瓦斯抽采泵除垢技術

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摘要:根據新莊孜煤礦8號井瓦斯抽采泵的結構特點和泵體內垢樣組成成分，建立了一種低成本、高效率的瓦斯抽采泵化學清洗除垢工藝，從化學清洗過程的監測數據以及化學清洗后設備運行參數可以看出，化學清洗除垢效果明顯，化學清洗的結果符合工業設備化學清洗質量標準(HG/T2387－2007)中的有關規定。

關鍵詞:瓦斯抽采泵；化學清洗；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，煤的牌號為焦煤和氣、肥煤等。由于煤系地層厚度大，其發育的暗色頁巖又含有豐富的有機質，所以煤層瓦斯的生成條件極為優越〔1〕。對于此類高瓦斯礦井，建立地面永久抽采瓦斯系統是減少瓦斯涌出、預防瓦斯超限、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中的一種必備設備，在實際使用中，水垢是影響瓦斯抽采泵正常運行的主要因素之一〔4〕。新莊孜煤礦8號井瓦斯抽排站安裝有2臺2BE1型水環式真空泵，其中1臺使用，另1臺備用。

由于瓦斯抽采泵在運行中循環水的濃縮、結晶等問題導致各種離子的聚積附著在葉輪和泵殼內部的金屬表面形成水垢。結垢后由于垢的腐蝕作用以及水中微生物和有機質的影響，繼續作用下形成大量的成分復雜、硬度更大的水垢，且成垢速度會逐步增大。逐漸導致瓦斯抽采泵內循環水量減少，絕對吸入壓強變小。雖然瓦斯泵在運行，但實際工作效率低。另一方面，由于結垢現象嚴重，導致瓦斯抽采泵的運行負荷增加，開機電流大幅上升。在未酸洗前，由于結垢嚴重，經常導致水泵無法正常運行甚至因開機電流太大而導致跳閘和線路燒毀等現象，影響生產裝置的正常運行，同時也無法及時將井下煤層的瓦斯及時抽出，為煤礦的安全生產埋下隱患。

化學清洗是短時間內清除水垢的一種經濟高效的手段〔5－6〕，瓦斯抽采泵化學清洗系統的設計和清洗工藝的研究是順利完成泵體化學清洗除垢的基礎。根據前期對新莊孜煤礦8號井瓦斯抽采泵系統循環水水質及垢樣組分特點的分析，研究了瓦斯抽采泵運行循環清洗工藝，建立一套系統、安全、可靠、操作簡便的酸洗工藝。

1瓦斯抽采泵化學清洗系統的設計新莊孜煤礦8號井瓦斯抽采泵化學清洗系統的設計如圖1所示。

1－防爆耐酸化工泵；2－進液管線；3－葉輪間空腔；

4－水環式真空泵；5－出液管線；6－水環式真空泵排污；

7－酸槽排污；8－自來水；9－循環配液酸槽

圖1瓦斯抽采泵化學清洗系統

2化學清洗施工前的準備(1)主要施工設備和清洗原材料。循環配液酸槽、防爆清洗泵、pHs－2C酸度計、濁度計、工業級的氫氧化鈉，OP－10，鹽酸，檸檬酸，復配混合緩蝕劑，Fe3+抑制劑等。

(2)清洗過程監測項目及方法?；瘜W清洗過程的檢測包括鹽酸濃度、檸檬酸、鐵離子濃度、濁度等常規項目的監測，檢測方法見參考文獻〔5〕。

3清洗工藝步序的確定

根據HG/T2387－2007《工業設備化學清洗質量標準》及以往的清洗經驗，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個步驟。

(1)水沖洗。水沖洗的目的是將水環式真空泵內可能存在的一些污物和松軟水垢沖洗掉，同時檢查全系統尤其是臨時系統有無泄漏。啟動防爆耐酸化工泵，向水環式真空泵內進水，同時排放，流速要求達到0．5～1．5m/s。觀察臨時管線和全系統有無泄露或異常情況，清洗泵及其他機械運轉是否正常。當全系統無異常情況、無泄漏，排水清澈透明無雜物，水沖洗結束。

(2)酸洗。酸洗是利用酸洗藥劑與垢塊、銹蝕產物起反應，生成水溶性物質，從而使水環式真空泵內表面清潔。用自來水、0．4%復配緩蝕劑、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，同時啟動瓦斯抽采泵，循環清洗。根據泵體溫度變化，確定瓦斯抽采泵的關停，定時分析檢測，及時補加相關藥劑。當酸濃度和鐵離子濃度達到穩定，瓦斯抽采泵啟動電流降低至正常值時，可結束酸洗。酸洗后，取出腐蝕試片，稱重計算腐蝕率。

(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，當排水清澈無雜物、pH值＞4、鐵離子濃度＜50mg/L，水沖洗結束。

(4)漂洗。漂洗的目的是除去水沖洗時金屬表面產生的二次浮銹，以保證鈍化效果。配制好漂洗藥劑(0．3%檸檬酸+0．3%復配緩蝕劑)，啟動防爆耐酸化工泵，將漂洗試劑注入水環式真空泵，啟動瓦斯抽采泵，運行漂洗。當酸濃度、鐵離子濃度都已穩定，漂洗結束。

