摘要：随着我过经济的持续增长，国内矿山、有色、化工、输调水等领域不断发展壮大，用于矿浆输送、氧化铝输送、大型输调水工程等方面的活塞隔膜泵也得到了大量的应用，由于多种原因导致单向阀经常出现卡阀、击穿等现象，给设备本身和工艺系统带来较大危害，影响管道产量。文章从单向阀结构、工作原理理等方面入手，分析了单向阀在使用过程中主要损坏的形成、产生的原因，提出了预防单向阀卡阀、击穿的措施；从隔膜泵的工作原理入手，分析单向阀出现故障时隔膜室内的异常现象，提出了单向阀故障的自动诊断及报警技术，可有效避免或减轻单向阀故障带来的危害，为隔膜泵单向阀的设计与检修提供了参考。
关键词：隔膜泵；单向阀；阀击穿；自动诊断
浆体的管道运输是近几十年出现的一种新的物料运输方式，它以液体为载体，通过管道输送物料。它能够高效、可靠的输送浓度各异的浆料、流体。它具有场地适应性强、不污染环境、能够连续作业、受外界干扰小等优点，因此广发适用于矿山精选、冶金尾矿和大型输调水等中长距离输送。
隔膜泵作为管道输送固液两相介质输送的理想设备，是在往复式活塞泵的基础上，增加隔膜室演变而来，实现了输送介质与活塞的隔离，它综合了活塞泵压力高、坚固耐用、结构简单的优点，并突出了自身的自动化程度、连续运转等技术。大红山管道经过多年的应用和研究，活塞隔膜泵的各项功能在大红山管道得到了充分发挥，改变了现代运输业的发展理念，为管道输送在国内的推广奠定了观念基础。云南大红山管道主要输送介质为大红山磁铁矿，通过管道一次性输送到昆钢本部，管道全长330公里，其中A线全长69公里，B线全长70公里，C线全长101公里，D线全长18公里，E线全长72公里。设有五个加压泵站（19台GEHO正排量活塞隔膜泵）、七个压力检测站三个终端脱水站和一个矿浆分流站。由大红山选厂提供粒度合格的重量浓度为15%—30%低浓度矿浆供给大红山站浓缩池，经过浓缩后，由浓缩池底流泵把重量浓度为65%—70%高浓度矿浆泵送至大红山站搅拌槽进行搅拌储存；管道输送矿浆浓度为62%--68%，输送流量为210m3/h—300m3/h，矿浆PH值为：10-12，最大工作压力为：15.6Mpa—24.45Mpa，精矿细度为：0.044mm>73%。单向阀作为主要易损件，在十年的生产运行中，单向阀卡阀、击穿现场经常发生，因此有必要对其工作状态进行分析、处理，保证其正常运行。
1单向阀卡阀、击穿现象
1.1单向阀的构成
单向阀的构造由阀芯、阀座、阀橡胶，锁紧螺母组成，阀芯、阀座、锁紧螺母为金属材料，阀橡胶为橡胶材料。通过活塞的前后运动，依靠流体截止本身流动而自动打开、关闭。活塞向后运动时，在一个方向流体的作用下，入口单向阀在流体进入压力的作用下弹簧压缩，入口单向阀打开，出口单向阀在出口压力及复位弹簧力反作用下迅速关闭，浆体进入隔膜室；活塞向前运动时，出口单向阀在受到隔膜室流体作用力下弹簧压缩，出口单向阀打开，入口单向阀在复位弹簧力反作用力及隔膜室流体压力下关闭，浆体流出隔膜室，进入主管道。在开关过程中阀芯做上下升降运动，与阀座共同完成流体的密封及输送。单向阀结构如图1所示：
1.2卡阀、击穿现状及影响
隔膜泵运行时，单向阀长时间做上下往复运动，阀芯不停的撞击阀座，平均每天约72000次左右，这样高强度撞击磨损伴随矿浆的冲蚀磨损，使得阀芯与阀座之间的间隙不断增大，矿浆在隔膜室内反复进出，即发生卡阀、击穿现象。在发生卡阀、击穿现象后，由于需对主泵进行检修更换，降低了管道输送的流量，使管道工作效率降低，影响管道输送产能，严重时直接威胁生产的正常组织。发生单向阀击穿、卡死后，导致单向阀使用时间缩短，备件更换提前，运行成本上升；严重时导致主泵其它部位损坏（如阀室等），还增加检修工作的强度。以云南大红山管道为例，每年因单向阀损坏造成备件提前更换（主要是单向阀）、导致主泵其它部位损坏（如阀室等）造成直接经济损失约：162万元；影响管道输送产能等造成间接经济损失约：720万元。
