海上平臺2 000 k W級大功率注水泵設(shè)計及示范應(yīng)用策略探討

洪 毅 馬 強 安維崢 徐海波

（中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028）

注水泵是滿足海上油田注水、實現(xiàn)海上采油的關(guān)鍵設(shè)備［1］。近年來，隨著我國海上油氣田區(qū)域和現(xiàn)有油田進行調(diào)整開發(fā)以及中心平臺注水量的增大，對單臺注水流量500 m3／h、注水壓力10 MPa、軸功率2 000 k W以上的大功率注水泵的需求日益增加［2-3］。目前渤海油田91%的油氣產(chǎn)量來自注水開發(fā)，注水是實現(xiàn)渤海油田3 000萬噸持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)的重要手段，而大功率注水泵是海上油田注水開發(fā)“卡脖子”的技術(shù)裝備。由于此類大功率注水泵技術(shù)含量較高、應(yīng)用工況苛刻、耐腐蝕材質(zhì)工藝難度高，被Sulzer、Flowserve、Ruhrpumpen等少數(shù)國外廠商壟斷，單臺進口注水泵價格在千萬元人民幣以上，存在采辦價格高、備品備件和人員服務(wù)費用昂貴的問題［4-5］。本文依托渤海某海上油田項目，對大功率注水泵國產(chǎn)化可行性進行分析，從泵的水力模型、性能分析、風(fēng)險識別及應(yīng)對措施進行論證，最終對5臺2 000 k W級注水泵中的1臺開展了國產(chǎn)化研發(fā)及示范應(yīng)用策略探討。

1 注水泵總體方案設(shè)計

本文設(shè)計的注水泵額定工況點主要參數(shù)及要求如下：泵流量為570 m3／h；吸入壓力為1 100 kPaG；排出壓力為11 400 kPaG；介質(zhì)比為1.02；泵效率≥75%；橇塊尺寸為9.5 m×3.5 m×4.0 m；調(diào)速方式為液力耦合調(diào)速；安裝區(qū)域在平臺中層甲板安全區(qū)。

1.1 泵型和結(jié)構(gòu)的確定

通過主要技術(shù)方案對比，本文設(shè)計的注水泵結(jié)構(gòu)形式采用石油化工和天然氣工業(yè)領(lǐng)域離心泵標(biāo)準規(guī)定的BB3型（兩端支承式多級軸向剖分離心泵）。該泵殼體采用水平中開軸向剖分，進出水管道設(shè)計在泵體下部分，在不拆卸進出口管線及驅(qū)動機的情況下可進行維修及更換轉(zhuǎn)動部件，檢修維護十分方便，便于海上應(yīng)用和維護［6］。

注水泵總體結(jié)構(gòu)采用6級轉(zhuǎn)子，首級葉輪采用雙吸葉輪，可大大降低泵的必須汽蝕余量，提高其汽蝕性能；采用雙渦殼流道，過渡流道采用雙吐出流道，能有效地平衡徑向力；葉輪采用背靠背布置型式實現(xiàn)自平衡；葉輪與軸采用過盈配合，卡環(huán)單獨定位；殼體級間采用螺旋短流道過渡，可使泵體軸向尺寸減小，結(jié)構(gòu)緊湊并能有效地減小泵軸承的跨距，提高泵運行的可靠性；徑向采用滑動軸承，軸向采用平面止推力軸承，軸承采用強制潤滑，可保證軸承的使用壽命；高壓端設(shè)有平衡室與低壓端用平衡管連接，可降低高壓端密封腔壓力；機械密封采用集裝波紋管式，并采用從首級葉輪渦室取水的PLAN 11自沖洗的潤滑冷卻方案。

1.2 主要參數(shù)計算

1）比轉(zhuǎn)速。本方案中確定葉輪進口當(dāng)量直徑D0＝165 mm，葉輪進口直徑DJ＝172 mm，葉輪出口直徑D2＝385 mm，葉輪出口寬度b2＝32 mm，葉片7片。

