瓦斯抽采泵除垢技术

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摘要:根据新庄孜煤矿8号井瓦斯抽采泵的结构特点和泵体内垢样组成成分，建立了一种低成本、高效率的瓦斯抽采泵化学清洗除垢工艺，从化学清洗过程的监测数据以及化学清洗后设备运行参数可以看出，化学清洗除垢效果明显，化学清洗的结果符合工业设备化学清洗质量标准(HG/T2387－2007)中的有关规定。

关键词:瓦斯抽采泵；化学清洗；除垢工艺

新庄孜矿井田煤系地层为石炭二叠系海陆交互相建造，共含煤46层，煤层总厚35．6m，煤的牌号为焦煤和气、肥煤等。由于煤系地层厚度大，其发育的暗色页岩又含有丰富的有机质，所以煤层瓦斯的生成条件极为优越〔1〕。对于此类高瓦斯矿井，建立地面永久抽采瓦斯系统是减少瓦斯涌出、预防瓦斯超限、降低瓦斯积聚的首先方法〔2－3〕。瓦斯抽采泵是瓦斯抽采系统中的一种必备设备，在实际使用中，水垢是影响瓦斯抽采泵正常运行的主要因素之一〔4〕。新庄孜煤矿8号井瓦斯抽排站安装有2台2BE1型水环式真空泵，其中1台使用，另1台备用。

由于瓦斯抽采泵在运行中循环水的浓缩、结晶等问题导致各种离子的聚积附着在叶轮和泵壳内部的金属表面形成水垢。结垢后由于垢的腐蚀作用以及水中微生物和有机质的影响，继续作用下形成大量的成分复杂、硬度更大的水垢，且成垢速度会逐步增大。逐渐导致瓦斯抽采泵内循环水量减少，绝对吸入压强变小。虽然瓦斯泵在运行，但实际工作效率低。另一方面，由于结垢现象严重，导致瓦斯抽采泵的运行负荷增加，开机电流大幅上升。在未酸洗前，由于结垢严重，经常导致水泵无法正常运行甚至因开机电流太大而导致跳闸和线路烧毁等现象，影响生产装置的正常运行，同时也无法及时将井下煤层的瓦斯及时抽出，为煤矿的安全生产埋下隐患。

化学清洗是短时间内清除水垢的一种经济高效的手段〔5－6〕，瓦斯抽采泵化学清洗系统的设计和清洗工艺的研究是顺利完成泵体化学清洗除垢的基础。根据前期对新庄孜煤矿8号井瓦斯抽采泵系统循环水水质及垢样组分特点的分析，研究了瓦斯抽采泵运行循环清洗工艺，建立一套系统、安全、可靠、操作简便的酸洗工艺。

1瓦斯抽采泵化学清洗系统的设计新庄孜煤矿8号井瓦斯抽采泵化学清洗系统的设计如图1所示。

1－防爆耐酸化工泵；2－进液管线；3－叶轮间空腔；

4－水环式真空泵；5－出液管线；6－水环式真空泵排污；

7－酸槽排污；8－自来水；9－循环配液酸槽

图1瓦斯抽采泵化学清洗系统

2化学清洗施工前的准备(1)主要施工设备和清洗原材料。循环配液酸槽、防爆清洗泵、pHs－2C酸度计、浊度计、工业级的氢氧化钠，OP－10，盐酸，柠檬酸，复配混合缓蚀剂，Fe3+抑制剂等。

(2)清洗过程监测项目及方法。化学清洗过程的检测包括盐酸浓度、柠檬酸、铁离子浓度、浊度等常规项目的监测，检测方法见参考文献〔5〕。

3清洗工艺步序的确定

根据HG/T2387－2007《工业设备化学清洗质量标准》及以往的清洗经验，确定清洗工艺过程为水冲洗、酸洗、酸洗后水冲洗、漂洗、钝化5个步骤。

(1)水冲洗。水冲洗的目的是将水环式真空泵内可能存在的一些污物和松软水垢冲洗掉，同时检查全系统尤其是临时系统有无泄漏。启动防爆耐酸化工泵，向水环式真空泵内进水，同时排放，流速要求达到0．5～1．5m/s。观察临时管线和全系统有无泄露或异常情况，清洗泵及其他机械运转是否正常。当全系统无异常情况、无泄漏，排水清澈透明无杂物，水冲洗结束。

