瓦斯抽采泵除垢技術(shù)

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摘要:根據(jù)新莊孜煤礦8號(hào)井瓦斯抽采泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和泵體內(nèi)垢樣組成成分，建立了一種低成本、高效率的瓦斯抽采泵化學(xué)清洗除垢工藝，從化學(xué)清洗過程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及化學(xué)清洗后設(shè)備運(yùn)行參數(shù)可以看出，化學(xué)清洗除垢效果明顯，化學(xué)清洗的結(jié)果符合工業(yè)設(shè)備化學(xué)清洗質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(HG/T2387－2007)中的有關(guān)規(guī)定。

關(guān)鍵詞:瓦斯抽采泵；化學(xué)清洗；除垢工藝

新莊孜礦井田煤系地層為石炭二疊系海陸交互相建造，共含煤46層，煤層總厚35．6m，煤的牌號(hào)為焦煤和氣、肥煤等。由于煤系地層厚度大，其發(fā)育的暗色頁巖又含有豐富的有機(jī)質(zhì)，所以煤層瓦斯的生成條件極為優(yōu)越〔1〕。對(duì)于此類高瓦斯礦井，建立地面永久抽采瓦斯系統(tǒng)是減少瓦斯涌出、預(yù)防瓦斯超限、降低瓦斯積聚的首先方法〔2－3〕。瓦斯抽采泵是瓦斯抽采系統(tǒng)中的一種必備設(shè)備，在實(shí)際使用中，水垢是影響瓦斯抽采泵正常運(yùn)行的主要因素之一〔4〕。新莊孜煤礦8號(hào)井瓦斯抽排站安裝有2臺(tái)2BE1型水環(huán)式真空泵，其中1臺(tái)使用，另1臺(tái)備用。

由于瓦斯抽采泵在運(yùn)行中循環(huán)水的濃縮、結(jié)晶等問題導(dǎo)致各種離子的聚積附著在葉輪和泵殼內(nèi)部的金屬表面形成水垢。結(jié)垢后由于垢的腐蝕作用以及水中微生物和有機(jī)質(zhì)的影響，繼續(xù)作用下形成大量的成分復(fù)雜、硬度更大的水垢，且成垢速度會(huì)逐步增大。逐漸導(dǎo)致瓦斯抽采泵內(nèi)循環(huán)水量減少，絕對(duì)吸入壓強(qiáng)變小。雖然瓦斯泵在運(yùn)行，但實(shí)際工作效率低。另一方面，由于結(jié)垢現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致瓦斯抽采泵的運(yùn)行負(fù)荷增加，開機(jī)電流大幅上升。在未酸洗前，由于結(jié)垢嚴(yán)重，經(jīng)常導(dǎo)致水泵無法正常運(yùn)行甚至因開機(jī)電流太大而導(dǎo)致跳閘和線路燒毀等現(xiàn)象，影響生產(chǎn)裝置的正常運(yùn)行，同時(shí)也無法及時(shí)將井下煤層的瓦斯及時(shí)抽出，為煤礦的安全生產(chǎn)埋下隱患。

化學(xué)清洗是短時(shí)間內(nèi)清除水垢的一種經(jīng)濟(jì)高效的手段〔5－6〕，瓦斯抽采泵化學(xué)清洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和清洗工藝的研究是順利完成泵體化學(xué)清洗除垢的基礎(chǔ)。根據(jù)前期對(duì)新莊孜煤礦8號(hào)井瓦斯抽采泵系統(tǒng)循環(huán)水水質(zhì)及垢樣組分特點(diǎn)的分析，研究了瓦斯抽采泵運(yùn)行循環(huán)清洗工藝，建立一套系統(tǒng)、安全、可靠、操作簡(jiǎn)便的酸洗工藝。

1瓦斯抽采泵化學(xué)清洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)新莊孜煤礦8號(hào)井瓦斯抽采泵化學(xué)清洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖1所示。

1－防爆耐酸化工泵；2－進(jìn)液管線；3－葉輪間空腔；

4－水環(huán)式真空泵；5－出液管線；6－水環(huán)式真空泵排污；

7－酸槽排污；8－自來水；9－循環(huán)配液酸槽

圖1瓦斯抽采泵化學(xué)清洗系統(tǒng)

2化學(xué)清洗施工前的準(zhǔn)備(1)主要施工設(shè)備和清洗原材料。循環(huán)配液酸槽、防爆清洗泵、pHs－2C酸度計(jì)、濁度計(jì)、工業(yè)級(jí)的氫氧化鈉，OP－10，鹽酸，檸檬酸，復(fù)配混合緩蝕劑，F(xiàn)e3+抑制劑等。