在配有液力耦合器后，考慮3%滑差損失后，泵轉(zhuǎn)速n為2892 r／min。對于多級泵，單級揚程H為175 m，首級雙吸葉輪的比轉(zhuǎn)速ns為62，根據(jù)泵必須汽蝕余量NPSHr確定泵的汽蝕比轉(zhuǎn)速C為883.7［7］。

2）泵的進出口管徑。以泵流量Q＝570 m3／h、流速VS＝3 m／s確定泵的進入口管徑為0.259 2 m，按法蘭標(biāo)準靠檔取吸入口管徑DS＝0.25 m。當(dāng)壓力較高或泵較大時，出于對管路系統(tǒng)投資經(jīng)濟性的考慮，一般泵出口管徑Dd按（0.7～1）DS計算。由于此泵流量較大，壓力較高，取出口管徑Dd為0.8 DS，按法蘭標(biāo)準取出口管徑Dd＝0.2 m。

3）電機功率。根據(jù)流量Q、揚程H、比重γ和效率η確定電機的軸功率為2 039 k W。為保證大流量工況下電機不超功率，一般按1.1倍軸功率選擇電機功率，即電機功率為2 243 k W。由于該泵組配帶液力耦合器，機械效率損失按95%效率計算，電機功率為2 361 k W，考慮一定預(yù)留后配置2 500 k W標(biāo)準電機。

4）并聯(lián)運行要求。在注水泵設(shè)計開發(fā)過程中，考慮到本文設(shè)計的注水泵需要與4臺進口泵同時并聯(lián)運行的工況，本文設(shè)計的注水泵的Q-H曲線的斜率須與進口注水泵的斜率基本一致，兩者關(guān)死點與額定點揚程的比值相同。因此，本文設(shè)計的注水泵在水力設(shè)計上按關(guān)死點與額定點揚程的比值1.165進行設(shè)計。

1.3 計算流體動力學(xué)流場分析

采用雙精度計算方法，應(yīng)用有限體積法離散控制方程，選用分離式求解器，假定流動定常，湍流模型選取RNGκ-ε模型，以盡量考慮彎曲壁面對流動的影響，對近壁區(qū)域處非充分發(fā)展的湍流流動采用標(biāo)準壁面函數(shù)進行處理，壓力和速度的耦合采用SIMPLEC算法，擴散項的離散采用二階中心差分格式，對流項、湍動能與耗散率輸運方程的離散均采用二階迎風(fēng)格式，各控制方程采用二階離散格式以減小數(shù)值計算截斷誤差的影響，提高計算精度。

首級與各次級葉輪三維模型如圖1所示，過流部件三維模型如圖2所示，各級葉輪壓力的變化如圖3所示，泵從入口至出口壓力的變化情況如圖4所示，可以看出，在首級葉輪葉片入口處的背面壓力為最低值，在吸水室壓力變化不明顯，從首級葉輪入口開始壓力逐級遞增，在泵出口壓力達到最大值。

圖1 首級與各次級葉輪三維模型Fig.1 Three-dimensional model of the first and the second impellers

圖2 過流部件三維模型Fig.2 Three-dimensional model of over-current components

圖3 各級葉輪表面壓力分布Fig.3 Pressure distribution on the surface of the impellers

圖4 過流部件壓力分布Fig.4 Pressure distribution of the over-current components

圖5 和圖6為葉輪平面圖上的壓力分布情況，可以看出，從葉輪入口開始壓力逐漸增大，在壓水室末端達到最大值。首級壓水室和次級壓水室內(nèi)的壓力分布具有軸對稱結(jié)構(gòu)，這種壓力分布可以減小葉輪外緣所受到的徑向壓差作用，能夠減小泵的震動和噪音，同時減小轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力疲勞，提高泵運行的可靠性。