(2)酸洗。酸洗是利用酸洗药剂与垢块、锈蚀产物起反应，生成水溶性物质，从而使水环式真空泵内表面清洁。用自来水、0．4%复配缓蚀剂、6．0%盐酸+8．0%柠檬酸+0．6%OP－10+0．5%Fe3+抑制剂配制成酸洗药剂，同时启动瓦斯抽采泵，循环清洗。根据泵体温度变化，确定瓦斯抽采泵的关停，定时分析检测，及时补加相关药剂。当酸浓度和铁离子浓度达到稳定，瓦斯抽采泵启动电流降低至正常值时，可结束酸洗。酸洗后，取出腐蚀试片，称重计算腐蚀率。

(3)酸洗后水冲洗。排净酸洗液后，用大流量水冲洗以除去脱落的垢物和残存的酸液，当排水清澈无杂物、pH值＞4、铁离子浓度＜50mg/L，水冲洗结束。

(4)漂洗。漂洗的目的是除去水冲洗时金属表面产生的二次浮锈，以保证钝化效果。配制好漂洗药剂(0．3%柠檬酸+0．3%复配缓蚀剂)，启动防爆耐酸化工泵，将漂洗试剂注入水环式真空泵，启动瓦斯抽采泵，运行漂洗。当酸浓度、铁离子浓度都已稳定，漂洗结束。

(5)钝化。钝化的目的是防止酸洗后处于活性状态的金属表面重新氧化而产生锈蚀。漂洗结束后，用氨水调pH至9．5～10，补加钝化药剂(2．0%亚硝酸钠+1．0%磷酸三钠)，升温至50℃左右钝化。

4瓦斯抽采泵的化学清洗

2007年10月19日对淮南矿业集团公司新庄孜煤矿8号井瓦斯抽排站对2BE1型瓦斯抽采泵进行了酸洗工艺研究。

4．1酸洗

在瓦斯抽采泵酸洗过程中可以发现盐酸浓度变化较为明显，如图2所示，酸洗8h后，盐酸浓度基本保持不变；柠檬酸浓度的变化总趋势与盐酸基本相似，但在最初阶段变化趋势较为平缓。酸洗过程中浊度在前几个小时呈缓慢上升趋势，随后急剧上升，然后达到稳定，如图3所示。清洗液中Fe3+和总铁浓度随着清洗时间的延长呈增长趋势，然后增长趋势变缓，如图4所示。

由于泵体内部水垢很多，且盐酸与垢块的反应速度很快，柠檬酸与垢块的反应速度相对较慢，酸洗最初阶段盐酸消耗量比较大，所以在酸洗的最初阶段，为维持除垢反应，不断向清洗系统补加清洗液，监测过程中发现清洗液中盐酸的浓度变化幅度不断减小时，停止加清洗液。此时柠檬酸对垢样的反应占主导地位，当泵内水垢基本反应完毕后，酸就会与泵体铁发生反应，由于有缓蚀剂的保护，故此反应非常缓慢，所以酸的浓度基本保持恒定。

浊度是反应清洗液中悬浮物质多少的一个指标，浊度越大说明清洗液中悬浮的颗粒越多。在酸洗的前几个小时，虽然酸液和水垢发生了剧烈反应，会在清洗液中形成较多悬浮颗粒，但由于向清洗系统中不断补充清洗液，对整个系统中的清洗溶液起到稀释作用，所以最初阶段浊度的变化趋势较为缓慢。停止向系统补充清洗液后，浊度急剧上升，当反应基本完成后，清洗液的浊度基本保持不变。因此浊度是指示酸洗是否结束的一个重要指标。

在酸洗过程中，Fe

3+和总铁的浓度必须随时监测。Fe3+是一种强氧化剂，在酸性介质中，Fe3+阴极还原的平衡电位较正，它是一种良好的阴极去极化剂，其还原反应是很容易进行的，在Fe3+被还原的同时，就有等量的金属被腐蚀下来，其反应式如下:2Fe3++Fe(基体金属)→3Fe2+阳极反应Fe→Fe2++2e阴极反应Fe3++e→Fe2+现有的试验研究表明在一定的Fe3+浓度范围内，腐蚀速度的增加与Fe3+浓度成线性关系，Fe3+的腐蚀受扩散控制，因此与溶液的流动状态有很大的关系。此外，Fe3+除加速腐蚀外，更严重的是有引起小孔腐蚀的危险。因此，钢铁酸洗时，在酸液中溶解的Fe3+越多，则清洗液的腐蚀倾向亦越严重。因此控制酸洗液中Fe3+的量是酸洗过程中的一个重要问题。

