对输送介质的适用性（包括介质的流速、粒径、介质相位和介质的物理化学性能），同时也应考虑泵通流部分构件冲蚀磨损和腐蚀磨损的匹配适用性。还应考虑通流部分磨损后最低间隙控制规范和调整修正措施[5]，其主要目的是考虑防止因冲蚀磨损和腐蚀、气蚀磨损而造成的气室改变流体的流道，加剧磨损的问题。

泵的工作介质为石灰石-石膏浆液，石灰石浆液的平均密度为1153kg/m3，固体为CaSO4·2H2O（23%wt%）、CaCO3以及SiO2、Al2O3等其他固体颗粒，可溶性盐类。石灰石浆液粉粒径≤63μm，平均含固量≤15%，Cl-含量为20000～40000ppm，pH 为4.5～7，运行温度约为46.2℃，因此对泵组通流部件就会产生较大的磨损。泵组过流部件材料设计选材十分重要，不仅要考虑新材料必需要具有足够的耐腐蚀性能，而且还要求其耐磨性能优越。系统不同工艺部位的腐蚀磨损环境工况各不相同，如表2 所示。

表2 脱硫系统石灰石-石膏浆液输送处理主要腐蚀磨损工况

3 凸轮转子地坑泵故障失效原因及对策

凸轮转子地坑泵在烟气脱硫浆液输送工况环境下，运行过程中因腐蚀磨损失效故障，针对其各类故障原因、过程现象、故障失效机制和故障产生后果分析以及解决办法进行归纳总结，如表3 所示，以最佳的技术工艺方法确保设备安全、经济、可靠运行。

表3 橡胶复合凸轮转子泵故障失效分析及对策

凸轮转子地坑泵在启动、运行、停机过程中必须注意的规定：①在启动凸轮转子地坑泵之前，需要确保泵的所有阀门和管道都处于正常状态，并检查泵的轴承滑润机械密封及电气系统是否正常。②在启动地坑泵之前，需要先将泵内的空气排出，以免出现气锁现象。具体方法是打开泵体上的排气阀门，直到泵内没有气体排出为止。③启动地坑泵时，应先打开进水阀门，然后逐步打开出水阀门，直到泵进入正常工作状态。如果泵出现异常，应立即停止运行，并检查分析故障原因，并排除故障。④在正常运行中，应定期检查凸轮转子地坑泵的运行状态，包括检查泵的运行声音、振动、温度等参数，以及管道和阀门的工作状态等。⑤在停止吸收塔地坑泵时，应先关闭出水阀门，然后逐步关闭进水阀门，最后关闭泵体上的排气阀门，以避免泵内产生气锁现象。

4 建议及效果

（1）珠海经济特区广珠发电有限责任公司应用橡胶包覆凸轮转子地坑泵在FGD 系统运行过程中具有高效节能、低噪音、耐磨抗腐蚀、适应强和维护方便等特点。学习了解凸轮地坑泵的技术性能结构及工况维护技能，熟练掌握常见故障分析决断措施及解决故障维修工艺控制实施再制造。熟悉维护设备的过程中的关键技术和工艺要点，勤学苦练基本功，才能确保设备的可靠性维护和安全运行。

（2）系统设备的防腐蚀磨损处理，除了材料与结构的工况环境的适用性需要改进外，最为重点是关键设备要努力创新改进和加强以可靠性为中心的设备维护管理。即地坑输送的橡胶包覆凸轮转子泵、径向及轴向耐腐蚀防磨衬板、轴承、机封、管道等过流件的新技术、新工艺、新结构、新材料的研究开发和推广应用。例如，珠海经济特区广珠发电有限责任公司FGD 系统在各种泵维护和检修过程中，已经采用了新材料防腐蚀耐磨金属材料有双相不锈钢、高合金特种钢。非金属材料有陶瓷、玻璃钢，高分子聚合物材料有橡胶、塑料，化学聚合物以及金属、非金属高分子聚合物、耐腐蚀抗磨损材料等，在生产中发挥了重要作用，达到节能减排增效的目的，取得明显的社会经济效益。

5 结语

综上所述，燃煤发电厂脱硫系统浆液输送设备过流零部件磨损腐蚀失效机制是一个较复杂的分析处理过程，有待在运行和维护检修过程中，基于实践经验和工况环境条件不断变化来促进我们持续改进和进步。珠海经济特区广珠发电有限责任公司橡胶包覆凸轮转子地坑泵故障失效机制最主要原因是泵运行过程中浆液（介质）对地沟泵过流部件的磨料冲蚀、磨损和腐蚀，以磨料磨损为主。

应用再制造技术及时修复设备及其过流零部件，研发出适用燃为发电厂FGD 系统工况条件运行的橡胶包覆凸轮转子地坑泵耐磨抗腐蚀过流零部件新技术工艺、新材料来保障设备正常运行。实施开展以FGD 系统浆液地坑泵设备的状态维护控制，健全状态维护制度和以可靠性为中心的设备管理，确保FGD 系统设备的安全、经济、稳定、高效运行。