圖5 首級葉輪平面壓力分布Fig.5 Stress distribution of the first impeller

圖6 次級葉輪平面壓力分布Fig.6 Stress distribution of the second impellers

1.4 有限元強度分析

為了進行注水泵的應(yīng)變分析，需要通過靜態(tài)有限元分析方法開展強度分析，對泵體和泵蓋進行建模（圖7）。ANSYS軟件自動精細劃分模型網(wǎng)格（圖8），在不影響計算結(jié)果的基礎(chǔ)上對泵體上的螺栓孔等部分進行簡化，網(wǎng)格劃分的單元類型為帶中間節(jié)點的四面體，模型包含78.6萬個節(jié)點和50.5萬個四面體單元。

圖7 泵體計算模型Fig.7 Calculation model of the pump component

圖8 泵體網(wǎng)格劃分Fig.8 Grid partition of the pump component

基于ANSYS軟件對注水泵泵體的應(yīng)力形變進行校核分析，根據(jù)計算工況加載壓力載荷和管口載荷，考慮了3種工況：在正常工作時（1.0～11.2 MPa），泵體的最大應(yīng)力為134.2 MPa，小于許用應(yīng)力，泵體最大總變形為0.114 mm，法蘭最大軸向變形為0.024 mm；當(dāng)疊加施加3倍標(biāo)準管口載荷后，泵體最大應(yīng)力基本不變，泵體最大總變形增到0.2 mm，法蘭最大軸向變形為0.11 mm；按最大允許工作壓力校核泵體強度（12.5 MPa），泵體最大總變形為0.4 mm，各級口環(huán)徑向變形為－0.008～0.065 mm，泵體最大應(yīng)力為276.7 MPa，等于材料屈服強度的2／3倍，如圖9、10所示，滿足設(shè)計強度要求。由此可知，本文設(shè)計的注水泵在最大允許工作壓力12.5 MPa下可以滿足安全可靠運行的要求。

1.5 水力性能分析及驗證

經(jīng)過不斷優(yōu)化，最終確定了本文設(shè)計的注水泵定型參數(shù)，經(jīng)過出廠集成測試，驗證了水力性能（圖11）?？梢钥闯?，本文設(shè)計的注水泵效率滿足設(shè)計要求，額定工況點泵效為80%，震動檢測、噪音檢測、軸承溫度均滿足規(guī)范要求。關(guān)鍵性能參數(shù)對比表明，本文設(shè)計的注水泵性能達到進口品牌注水泵技術(shù)水平，如表1所示。

圖9 泵體最大應(yīng)力分布（最大允許工作壓力12.5 MPa工況）Fig.9 Maximum stress distribution of pump body（Working condition of the maximum allowable working pressure with 12.5 MPa）

圖10 泵體總變形（最大允許工作壓力12.5 MPa工況）Fig.10 Maximum deformation distribution of pump body（Working condition of the maximum allowable working pressure with 12.5 MPa）

圖11 本文設(shè)計的國產(chǎn)注水泵水力性能Fig.11 Hydraulic performance of domestic water injection pump designed in this paper

表1 本文設(shè)計國產(chǎn)注水泵與進口注水泵性能對比Table1 Performance comparison with the domestic water injection pump and imported water injection pump designed in this paper

2 注水泵設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

2.1 注水泵材質(zhì)優(yōu)選

本項目中注水介質(zhì)主要為生產(chǎn)分離器所分離的生產(chǎn)水，并摻混一定比例的海水，水質(zhì)分析表明其Cl－含量高達12 935.11 mg／L。平臺周邊區(qū)域以往采用的進口注水泵采用C-6材質(zhì)，為了保證注水泵材質(zhì)的耐腐蝕性和強度要求，參考渤海灣同類海上油田使用經(jīng)驗及API610推薦做法［8］，本文設(shè)計的注水泵要求采用防腐等級更高的D-1材質(zhì)。結(jié)合海上材質(zhì)應(yīng)用經(jīng)驗，對本文設(shè)計的注水泵各主要零部件提出了詳細的材質(zhì)要求，如表2所示。