瓦斯抽采泵内部水垢的主要成分为钙、镁的盐类，垢层本身含铁量就比较少，垢层溶解时产生的铁离子也就比较少，Fe3+也不会高。随着酸洗的开始，部分垢层比较薄的区域水垢会最先反应完毕，并露出本体，酸液会与本体表面的铁氧化物发生反应，生成Fe3+。由于清洗液中存在还原性物质，产生的部分Fe3+会被还原为Fe2+。同时氧化层反应完毕后，酸液与本体铁产生的氢气也可以使一部份Fe3+还原为Fe2+。因此Fe3+的浓度在酸洗基本结束后其浓度变化较小，但总铁的含量会维持上升趋势。在瓦斯抽采泵水垢的化学清洗中，Fe3+的浓度也未超过300×10－6(即300mg/L)，同时与HG/T2387－2007《工业设备化学清洗质量标准》中规定的在加入钝化药剂前清洗系统内溶液的总铁离子浓度不宜大于350mg/L的规定相比，该工艺产生的Fe3+要少的多(约220mg/L)。因此从酸洗过程中盐酸和柠檬酸浓度的变化以及浊度变化的数据监测可以看出，酸洗时间可以控制在12h以内，即可保证酸洗完成。而且酸洗过程中Fe3+的浓度始终保持在较低水平，说明所使用的清洗液在瓦斯抽采泵系统内运行时，不会对泵体造成严重的腐蚀。

4．2水冲洗

通过对水冲洗过程中冲洗液pH值的监测可以看出(见图5)，随着冲洗时间的延长，冲洗液的pH值逐渐升高，由于瓦斯抽采泵本身结构较为复杂，冲洗液的pH值需要经历相当长的时间才能大于4．0，因此在水冲洗过程中可以适当考虑加入一些氨水以调节冲洗液的pH值，缩短冲洗时间。

4．3漂洗漂洗主要是为了除去水洗后产生的浮锈，漂洗中总铁和Fe3+的浓度监测如图6所示，由于在漂洗过程中使用的柠檬酸浓度较小，对泵体铁的腐蚀程度较小，同时在缓蚀剂的保护小，酸对泵体的腐蚀作用被降至最低。Fe3+抑制剂的加入，进一步将酸与浮锈产生的部分Fe3+还原为Fe2+，所以Fe3+的浓度在漂洗液中含量相对较低，远远低于HG/T2387－2007《工业设备化学清洗质量标准》中规定的上限值。

4．3漂洗漂洗主要是为了除去水洗后产生的浮锈，漂洗中总铁和Fe3+的浓度监测如图6所示，由于在漂洗过程中使用的柠檬酸浓度较小，对泵体铁的腐蚀程度较小，同时在缓蚀剂的保护小，酸对泵体的腐蚀作用被降至最低。Fe3+抑制剂的加入，进一步将酸与浮锈产生的部分Fe3+还原为Fe2+，所以Fe3+的浓度在漂洗液中含量相对较低，远远低于HG/T2387－2007《工业设备化学清洗质量标准》中规定的上限值。

4．4化学清洗中的腐蚀监测清洗结束后，拆开旁路管线，取出试片用清水冲洗、擦净放入无水乙醇中浸泡1～2min，取出用纱布擦干。放入干燥器中16h后称重。结果为A3碳钢钢腐蚀试片腐蚀速率为1．4975g/(m2·h)。且均未发生孔蚀等局部腐蚀现象。

5清洗效果

(1)酸洗总体效果非常明显，打开水环式真空泵的侧盖可以发现大部分水垢已经被清除，进水管内部水垢完全消失，内表面整洁明亮。

(2)水环式真空泵在未酸洗前，在多人用力情况下才可以使叶轮勉强转动，酸洗后，一人稍用力即可转动叶轮，而且叶轮在惯性作用下自行运行数圈；运行水环式真空泵发现开机电流大幅降低，持续运行未见泵体温度大幅上升。

6结论

(1)从酸洗过程中监测数据可以看出，虽然用盐酸和柠檬酸等酸性物质作为主要溶垢试剂，由于缓蚀剂的作用，酸对泵体的影响被降至最低，腐蚀速率小，酸洗过程中Fe3+的浓度得到有效控制，进一步避免了Fe3+对泵体腐蚀的增速作用。通过对酸洗过程中酸浓度或者浊度的监测，可以确定酸洗进行的程度，并可以作为控制酸洗结束的指标。

(2)通过对新庄孜煤矿8号井瓦斯抽采泵的化学清洗应用研究，确定了瓦斯抽采泵内部水垢的化学清洗系统的设计及化学清洗工艺，为企业节能减排，安全生产提供了技术保障。