(2)清洗過程監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及方法。化學(xué)清洗過程的檢測(cè)包括鹽酸濃度、檸檬酸、鐵離子濃度、濁度等常規(guī)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)，檢測(cè)方法見參考文獻(xiàn)〔5〕。

3清洗工藝步序的確定

根據(jù)HG/T2387－2007《工業(yè)設(shè)備化學(xué)清洗質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》及以往的清洗經(jīng)驗(yàn)，確定清洗工藝過程為水沖洗、酸洗、酸洗后水沖洗、漂洗、鈍化5個(gè)步驟。

(1)水沖洗。水沖洗的目的是將水環(huán)式真空泵內(nèi)可能存在的一些污物和松軟水垢沖洗掉，同時(shí)檢查全系統(tǒng)尤其是臨時(shí)系統(tǒng)有無泄漏。啟動(dòng)防爆耐酸化工泵，向水環(huán)式真空泵內(nèi)進(jìn)水，同時(shí)排放，流速要求達(dá)到0．5～1．5m/s。觀察臨時(shí)管線和全系統(tǒng)有無泄露或異常情況，清洗泵及其他機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常。當(dāng)全系統(tǒng)無異常情況、無泄漏，排水清澈透明無雜物，水沖洗結(jié)束。

(2)酸洗。酸洗是利用酸洗藥劑與垢塊、銹蝕產(chǎn)物起反應(yīng)，生成水溶性物質(zhì)，從而使水環(huán)式真空泵內(nèi)表面清潔。用自來水、0．4%復(fù)配緩蝕劑、6．0%鹽酸+8．0%檸檬酸+0．6%OP－10+0．5%Fe3+抑制劑配制成酸洗藥劑，同時(shí)啟動(dòng)瓦斯抽采泵，循環(huán)清洗。根據(jù)泵體溫度變化，確定瓦斯抽采泵的關(guān)停，定時(shí)分析檢測(cè)，及時(shí)補(bǔ)加相關(guān)藥劑。當(dāng)酸濃度和鐵離子濃度達(dá)到穩(wěn)定，瓦斯抽采泵啟動(dòng)電流降低至正常值時(shí)，可結(jié)束酸洗。酸洗后，取出腐蝕試片，稱重計(jì)算腐蝕率。

(3)酸洗后水沖洗。排凈酸洗液后，用大流量水沖洗以除去脫落的垢物和殘存的酸液，當(dāng)排水清澈無雜物、pH值＞4、鐵離子濃度＜50mg/L，水沖洗結(jié)束。

(4)漂洗。漂洗的目的是除去水沖洗時(shí)金屬表面產(chǎn)生的二次浮銹，以保證鈍化效果。配制好漂洗藥劑(0．3%檸檬酸+0．3%復(fù)配緩蝕劑)，啟動(dòng)防爆耐酸化工泵，將漂洗試劑注入水環(huán)式真空泵，啟動(dòng)瓦斯抽采泵，運(yùn)行漂洗。當(dāng)酸濃度、鐵離子濃度都已穩(wěn)定，漂洗結(jié)束。

(5)鈍化。鈍化的目的是防止酸洗后處于活性狀態(tài)的金屬表面重新氧化而產(chǎn)生銹蝕。漂洗結(jié)束后，用氨水調(diào)pH至9．5～10，補(bǔ)加鈍化藥劑(2．0%亞硝酸鈉+1．0%磷酸三鈉)，升溫至50℃左右鈍化。

4瓦斯抽采泵的化學(xué)清洗

2007年10月19日對(duì)淮南礦業(yè)集團(tuán)公司新莊孜煤礦8號(hào)井瓦斯抽排站對(duì)2BE1型瓦斯抽采泵進(jìn)行了酸洗工藝研究。

4．1酸洗

在瓦斯抽采泵酸洗過程中可以發(fā)現(xiàn)鹽酸濃度變化較為明顯，如圖2所示，酸洗8h后，鹽酸濃度基本保持不變；檸檬酸濃度的變化總趨勢(shì)與鹽酸基本相似，但在最初階段變化趨勢(shì)較為平緩。酸洗過程中濁度在前幾個(gè)小時(shí)呈緩慢上升趨勢(shì)，隨后急劇上升，然后達(dá)到穩(wěn)定，如圖3所示。清洗液中Fe3+和總鐵濃度隨著清洗時(shí)間的延長(zhǎng)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，然后增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩，如圖4所示。

