海上平臺(tái)注水增壓泵高速振動(dòng)原因分析及減振改造

陳鉑川，徐 林

(中海石油(中國(guó))有限公司秦皇島32-6作業(yè)公司 天津300453)

0 引 言

海上油氣生產(chǎn)平臺(tái)工藝流程復(fù)雜，設(shè)備繁多，都布局在平臺(tái)甲板上。受限于海上特殊環(huán)境，一般針對(duì)海上平臺(tái)泵類設(shè)備振動(dòng)高的故障，主要采用以下3種方法進(jìn)行處理：對(duì)中調(diào)整；基座甲板加強(qiáng)；設(shè)備大修檢查。第1種方法簡(jiǎn)單方便，但往往不能夠解決根本性問(wèn)題；第2和第3種方法，耗費(fèi)成本費(fèi)用較多，施工過(guò)程復(fù)雜。鑒于這種情況，考慮將設(shè)備與甲板由基座硬連接改為軟連接，借此緩沖振動(dòng)，以到達(dá)減輕注水增壓泵高速振動(dòng)的目的。

1 機(jī)組概況

4#注水增壓泵是海上油氣生產(chǎn)平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備，一般為電壓等級(jí)380V低壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)的單級(jí)離心泵，剛性底座，18mm鋼甲板承載，作用是為地層高壓注水泵(出口壓力10MPa)提供低壓水(出口壓力1.8MPa)，全天候24h運(yùn)行，以保證海上油氣生產(chǎn)平臺(tái)注水流程的穩(wěn)定。該機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)如下。

①泵型號(hào)規(guī)格：KCC150X100-450(四川日機(jī)CM1B-085-E070-BOVGF機(jī)械密封；無(wú)錫創(chuàng)明TD6-470-75x140/60x100x200聯(lián)軸器)；揚(yáng)程184m；額定流量300m3/h；入口壓力40kPaG；操作壓力1800kPaG；設(shè)計(jì)壓力5000kPaG；軸中心高425mm。

②電機(jī)型號(hào)規(guī)格：YX3355L1-2H/2975rpm/280kW/380V/50-HZIP56，F(xiàn)級(jí)(佳木斯船用電機(jī)；帶空間加熱器，滾動(dòng)軸承)。

2 故障現(xiàn)象及檢測(cè)結(jié)果

自2014年安裝投用以來(lái)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，其電機(jī)、離心泵的振動(dòng)速度一直處于較高的狀態(tài)(機(jī)組振動(dòng)速度大于10mm/s)，同時(shí)檢測(cè)到整個(gè)機(jī)組撬塊振動(dòng)速度也偏高。整個(gè)機(jī)組撬塊的高速振動(dòng)，導(dǎo)致電機(jī)和離心泵的軸承磨損加劇，平均半年時(shí)間就必須分別更換電機(jī)驅(qū)動(dòng)端與非驅(qū)動(dòng)端軸承(其軸承型號(hào)：驅(qū)動(dòng)端為滾動(dòng)軸承NU317C3NSK，非驅(qū)動(dòng)端為滾動(dòng)軸承6317-2ZGB/T 276)。如此既增加了現(xiàn)場(chǎng)備件成本，還需耗費(fèi)大量的維修工時(shí)，同時(shí)影響油氣生產(chǎn)流程的穩(wěn)定運(yùn)行。

振動(dòng)值檢測(cè)位置示意圖如圖1，檢測(cè)結(jié)果如表1。

圖1 離心泵機(jī)組振動(dòng)值監(jiān)測(cè)位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of vibration monitoring position of centrifugal pump unit

表1 離心泵機(jī)組振動(dòng)檢測(cè)值Tab.1 Vibration detection value of centrifugal pump unit

此離心泵軸中心高300mm，運(yùn)行功率280kW，撓性聯(lián)軸節(jié)，其振動(dòng)值最大達(dá)到11.1mm/s，依據(jù)ISO 10816—3《振動(dòng)監(jiān)測(cè)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)》，4#注水增壓泵振動(dòng)值偏高，為不合格。

讀取4#注水增壓泵的振動(dòng)頻譜如圖2所示。

總體可以看出，機(jī)組速度總值較高，水平方向振動(dòng)明顯，頻譜中以工頻為主，時(shí)域近似正弦波形。由此判斷機(jī)組對(duì)中不良，導(dǎo)致高振動(dòng)。

3 原因分析及改造效果

3.1 原因分析

造成離心泵對(duì)中不良的原因一般是安裝誤差、管道應(yīng)變影響(由于流程不穩(wěn)導(dǎo)致管線應(yīng)力變形)、基礎(chǔ)不牢產(chǎn)生共振等。為了排除對(duì)中不良的影響，海上油氣生產(chǎn)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)通常采用以下幾種方法：調(diào)整泵和電機(jī)的對(duì)中值，減小裝配誤差；調(diào)節(jié)介質(zhì)流量使泵在性能曲線上的最佳工作范圍；減弱承載甲板振動(dòng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響。

圖2 離心泵機(jī)組振動(dòng)頻譜Fig.2 Vibration spectrum of centrifugal pump unit

3.2 解決辦法

3.2.1 對(duì)中校準(zhǔn)