表2 本文設(shè)計國產(chǎn)注水泵主要材質(zhì)情況Table2 Main material of domestic water injection pump designed in this paper

2.2 注水泵在線監(jiān)測

本文設(shè)計的注水泵要求配置一套在線故障診斷系統(tǒng)［9-10］，可以對振動、軸承溫度、滑油參數(shù)等關(guān)鍵運行參數(shù)進行采集和分析，以提高國產(chǎn)注水泵運行可靠性和維保效率。在本項目中，對于本文設(shè)計的注水泵監(jiān)測點冗余設(shè)計，監(jiān)測點比以往注水泵項目增加30%以上，增加了對液力耦合器軸承溫度、箱體振動、油箱滑油液位等檢測點，涵蓋了泵本體、液力耦合器、電機、滑油系統(tǒng)的溫度、壓力、液位、位移、振動等，可以通過圖形方式進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。所有信號通過LCP控制盤實現(xiàn)人機界面顯示，并與DCS系統(tǒng)通訊來實現(xiàn)對本文設(shè)計的注水泵的在線監(jiān)測和保護，并預(yù)留遠程數(shù)據(jù)傳送接口。本文設(shè)計的注水泵監(jiān)測方案如圖12所示。

圖12 本文設(shè)計的國產(chǎn)注水泵監(jiān)測方案Fig.12 The monitoring schedule of the domestic water injection pump designed in this paper

2.3 液力耦合器調(diào)速

在本項目中，為了適應(yīng)海上調(diào)速并滿足平臺占地和重量限制，本文設(shè)計的注水泵采用液力耦合器調(diào)速，與泵、電機共用一種規(guī)格滑油，共用一套滑油冷卻器，從而節(jié)省空間。注水泵采用強制潤滑，液力耦合器底殼作為油箱，無需為注水泵單獨設(shè)置油站［11-12］?；屠鋮s器采用海水與滑油冷卻方式，其中換熱管材質(zhì)為鈦材，殼體為316L不銹鋼。

2.4 注水泵技術(shù)優(yōu)化

近年來國產(chǎn)注水泵的產(chǎn)品質(zhì)量不斷提升，在海洋油氣領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)驗不斷豐富，故障率逐年遞減。通過總結(jié)分析，認為海上國產(chǎn)注水泵故障主要體現(xiàn)在機封故障、振動異常、中分面刺漏。因此，在本文設(shè)計的大功率注水泵國產(chǎn)化應(yīng)用方案中，重點開展了以下3個方面技術(shù)優(yōu)化。

1）泵體中分墊密封優(yōu)化。2012年以前，海上個別老型號的國產(chǎn)注水泵曾發(fā)生過中分面刺漏問題，主要原因是原密封墊性能不好，拆解泵殼未更換密封墊，或在泵設(shè)計時泵殼端面厚度不夠。在本項目中，設(shè)計注水泵時對泵型進行了優(yōu)化，通過有限元分析計算，增加殼體中分面厚度。在加工措施中，泵體采用數(shù)控加工，密封大平面采用特殊的加工工藝，有效地保證了平面度和加工精度，提高了中開面的密封能力。

2）減震優(yōu)化。以往國產(chǎn)注水泵因流道設(shè)計問題，平臺應(yīng)用后震動較大。在本文設(shè)計的注水泵中，加強了設(shè)計階段泵殼流體設(shè)計，采用首級雙吸葉輪結(jié)構(gòu)，降低汽蝕引起的機組振動；并且對機座結(jié)構(gòu)的設(shè)計進行了優(yōu)化，加強底座厚度。從泵底座結(jié)構(gòu)方面減少了泵振動產(chǎn)生的因數(shù)，從而提高了泵組可靠性和高效性。

3）機封優(yōu)化。以往平臺注水泵的機封泄漏，大都是因為機封易被沖洗水破損。本文設(shè)計的注水泵中已更換成固體顆粒不能進入機封內(nèi)部的集裝波紋管式，提高了機封可靠性。