导向爪 2-阀芯 3-阀橡胶 4-锁紧螺母 5-弹簧 6-卡具 7-阀座 8-导向套
图1 单向阀结构示意图
大红山管线单向阀击穿统计表
1.3卡阀、击穿原因分析
1.3.1输送的矿浆不符合要求
输送的矿浆中含有大颗粒杂质，该杂质主要来自于两方面，一是矿业公司矿浆在进入浓缩池前的生产过程中，设有多重筛网，能有效控制来矿粒度，由于筛网损坏等原因，个别杂质经浓缩池进入主泵，经过单向阀时致使单向阀卡主关闭不严，矿浆高速反复冲蚀单向阀，造成单向阀密封失效，从而卡死或击穿。二是稀释水、反冲洗水、环水等途径主泵的水中含有硬度高、韧性差的大颗粒杂质（如鹅卵石、混凝土块、金属杂物等），经过单向阀时被挤碎，对单向阀密封面形成机械损伤，如凹坑划伤等，造成单向阀密封失效，矿浆反流，迅速损坏单向阀。
1.3.2单向阀材质
因单向阀本身材质差，引起单向阀击穿主要原因有：（1）阀芯材质强度低，在工作中变形，致使锥面上翻，引起密封失效；（2）阀芯、阀座硬度低，被物料挤压出凹槽，密封失效；（3）阀芯单向爪强度不够，阀芯与阀座不同心，在工作中受到外力产生变形，卡死在阀座中不能运动；（4）阀锥与锁紧螺母配合不好，运行过程中螺母松脱，阀橡胶松动，失去密封作用；（5）阀座材质软不耐磨，导致阀锥撞击后工作表面出现裂纹，甚至阀座由于撞击向内翻卷、变形，导致阀芯卡死。
图2 大红山管线单向阀卡阀、击穿典型图片
1.3.3检修与使用不当
在检修更换过程中，有少部分单向阀磨损并严重，这些使用过的单向阀可以暂留做应急备件使用，需注意从同一个阀室取出的阀芯与阀座必须配合使用，因为不同阀室取出的单向阀磨损程度不一样，混合使用会使得阀芯与阀座之间产生间隙从而加剧磨损；（2）新旧阀芯、阀座混合使用。检修更换过程中偶尔会遇到阀芯、阀座磨损不严重或者阀座不能取出的情况，这时切忌不能混合使用，因为混合使用使得阀芯与阀座的接触面达不到100%，密封性差，引起击穿；（3）检修过程中阀座安装不到位，产生倾斜。在使用过程中单向阀不能垂直上下，极易卡死。（4）管座安装不到位。卡具由于在没完全安装到位的管座作用下，使单向阀受到的弹簧力产生偏移，造成单向阀卡死；
1.4改进措施
大红山管线从2006年投入运行以来，一直在摸索中前进，为了避免因输送介质、备件质量、检修质量引起的单向阀故障，采取了以下措施：
1.4.1加强进料矿浆的控制
（1）加强对过滤桶的检修维护。及时、定期对喂料泵出口过滤桶筛网清洗、清理，保证进料畅通的同时，清理大颗粒杂物，使其不能进入主泵；（2）加强主泵冲洗水、环水的控制，在水管管路上装设过滤桶及筛网，杜绝小颗粒杂物进入泵体；（3）加强矿浆脱磁设备管理，严防来料矿浆结块。
1.4.2加强备件质量管理
（1）提高阀芯、阀座硬度，增强单向阀耐磨性及机械变形性能；（2）提高单向阀机械强度，避免阀芯锥度和导向爪的塑性变形；（3）严格备件价格质量监督，保证阀锥、阀橡胶、锁紧螺母的紧密配合。尝试对阀橡胶改进，在选材上进行优化，微调不同的配方和工艺，进一步提高其耐磨性和韧性；（4）针对阀座软不耐磨，可将阀座材料更换新型材料来增强其硬度和耐磨性，该新材料在加工性能和热处理后的特性上相对以前的材料有很大提升。原材料由于受渗碳工艺过程控制的影响，工作表面往往参差不齐，不够理想；新材料经热处理后，具有更高的淬透性，硬度高，耐磨性和韧性好，变形小，是较为理想的材料。（5）提高弹簧材料选用规格，并对其进行强化处理，以提高弹簧的疲劳强度。
