徑流和軸流LNG潛液泵使用壽命研究

張兵強(qiáng) 孔 云 程 浩 陳喬丹 徐夢(mèng)茹

1.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500

2.中國(guó)石油西南油氣田公司，四川 成都 610051

3.中國(guó)石油青海油田公司天然氣開發(fā)公司，青海 格爾木 816000

4.中原石油勘探局工程建設(shè)總公司，河南 濮陽(yáng) 457000

5.中國(guó)石油新疆油田公司油氣儲(chǔ)運(yùn)分公司，新疆 克拉瑪依 834000

0 前言

液化天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)潔凈能源，在工業(yè)化的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。隨著人類對(duì)能源需求的日益增長(zhǎng)，液化天然氣技術(shù)已成為一門新興的技術(shù)。液化天然氣的轉(zhuǎn)移、輸送都離不開LNG泵，LNG泵作為液化天然氣系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于液化天然氣的裝卸、輸送、增壓等［1～3］。 液化天然氣屬于典型的低溫、易燃、易爆物質(zhì)，因此對(duì)LNG泵的要求極為苛刻，目前LNG潛液泵以安全高效、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛使用［4～5］。但國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究尚處于起步階段，目前使用的一些大型LNG潛液泵大多為進(jìn)口。因此通過學(xué)習(xí)研究國(guó)外成熟的LNG潛液泵技術(shù)［6～7］，經(jīng)過消化吸收再創(chuàng)新來(lái)推進(jìn)國(guó)內(nèi)LNG潛液泵技術(shù)的發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

采用2個(gè)3級(jí)LNG潛液泵（一個(gè)軸向?qū)~，一個(gè)徑向?qū)~）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，通過測(cè)試徑流和軸流LNG潛液泵的泵軸位移曲線以及兩種形式LNG潛液泵的流量-壓頭曲線，研究?jī)煞N形式導(dǎo)葉潛液泵的使用壽命和檢修周期等問題，以便為液化天然氣生產(chǎn)部門選擇LNG潛液泵和制定檢修周期提供理論依據(jù)。

1.1 LNG潛液泵泵軸位移軌跡測(cè)試

實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度為L(zhǎng)NG本身溫度 （約-162℃），測(cè)試對(duì)象為3級(jí)LNG潛液泵，將實(shí)驗(yàn)測(cè)試的LNG潛液泵（見圖1）放入LNG儲(chǔ)罐泵井內(nèi)，將2個(gè)微孔位移探針［8～10］以 90°的夾角安裝在潛液泵泵軸附近，并連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后啟動(dòng)LNG潛液泵，使測(cè)試流量從0m3/h變化到260m3/h，分別測(cè)出流量遞增和遞減情況下的流量-壓頭變化情況，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄間隔為10 m3/h。在每個(gè)記錄點(diǎn)，將記錄泵的出口壓力、進(jìn)口壓力、輸入電流、輸入功率和電壓、軸位移以及軸位移變化的數(shù)據(jù)。其中軸的位移軌跡由安裝在軸附近的2個(gè)微孔位移探針測(cè)得，徑流LGN潛液泵和軸流LNG潛液泵微孔位移探針的安裝位置見圖2、3，實(shí)驗(yàn)記錄的流量-壓頭記錄數(shù)據(jù)見表1，流量-壓頭特性曲線見圖4、5。

1.2 LNG潛液泵軸襯疲勞磨損測(cè)試

在完成LNG潛液泵泵軸軌跡測(cè)試后，保持LNG潛液泵高效點(diǎn)30%流量下工作一段時(shí)間，評(píng)估泵在小流量情況下軸流LNG潛液泵和徑流LNG潛液泵的使用壽命。實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試LNG潛液泵在測(cè)試前后級(jí)間軸襯和軸之間的間隙變化量，以評(píng)估LNG潛液泵泵軸、軸承及軸襯使用壽命。

圖1 軸流LNG潛液泵剖面

圖2 徑流LNG潛液泵位移探針安裝示意

圖3 軸流LNG潛液泵位移探針安裝示意

表1 徑流和軸流LNG潛液泵流量-壓頭數(shù)據(jù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 泵特性曲線及泵軸位移軌跡測(cè)試分析

由表1和圖4、5可看出軸流LNG潛液泵的特性曲線上有很多小的不穩(wěn)定區(qū)域，并在流量遞增和遞減情況下的流量-壓頭特性曲線波動(dòng)范圍較大。而徑流LNG潛液泵的特性曲線不管是流量遞增還是遞減，流量-壓頭曲線都十分平穩(wěn)，沒有不穩(wěn)定區(qū)域。

圖4 軸流LNG潛液泵的流量-壓頭特性曲線

圖5 徑流LNG潛液泵的流量-壓頭特性曲線

根據(jù)流量-壓頭特性曲線可知，徑流LNG潛液泵的運(yùn)行穩(wěn)定性較好，如果工作條件下由于某種擾動(dòng)因素而偏離泵的高效流量點(diǎn)，此時(shí)泵提供的壓頭會(huì)隨管路所需壓頭相應(yīng)調(diào)整，使?jié)撘罕霉ぷ髟诟咝^(qū)域；軸流LNG潛液泵當(dāng)工作流量受到擾動(dòng)時(shí)由于特性曲線的不穩(wěn)定區(qū)域存在，使得工作點(diǎn)偏離高效工作區(qū)域時(shí)，不能自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的工作高效點(diǎn)附近，導(dǎo)致LNG潛液泵形成不穩(wěn)定工況，引起LNG潛液泵的周期性振蕩工況，此時(shí)泵性能變差，必須采取措施避免不穩(wěn)定工況的產(chǎn)生。因此從整體上來(lái)講徑流LNG潛液泵比軸流LNG潛液泵工作性能更穩(wěn)定、適應(yīng)性更廣、操作更方便。