3 示范應(yīng)用策略探討

3.1 遵循循序漸進的推進路線，確保風(fēng)險可控

在應(yīng)用模式方面，本項目平臺共有5臺注水泵，運行模式4用1備。投產(chǎn)初期備用臺數(shù)較多，第1年有3臺備用泵，第2年有2臺備用泵，因此本文設(shè)計注水泵可以有足夠的時間進行磨合，風(fēng)險可控。

在使用風(fēng)險方面，分析了輸送介質(zhì)、布置區(qū)域、泄漏風(fēng)險、腐蝕風(fēng)險、振動風(fēng)險、運行模式等風(fēng)險點，本項目輸送介質(zhì)為海水和生產(chǎn)水，非易燃易爆介質(zhì)，輸送介質(zhì)較為安全；在安全防護要求方面，左側(cè)為防火墻，右側(cè)為電氣間，不需要防爆電機，風(fēng)險較低。

在介質(zhì)泄漏風(fēng)險方面，充分考慮了中分面刺漏風(fēng)險，且不存在爆裂；在振動風(fēng)險方面，通過加強設(shè)計階段泵殼流體、機座結(jié)構(gòu)的設(shè)計，加強出廠動靜平衡測試，風(fēng)險較低。

3.2 核心部件采用國產(chǎn)化，確保整體質(zhì)量的可靠性

在產(chǎn)品研制風(fēng)險方面，本文設(shè)計的注水泵要求設(shè)計、制造、測試嚴格參照API610最新版執(zhí)行，研制產(chǎn)品需要通過第三方權(quán)威船級社產(chǎn)品認證。通過詳細評估國外以及國內(nèi)陸上BB3型離心泵的應(yīng)用現(xiàn)狀和主要參數(shù)，認為國內(nèi)對于2 000 kW級平臺大功率注水泵的研制基礎(chǔ)較為成熟，具備海上首臺套示范應(yīng)用的條件。

為保證本文設(shè)計的注水泵的系統(tǒng)可靠性，經(jīng)與用戶方充分溝通，泵體核心采用國產(chǎn)化，部分零配件采用進口品牌，如在液力耦合器、探測元器件、最小回流閥、機械密封等關(guān)鍵零部件等，以保障首臺套國產(chǎn)大功率注水泵整體可靠性。

3.3 重視集成測試方案，明確售后維保策略

本文設(shè)計的注水泵首次采用液力耦合調(diào)速新技術(shù)，因此較以往項目對成橇注水泵的集成測試能力要求更高，不僅開展了注水泵全速試驗的性能測試，而且在海油成功完成液力耦合器調(diào)速聯(lián)調(diào)試驗。

在售后維保方面，要求廠家提供3年的質(zhì)保服務(wù)，要求使用方在投產(chǎn)初期優(yōu)先使用本文設(shè)計的注水泵，以充分檢驗其可靠性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

通過實踐論證，最終確定在海上某項目開展我國首臺套2 000 k W大功率注水泵示范應(yīng)用。在后期實施過程中，本文設(shè)計的注水泵實測性能指標(biāo)達到進口品牌注水泵技術(shù)水平，而且降本增效顯著，單臺國產(chǎn)注水泵相對進口注水泵預(yù)期可節(jié)省設(shè)備投資1 300多萬元人民幣，節(jié)省多達70%的設(shè)備費用，有望打破國外企業(yè)長期對我國海上大功率注水泵的產(chǎn)品壟斷，同時后期維護也可實現(xiàn)本土化。

隨著渤海油田注采開發(fā)過程中注水量不斷增加，大型注水泵可充分發(fā)揮高效、節(jié)省平臺空間的優(yōu)勢，未來具有廣闊的需求空間。同時，大功率注水泵的國產(chǎn)化實踐，對于今后渤海油田注水開發(fā)降本增效具有重要的示范意義。