由于泵體內(nèi)部水垢很多，且鹽酸與垢塊的反應(yīng)速度很快，檸檬酸與垢塊的反應(yīng)速度相對(duì)較慢，酸洗最初階段鹽酸消耗量比較大，所以在酸洗的最初階段，為維持除垢反應(yīng)，不斷向清洗系統(tǒng)補(bǔ)加清洗液，監(jiān)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)清洗液中鹽酸的濃度變化幅度不斷減小時(shí)，停止加清洗液。此時(shí)檸檬酸對(duì)垢樣的反應(yīng)占主導(dǎo)地位，當(dāng)泵內(nèi)水垢基本反應(yīng)完畢后，酸就會(huì)與泵體鐵發(fā)生反應(yīng)，由于有緩蝕劑的保護(hù)，故此反應(yīng)非常緩慢，所以酸的濃度基本保持恒定。

濁度是反應(yīng)清洗液中懸浮物質(zhì)多少的一個(gè)指標(biāo)，濁度越大說明清洗液中懸浮的顆粒越多。在酸洗的前幾個(gè)小時(shí)，雖然酸液和水垢發(fā)生了劇烈反應(yīng)，會(huì)在清洗液中形成較多懸浮顆粒，但由于向清洗系統(tǒng)中不斷補(bǔ)充清洗液，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中的清洗溶液起到稀釋作用，所以最初階段濁度的變化趨勢(shì)較為緩慢。停止向系統(tǒng)補(bǔ)充清洗液后，濁度急劇上升，當(dāng)反應(yīng)基本完成后，清洗液的濁度基本保持不變。因此濁度是指示酸洗是否結(jié)束的一個(gè)重要指標(biāo)。

在酸洗過程中，F(xiàn)e

3+和總鐵的濃度必須隨時(shí)監(jiān)測(cè)。Fe3+是一種強(qiáng)氧化劑，在酸性介質(zhì)中，F(xiàn)e3+陰極還原的平衡電位較正，它是一種良好的陰極去極化劑，其還原反應(yīng)是很容易進(jìn)行的，在Fe3+被還原的同時(shí)，就有等量的金屬被腐蝕下來，其反應(yīng)式如下:2Fe3++Fe(基體金屬)→3Fe2+陽極反應(yīng)Fe→Fe2++2e陰極反應(yīng)Fe3++e→Fe2+現(xiàn)有的試驗(yàn)研究表明在一定的Fe3+濃度范圍內(nèi)，腐蝕速度的增加與Fe3+濃度成線性關(guān)系，F(xiàn)e3+的腐蝕受擴(kuò)散控制，因此與溶液的流動(dòng)狀態(tài)有很大的關(guān)系。此外，F(xiàn)e3+除加速腐蝕外，更嚴(yán)重的是有引起小孔腐蝕的危險(xiǎn)。因此，鋼鐵酸洗時(shí)，在酸液中溶解的Fe3+越多，則清洗液的腐蝕傾向亦越嚴(yán)重。因此控制酸洗液中Fe3+的量是酸洗過程中的一個(gè)重要問題。

瓦斯抽采泵內(nèi)部水垢的主要成分為鈣、鎂的鹽類，垢層本身含鐵量就比較少，垢層溶解時(shí)產(chǎn)生的鐵離子也就比較少，F(xiàn)e3+也不會(huì)高。隨著酸洗的開始，部分垢層比較薄的區(qū)域水垢會(huì)最先反應(yīng)完畢，并露出本體，酸液會(huì)與本體表面的鐵氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成Fe3+。由于清洗液中存在還原性物質(zhì)，產(chǎn)生的部分Fe3+會(huì)被還原為Fe2+。同時(shí)氧化層反應(yīng)完畢后，酸液與本體鐵產(chǎn)生的氫氣也可以使一部份Fe3+還原為Fe2+。因此Fe3+的濃度在酸洗基本結(jié)束后其濃度變化較小，但總鐵的含量會(huì)維持上升趨勢(shì)。在瓦斯抽采泵水垢的化學(xué)清洗中，F(xiàn)e3+的濃度也未超過300×10－6(即300mg/L)，同時(shí)與HG/T2387－2007《工業(yè)設(shè)備化學(xué)清洗質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的在加入鈍化藥劑前清洗系統(tǒng)內(nèi)溶液的總鐵離子濃度不宜大于350mg/L的規(guī)定相比，該工藝產(chǎn)生的Fe3+要少的多(約220mg/L)。因此從酸洗過程中鹽酸和檸檬酸濃度的變化以及濁度變化的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)可以看出，酸洗時(shí)間可以控制在12h以內(nèi)，即可保證酸洗完成。而且酸洗過程中Fe3+的濃度始終保持在較低水平，說明所使用的清洗液在瓦斯抽采泵系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行時(shí)，不會(huì)對(duì)泵體造成嚴(yán)重的腐蝕。