1.4.3加强检修和操作管理
（1）建立单向阀易损件检修更换台账，严格记录单向阀使用时间，使每个单向阀都能按要求、按计划检修，避免超期使用；（2）严格检修质量管理，做到阀芯与阀座配套使用，检修完成后严格检修质量跟踪制度；（3）更换单向阀室必须同时对导向套、管座等备件检查，做到定期检查、定期更换；（4）对每次单向阀卡死、击穿进行分析，避免同类事件再次发生。
虽然有以上措施，隔膜泵单向阀的卡死、击穿现象仍然难以避免，单向击穿的判断都是依靠人到现场通过听各个阀室单向阀运行过程中发出的声响来判断。该方法容易出现误判，且整个故障判断过程需要一定时间，从而加重设备的损坏程度及延长检修时间。
1.5目前国内、外市场监测系统
目前在隔膜泵市场，无论是进口产品还是国产设备，对于单向阀故障的检测系统，绝大多数都是采用对隔膜腔内推进液油压的检测来实现，该系统由于监测的部位及介质不够直接，容易出现误判，比如说推进液系统故障、活塞密封损坏、漏油等都会出现推进液油压的波动。再者就是整个推进液拥有一套自动补排油系统，当油压低是会自动补给，油压高是会自动排除，所以通过监测推进液压力来判断单向阀故障缺乏及时性和准确性，失去了预警意义。
鉴于单向阀故障自动诊断技术的实际应用性，以及人为判断和现有检测系统的缺陷，突显了研究准确性、及时性要求更高的单向阀自动诊断技术的理论意义及实用价值。
2、隔膜泵单向阀故障自动诊断技术
上文讲述了隔膜泵单向阀发生故障原因及措施，下面通过对隔膜泵工作原理及单向阀在出现故障时设备的异常现象、隔膜室内压力变化进行分析，从而找出更为准确、及时判断的方法及技术。
2.1隔膜泵工作原理如图3所示
1-三拐曲轴 2-十字头 3-推进液、活塞缸 4-监测杆 5-隔膜 6-出口单向阀 7-进口单向阀 9-入口阀室排污堵头
10-矿浆（隔膜室内）11-连杆及活塞
图3 GEHO隔膜泵结构工作原理图
以云南大红山管线GEHO三缸主泵为例，电机转动带动减速机转动，从而带动主泵动力端三拐曲轴转动，通过连杆、十字头将旋转运动转为直线运动，带动活塞做往复运动。活塞借助推进液油使隔膜向左运动，在进料矿浆压力的作用下，进口单向阀打开，出口单向阀关闭，矿浆进入填满隔膜室。当活塞向右运动时，活塞借助推进液油使隔膜向右运动，同时出口单向阀打开，进口单向阀关闭，矿浆排出泵外。由于矿浆接触不到活塞等运动部件，减少了这些部件的磨损，同时通过推进液灵敏、可靠的自动补排油系统，保证了橡胶隔膜的长寿命，使隔膜泵成为固液两相介质管道化输送的理想设备。
每个隔膜室料浆输送分为两个阶段：出料阶段和进料阶段。每一个进、出料的过程都需要进、出口单向阀各动作一次，现用隔膜泵冲程次为51spm，每一个冲次对应一个进、出料过程。可以计算出设备一天时间内进、出口单向阀需要动作约72000次，尤其在单向阀闭合的瞬间，单向阀的冲刷破坏力非常大。现用单向阀寿命一般在1200小时左右，在接近单向阀使用寿命前期，阀芯、阀座会受到浆体的冲刷而发生泄漏；如果单向阀制造本身出现问题或者在使用过程中由于浆体中含有大颗粒杂质，导致单向阀卡死、击穿，备件提前更换，增加运行成本。
2.2单向阀出现故障时隔膜室内的异常现象
2.2.1出口单向阀击穿：在管道出口压力的作用下，矿浆均通过出口单向阀的泄露点返回隔膜室，这时内隔膜室的压力高于正常的喂料压力，无论活塞向前还是向后运动，在出口压力的作用下入口单向阀不会被打开，该隔膜室内压力都显示为出口压力；出口单向阀卡死，等同于隔膜室于出口管路导通，无论活塞向前还是向后运动，在出口压力的作用下入口单向阀不会被打开，该隔膜室内压力同样显示为出口压力。