使用SKF TKSA 40型號(hào)激光對(duì)中儀對(duì)4#注水增壓泵進(jìn)行對(duì)中校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后泵與電機(jī)的對(duì)中值如下：聯(lián)軸器形式為膜片式，徑向偏差0.03mm，端面偏差0.01mm，符合海上平臺(tái)離心泵對(duì)中要求。

3.2.2 工況調(diào)整

對(duì)于4#注水增壓泵的工況進(jìn)行調(diào)整，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)工藝流程調(diào)節(jié)，使泵進(jìn)口壓力為50kPa，同時(shí)清潔進(jìn)口過(guò)濾器，使過(guò)濾器前后壓差基本為0kPa，有效防止泵氣蝕；另外，全開(kāi)泵的出口閥門(mén)，使出口壓力穩(wěn)定在1800～1840kPa，出口流量為290～300m/h，參考KCC150X100-450型號(hào)離心泵性能曲線(圖3)，可以得出4#注水站增壓泵基本處于高效率運(yùn)行工況，運(yùn)行狀態(tài)良好。

3.2.3 機(jī)組減振

針對(duì)承載甲板振動(dòng)對(duì)泵的影響，考慮選用合適的彈簧減振器來(lái)支撐機(jī)組撬塊底座，理論預(yù)計(jì)整個(gè)機(jī)組的振動(dòng)速度降幅達(dá)95%，結(jié)合該目標(biāo)對(duì)彈簧減振器進(jìn)行優(yōu)選，并運(yùn)用現(xiàn)有機(jī)組參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，振動(dòng)降幅可達(dá)95%以上，即彈簧減振器符合現(xiàn)場(chǎng)要求。根據(jù)彈簧減振器選型規(guī)范，設(shè)備總質(zhì)量大于1t，應(yīng)選6個(gè)以上的彈簧減振器，同時(shí)考慮到改造成本，故首先考慮加裝6個(gè)彈簧減振器，并選擇雙彈簧型式，以增加設(shè)備穩(wěn)定性。

4#注水增壓泵轉(zhuǎn)速：2975r/min，機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量3300kg，考慮1.3倍設(shè)備擾力體系計(jì)算總質(zhì)量為

3300kg×1.3＝4329kg。1臺(tái)設(shè)備選用6只彈簧減振器：4329/6＝721.5kg/只(即單只載荷)，由此選用低頻阻尼彈簧鋼減振器JA-2-700(彈簧剛度為145N/mm，彈簧質(zhì)量為0.78kg)。

設(shè)備干擾頻率f＝2980/60＝49.6Hz

減振器固有頻率f0：

圖3 工況調(diào)整后離心泵性能曲線Fig.3 Performance curve of centrifugal pump after adjustment of working condition

式中，k為彈簧剛度，m為彈簧質(zhì)量。

隔振效率TR：

減振效率：

所以，選用的JA-2-700減振器，減振效果可達(dá)95%以上，符合現(xiàn)場(chǎng)減振要求。

現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)施工改造，在泵撬底部安裝6 個(gè)JA-2-700型低頻阻尼雙彈簧減振器，如圖4。

圖4 彈簧減振器安裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of spring shock absorber installation

3.3 改造效果

改造后的4#注水增壓泵由原先的剛性連接底座變?yōu)閺椥赃B接，投入運(yùn)行后，整個(gè)泵撬機(jī)組的振動(dòng)值明顯降低，改造前后在相同工況條件下，對(duì)泵橇做了數(shù)據(jù)采集，通過(guò)對(duì)比幾個(gè)典型測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 改造前后機(jī)組振動(dòng)速度Tab.2 Vibration Speed of Unit before and after Revamping

改造前的測(cè)試數(shù)據(jù)水平方向振動(dòng)普遍偏高，垂直方向偏高，改造后振動(dòng)速度整體下降，基本達(dá)到預(yù)計(jì)的降幅50%水平，尤其是原振動(dòng)峰值較高的點(diǎn)位，降幅達(dá)到80%以上，而且改造后各點(diǎn)位振動(dòng)值整體比較平均，處于一個(gè)較低水平，運(yùn)行狀態(tài)良好。

3.4 獲得效益

通過(guò)此次改造，徹底解決了4#注水增壓泵振動(dòng)速度高的問(wèn)題，機(jī)組改造完成后已連續(xù)運(yùn)行超過(guò)3000h，運(yùn)行振動(dòng)速度值依舊維持在較低水平，最大不超過(guò)4mm/s。排除了機(jī)組因?yàn)楦哒駝?dòng)故障停機(jī)給平臺(tái)注水流程造成的影響，同時(shí)節(jié)約了更換軸承等備件費(fèi)用及現(xiàn)場(chǎng)檢修耗費(fèi)的人工時(shí)，改造成果顯著。

4 結(jié) 論

通過(guò)振動(dòng)檢測(cè)，對(duì)頻譜圖進(jìn)行分析，為確定注水增壓泵高振動(dòng)的原因提供了分析方向和理論依據(jù)。為避免泵撬和甲板產(chǎn)生共振，應(yīng)針對(duì)設(shè)備自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)方便、實(shí)效的原則確定改造方案。在海上油氣生產(chǎn)平臺(tái)，由甲板承載的動(dòng)設(shè)備、底座采用彈性連接比剛性連接能達(dá)到更好的減振效果。