圖6 軸流LNG潛液泵軸軌跡曲線

圖6 a）為軸流LNG潛液泵在泵的高效點(diǎn)（BEP）即流量210m3/h下軸軌跡曲線，LNG潛液泵的軌道形狀為環(huán)狀；圖7 a）為徑流LNG潛液泵在泵高效點(diǎn)流量210m3/h下軸軌跡曲線。對(duì)比圖6 a）和圖7 a）得出徑向?qū)~LNG潛液泵的泵軸軌跡比軸向?qū)~LNG潛液泵的泵軸軌跡小260%左右。

圖7 徑流LNG潛液泵軸軌跡曲線

圖6 b）為軸流LNG潛液泵在約70%的高效點(diǎn)流量下測(cè)試的泵軸軌跡曲線，從圖6 b）可看出泵軸軌跡仍是環(huán)形軌道，但軌道的中心開始偏離軸中心線。測(cè)試結(jié)果表明在該流量下泵軸開始不穩(wěn)定，泵流量-壓頭曲線上表現(xiàn)為不穩(wěn)定的流量區(qū)域，主要與LNG潛液泵級(jí)間軸襯內(nèi)徑磨損變化有關(guān)。由圖7 b）可看出徑流LNG潛液泵在30%高效點(diǎn)流量下，泵軸軌跡半徑有所增加，但仍沒偏離軸中心線，并且軌跡比軸流LNG潛液泵的泵軸軌跡小250%左右。

當(dāng)軸流LNG潛液泵流量為高效點(diǎn)流量的30%時(shí)，泵軸的軌道開始變形，見圖6 c）。此時(shí)軸流LNG泵軸主要依靠擴(kuò)散器的軸襯維持泵軸的穩(wěn)定，同時(shí)泵軸軸襯的磨損急劇增加，泵的軸承、軸襯等部件的壽命也相應(yīng)降低。圖7c）為徑流LNG潛液泵泵軸在流量為0的極端條件下軌跡曲線，曲線顯示表面軸軌跡不再是圓環(huán)，且無(wú)規(guī)律，但軌跡仍保持在泵軸中心線附近，徑流LNG潛液泵軌跡比軸流LNG潛液泵軌跡小235%左右。

2.2 LNG潛液泵軸襯疲勞磨損測(cè)試分析

在完成以上各種測(cè)試后，分別對(duì)軸流LNG潛液泵和徑流LNG潛液泵的軸襯疲勞磨損進(jìn)行了定量測(cè)試。兩種LNG潛液泵在小流量（30%BEP）情況下工作4 h，然后將泵拆開測(cè)試泵軸和軸襯間的間隙變化量，測(cè)試結(jié)果見表2、3。

表2可以看出在LNG潛液泵在小流量區(qū)域工作時(shí)軸襯磨損較大，并且1級(jí)軸襯磨損最大，3級(jí)軸襯磨損幾乎為0。表3可以看出徑向LNG潛液泵的各級(jí)軸襯磨損都很小，幾乎檢測(cè)不到。綜上所述，徑流LNG潛液泵在不同的工作條件下工況都相對(duì)穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)部件磨損相對(duì)較小。

表2 軸流LNG潛液泵軸襯磨損測(cè)試表

表3 徑流LNG潛液泵軸襯磨損測(cè)試表

3 結(jié)論

a）軸流LNG潛液泵在小流量下工作 （高效流量以下）時(shí)，泵工作在流量-壓頭特性曲線的不穩(wěn)定區(qū)域，并且此時(shí)泵軸襯的磨損加劇，并隨著軸級(jí)數(shù)的降低磨損急劇增大，導(dǎo)致LNG潛液泵壽命縮短，維修成本增加。

b）徑流LNG潛液泵在各個(gè)工作流量下泵軸軌跡都相對(duì)穩(wěn)定，同時(shí)泵特性曲線比較平滑，無(wú)不穩(wěn)定區(qū)域。

c）LNG潛液泵的徑向?qū)~和軸向?qū)~相比，徑向?qū)~可增加潛液泵的穩(wěn)定性，同時(shí)徑向擴(kuò)散器裝置可以給泵軸提供額外的液壓支架，減少級(jí)間軸襯對(duì)泵軸支撐依賴和軸襯的磨損。

d）測(cè)試結(jié)果表明，徑流LNG潛液泵的級(jí)間軸襯、葉輪耐磨環(huán)以及泵軸在整個(gè)運(yùn)行期間的磨損輕微，幾乎檢測(cè)不到。

e）LNG潛液泵的大修周期主要依據(jù)泵推力軸承、軸襯及泵軸的壽命。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，徑流LNG潛液泵的級(jí)間軸襯、葉輪耐磨環(huán)、擴(kuò)散器耐磨環(huán)及泵軸的磨損較小，可延長(zhǎng)大修周期，減少泵磨損部件的更換頻率，減低泵的維修成本。

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