2.2.2入口单向阀击穿：无论活塞向前还是向后运动，矿浆会通过进口单向阀的击穿泄露点返回进口管路，在出口管道高压作用下出口单向阀不会被打开，该隔膜室内压力近似或等于入口压力。入口单向阀卡死，等同于隔膜室于进口管路导通，矿浆会通过进口单向阀的卡死泄露点返回进口管路，在出口管道高压作用下出口单向阀不会被打开，该隔膜室内压力等于入口压力。
2.2.3新型隔膜泵单向阀故障自动诊断系统安装设计
通过以上分析，我们可以得出结论：单向阀完好，未受损时，入口管道及出口管道压力为一个恒定值，隔膜室内压力在进料阶段最低，出料阶段最高，压力呈现周期性变化。如图4所示
图4 单向阀完好时隔膜室内压力曲线
出口单向阀卡死或者击穿时在管道出口压力的作用下，无论活塞向前还是向后运动，入口单向阀均不动作，此时隔膜室内压力为一个恒定值，该压力值远大于入口压力值，接近或等于出口压力值（图5）；
图5 出口单向阀击穿或卡死时隔膜室内压力曲线
入口单向阀卡死或者击穿时无论活塞向前还是向后运动，出口单向阀均不动作，该隔膜室矿浆通过其他两个隔膜室进入出口管道，此时该隔膜室内压力为一个恒定值，该压力值接近或等于入口压力值；如图6所示：
要实现隔膜泵单向阀自动诊断，只需安装压力变送器，将采集到的压力信号接入监控电脑，对隔膜室内压力进行实时检测即可完成。当压力不呈现周期性变化时即为单向阀故障。用此时监测到的隔膜室内压力与进、出口压力相比较，接近或等于入口压力时可判断为该隔膜室入口单向阀故障，接近或等于出口压力时可判断为该隔膜室出口单向阀故障隔膜泵单向阀故障自动诊断系统的实现，关键在用于监测隔膜内压力变送器的安装。隔膜室体积庞大，内部结构复杂，造价昂贵，国产隔膜室单价约为30万元左右，变送器的安装会改变其结构，甚至影响及机械性能。经过对GEHO隔膜泵结构的分析，理想的安装位置在入口阀室排污堵头处，如图所7示：
图6 入口单向阀击穿或卡死时隔膜室内压力曲线
1.阀座 2-阀芯 3-入口阀座打压油嘴 4-入口阀室排污堵头 5-隔膜室
图7
大红山管线运行10多年来，入口阀室排污堵头从未使用过，每次拆检单向阀时从未出现堵塞现象，且位于入口单向阀上端，出口单向阀下端，通过入口阀室或短管与隔膜室相连，监测到压力即为隔膜室内压力，是变送器理想的安装位置。
管线主泵正常运行时入口压力约为：1000Kpa，出口压力约为20Mpa，主泵最高设计压力为：24.4Mpa，压力变送器选择0-30Mpa为宜，在每台主泵三个入口阀室排污堵头各安装一只，将采集到的压力数据接入监控电脑，进行实时监控，以便于及时、准确处理单向阀故障。
2.2.4技术对比
本技术与推进液压力监测技术相比，其监测介质由间接的隔膜腔推进液油压转变为直接的隔膜室浆体压力，更加直观，更加准确，不易出现误报。与人为检查相比更彰显大红山管道的智能化。
三、结语
围绕并解决隔膜泵单向阀故障自动诊断技术问题，实现隔膜泵单向阀故障的自动诊断，让长输管道活塞隔膜泵更加安全、高效、节能和环保，推动管道输送技术发展，为管道输送外部市场提供强有力的技术能力支撑。
参考文献
[1]张立平,郑宏超,丁兆义.浅谈活塞隔膜泵单向阀刺阀现象 2010.12.12.
[2]杨宏权,张金伟.往复式活塞隔膜泵单向阀故障诊断技术[R] 2012 07.
[3]云南大红山管道公司管道输送工艺技术规范.
[4]荷兰GEHO主泵操作手册.
论文作者:张刚,严加飞
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/8
标签：单向阀论文; 隔膜论文; 矿浆论文; 压力论文; 活塞论文; 管道论文; 隔膜泵论文; 《电力设备》2019年第6期论文;