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

4瓦斯抽采泵的化學清洗

2007年10月19日對淮南礦業集團公司新莊孜煤礦8號井瓦斯抽排站對2BE1型瓦斯抽采泵進行了酸洗工藝研究。

4．1酸洗

在瓦斯抽采泵酸洗過程中可以發現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與鹽酸基本相似，但在最初階段變化趨勢較為平緩。酸洗過程中濁度在前幾個小時呈緩慢上升趨勢，隨后急劇上升，然后達到穩定，如圖3所示。清洗液中Fe3+和總鐵濃度隨著清洗時間的延長呈增長趨勢，然后增長趨勢變緩，如圖4所示。

由于泵體內部水垢很多，且鹽酸與垢塊的反應速度很快，檸檬酸與垢塊的反應速度相對較慢，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，不斷向清洗系統補加清洗液，監測過程中發現清洗液中鹽酸的濃度變化幅度不斷減小時，停止加清洗液。此時檸檬酸對垢樣的反應占主導地位，當泵內水垢基本反應完畢后，酸就會與泵體鐵發生反應，由于有緩蝕劑的保護，故此反應非常緩慢，所以酸的濃度基本保持恒定。

濁度是反應清洗液中懸浮物質多少的一個指標，濁度越大說明清洗液中懸浮的顆粒越多。在酸洗的前幾個小時，雖然酸液和水垢發生了劇烈反應，會在清洗液中形成較多懸浮顆粒，但由于向清洗系統中不斷補充清洗液，對整個系統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較為緩慢。停止向系統補充清洗液后，濁度急劇上升，當反應基本完成后，清洗液的濁度基本保持不變。因此濁度是指示酸洗是否結束的一個重要指標。

在酸洗過程中，Fe

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

瓦斯抽采泵內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，垢層溶解時產生的鐵離子也就比較少，Fe3+也不會高。隨著酸洗的開始，部分垢層比較薄的區域水垢會最先反應完畢，并露出本體，酸液會與本體表面的鐵氧化物發生反應，生成Fe3+。由于清洗液中存在還原性物質，產生的部分Fe3+會被還原為Fe2+。同時氧化層反應完畢后，酸液與本體鐵產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束后其濃度變化較小，但總鐵的含量會維持上升趨勢。在瓦斯抽采泵水垢的化學清洗中，Fe3+的濃度也未超過300×10－6(即300mg/L)，同時與HG/T2387－2007《工業設備化學清洗質量標準》中規定的在加入鈍化藥劑前清洗系統內溶液的總鐵離子濃度不宜大于350mg/L的規定相比，該工藝產生的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據監測可以看出，酸洗時間可以控制在12h以內，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內運行時，不會對泵體造成嚴重的腐蝕。

4．2水沖洗

通過對水沖洗過程中沖洗液pH值的監測可以看出(見圖5)，隨著沖洗時間的延長，沖洗液的pH值逐漸升高，由于瓦斯抽采泵本身結構較為復雜，沖洗液的pH值需要經歷相當長的時間才能大于4．0，因此在水沖洗過程中可以適當考慮加入一些氨水以調節沖洗液的pH值，縮短沖洗時間。

4．3漂洗漂洗主要是為了除去水洗后產生的浮銹，漂洗中總鐵和Fe3+的濃度監測如圖6所示，由于在漂洗過程中使用的檸檬酸濃度較小，對泵體鐵的腐蝕程度較小，同時在緩蝕劑的保護小，酸對泵體的腐蝕作用被降至最低。Fe3+抑制劑的加入，進一步將酸與浮銹產生的部分Fe3+還原為Fe2+，所以Fe3+的濃度在漂洗液中含量相對較低，遠遠低于HG/T2387－2007《工業設備化學清洗質量標準》中規定的上限值。

4．3漂洗漂洗主要是為了除去水洗后產生的浮銹，漂洗中總鐵和Fe3+的濃度監測如圖6所示，由于在漂洗過程中使用的檸檬酸濃度較小，對泵體鐵的腐蝕程度較小，同時在緩蝕劑的保護小，酸對泵體的腐蝕作用被降至最低。Fe3+抑制劑的加入，進一步將酸與浮銹產生的部分Fe3+還原為Fe2+，所以Fe3+的濃度在漂洗液中含量相對較低，遠遠低于HG/T2387－2007《工業設備化學清洗質量標準》中規定的上限值。

4．4化學清洗中的腐蝕監測清洗結束后，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。結果為A3碳鋼鋼腐蝕試片腐蝕速率為1．4975g/(m2·h)。且均未發生孔蝕等局部腐蝕現象。

5清洗效果

(1)酸洗總體效果非常明顯，打開水環式真空泵的側蓋可以發現大部分水垢已經被清除，進水管內部水垢完全消失，內表面整潔明亮。

(2)水環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轉動，酸洗后，一人稍用力即可轉動葉輪，而且葉輪在慣性作用下自行運行數圈；運行水環式真空泵發現開機電流大幅降低，持續運行未見泵體溫度大幅上升。

6結論

(1)從酸洗過程中監測數據可以看出，雖然用鹽酸和檸檬酸等酸性物質作為主要溶垢試劑，由于緩蝕劑的作用，酸對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，進一步避免了Fe3+對泵體腐蝕的增速作用。通過對酸洗過程中酸濃度或者濁度的監測，可以確定酸洗進行的程度，并可以作為控制酸洗結束的指標。

(2)通過對新莊孜煤礦8號井瓦斯抽采泵的化學清洗應用研究，確定了瓦斯抽采泵內部水垢的化學清洗系統的設計及化學清洗工藝，為企業節能減排，安全生產提供了技術保障。