4．2水沖洗

通過對(duì)水沖洗過程中沖洗液pH值的監(jiān)測(cè)可以看出(見圖5)，隨著沖洗時(shí)間的延長(zhǎng)，沖洗液的pH值逐漸升高，由于瓦斯抽采泵本身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，沖洗液的pH值需要經(jīng)歷相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能大于4．0，因此在水沖洗過程中可以適當(dāng)考慮加入一些氨水以調(diào)節(jié)沖洗液的pH值，縮短沖洗時(shí)間。

4．3漂洗漂洗主要是為了除去水洗后產(chǎn)生的浮銹，漂洗中總鐵和Fe3+的濃度監(jiān)測(cè)如圖6所示，由于在漂洗過程中使用的檸檬酸濃度較小，對(duì)泵體鐵的腐蝕程度較小，同時(shí)在緩蝕劑的保護(hù)小，酸對(duì)泵體的腐蝕作用被降至最低。Fe3+抑制劑的加入，進(jìn)一步將酸與浮銹產(chǎn)生的部分Fe3+還原為Fe2+，所以Fe3+的濃度在漂洗液中含量相對(duì)較低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于HG/T2387－2007《工業(yè)設(shè)備化學(xué)清洗質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的上限值。

4．3漂洗漂洗主要是為了除去水洗后產(chǎn)生的浮銹，漂洗中總鐵和Fe3+的濃度監(jiān)測(cè)如圖6所示，由于在漂洗過程中使用的檸檬酸濃度較小，對(duì)泵體鐵的腐蝕程度較小，同時(shí)在緩蝕劑的保護(hù)小，酸對(duì)泵體的腐蝕作用被降至最低。Fe3+抑制劑的加入，進(jìn)一步將酸與浮銹產(chǎn)生的部分Fe3+還原為Fe2+，所以Fe3+的濃度在漂洗液中含量相對(duì)較低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于HG/T2387－2007《工業(yè)設(shè)備化學(xué)清洗質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的上限值。

4．4化學(xué)清洗中的腐蝕監(jiān)測(cè)清洗結(jié)束后，拆開旁路管線，取出試片用清水沖洗、擦凈放入無水乙醇中浸泡1～2min，取出用紗布擦干。放入干燥器中16h后稱重。結(jié)果為A3碳鋼鋼腐蝕試片腐蝕速率為1．4975g/(m2·h)。且均未發(fā)生孔蝕等局部腐蝕現(xiàn)象。

5清洗效果

(1)酸洗總體效果非常明顯，打開水環(huán)式真空泵的側(cè)蓋可以發(fā)現(xiàn)大部分水垢已經(jīng)被清除，進(jìn)水管內(nèi)部水垢完全消失，內(nèi)表面整潔明亮。

(2)水環(huán)式真空泵在未酸洗前，在多人用力情況下才可以使葉輪勉強(qiáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，酸洗后，一人稍用力即可轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪，而且葉輪在慣性作用下自行運(yùn)行數(shù)圈；運(yùn)行水環(huán)式真空泵發(fā)現(xiàn)開機(jī)電流大幅降低，持續(xù)運(yùn)行未見泵體溫度大幅上升。

6結(jié)論

(1)從酸洗過程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，雖然用鹽酸和檸檬酸等酸性物質(zhì)作為主要溶垢試劑，由于緩蝕劑的作用，酸對(duì)泵體的影響被降至最低，腐蝕速率小，酸洗過程中Fe3+的濃度得到有效控制，進(jìn)一步避免了Fe3+對(duì)泵體腐蝕的增速作用。通過對(duì)酸洗過程中酸濃度或者濁度的監(jiān)測(cè)，可以確定酸洗進(jìn)行的程度，并可以作為控制酸洗結(jié)束的指標(biāo)。

(2)通過對(duì)新莊孜煤礦8號(hào)井瓦斯抽采泵的化學(xué)清洗應(yīng)用研究，確定了瓦斯抽采泵內(nèi)部水垢的化學(xué)清洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及化學(xué)清洗工藝，為企業(yè)節(jié)能減排，安全生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。