LNG 高壓泵自停故障分析及其解決建議

王慶軍 崔 均 張 迎 賴亞標(biāo) 王世超

（1.中石油大連液化天然氣有限公司；2.中海福建天然氣有限責(zé)任公司；3.中石化青島液化天然氣有限公司）

LNG 作為清潔能源其中的一種， 已經(jīng)被廣泛應(yīng)用［1～3］，中國(guó)也正在成為世界天然氣第二大進(jìn)口國(guó)， 進(jìn)口渠道之一是將天然氣海運(yùn)到LNG接收站，再使用高壓泵升壓、氣化繼而輸送到遠(yuǎn)端用戶［4～6］。 高壓泵是LNG 接收站的關(guān)鍵設(shè)備，其工作溫度為-160.5℃， 運(yùn)行工況相對(duì)較苛刻。目前， 國(guó)內(nèi)LNG 接收站在役的高壓泵主要來源為國(guó)外進(jìn)口， 供貨廠家為Ebara、Nikkiso 和JC Carter。為了打破技術(shù)壁壘和壟斷，國(guó)內(nèi)已有泵廠產(chǎn)品通過鑒定并在試用， 還有數(shù)個(gè)工廠正在研制和試制中［7］。

高壓泵因其特殊的運(yùn)行工況，無法采用常規(guī)手段監(jiān)測(cè)泵的運(yùn)行狀態(tài)，只能依靠安裝在泵體出口錐段處的低溫振動(dòng)探頭進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但在此監(jiān)測(cè)條件下分析泵的故障，是一大難點(diǎn)。 為此，筆者試圖通過對(duì)高壓泵結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)參數(shù)、流程的分析討論高壓泵運(yùn)行中自停、中間軸承和平衡盤嚴(yán)重?fù)p壞的原因，尋找當(dāng)前存在的不足和設(shè)備現(xiàn)有條件下的最優(yōu)運(yùn)行、維護(hù)和檢修的模式，盡可能地延長(zhǎng)高壓泵的使用壽命。

1 基本情況

某LNG 接收站并聯(lián)安裝7 臺(tái)高壓泵（圖1），常規(guī)運(yùn)行的數(shù)量為1～4 臺(tái)，余下的為備用，各泵在不同流量下的運(yùn)行時(shí)間見表1。

圖1 7 臺(tái)高壓泵工藝流程示意圖

表1 高壓泵不同流量下的運(yùn)行時(shí)間

P-1401A 高壓泵在運(yùn)行中發(fā)生了自停， 至此之前該設(shè)備已安全平穩(wěn)運(yùn)行了共計(jì)12 678h。 P-1401A 高壓泵性能參數(shù)為：

入口壓力 0.8MPa

入口飽和蒸汽壓差 0.1MPa

設(shè)計(jì)流量 435m3/h

最小流量 166m3/h

揚(yáng)程 2 342m

軸功率 1 764.2kW

額定功率 2 096kW

效率 73.1%

額定電流 242.5A

啟動(dòng)電流 1 506A

汽蝕余量 1.74m

電壓 6 000V

2 故障期間運(yùn)行狀況

從2011 年12 月投產(chǎn)運(yùn)行后，P-1401A 高壓泵正常運(yùn)行12 678h， 期間該泵只是因下游的用量、系統(tǒng)維護(hù)等狀況啟停和升（降）溫相對(duì)頻繁，其他性能參數(shù)諸如電流、流量、出口壓力、振動(dòng)和聲音均正常。

2019 年11 月11 日17 點(diǎn)22 分DCS 系統(tǒng)顯示P-1401A 高壓泵自停，而且停機(jī)前、后泵井液位出現(xiàn)頻繁的波動(dòng)（圖2）。 P-1401A 高壓泵泵自停前，共有P-1401A/C/E/F 高壓泵在運(yùn)行，4 條管線每天穩(wěn)定外輸天然氣2 200 萬方。

圖2 P-1401A 高壓泵的泵井液位顯示界面

由圖3 所示高壓泵出口流量曲線可以看出，在15：55 左右P-1401A 高壓泵的流量開始下降（但其他泵的流量均在增加）， 至16：00 趨于穩(wěn)定，持續(xù)大約10min（至16：10）后流量恢復(fù)至正常值，但從16：10 至P-1401A 高壓泵自停，其流量一直在波動(dòng)。

圖3 高壓泵出口流量曲線

從圖4 可以看出，在15：55 左右P-1401A/C/E/F 高壓泵的出口壓力開始下降， 至16：00 趨于穩(wěn)定，持續(xù)大約10min（至16：10）壓力恢復(fù)至正常值，直至P-1401A 高壓泵自停。

圖4 高壓泵出口壓力曲線

3 P-1401A 泵體結(jié)構(gòu)

P-1401A 高壓泵（圖5）為立式離心泵，共有15 級(jí)葉輪，入口設(shè)有誘導(dǎo)輪，電機(jī)與泵共軸并且整個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子浸泡在LNG 介質(zhì)中。 在頂部、中部和底部設(shè)置3 組軸承，用于承載轉(zhuǎn)子的徑向力。

圖5 P-1401A 高壓泵結(jié)構(gòu)示意圖

為保證電機(jī)冷卻，在電機(jī)下端設(shè)計(jì)與平衡盤相通的通孔，頂端設(shè)置了減壓孔和回流管，減壓孔用來平衡泵出口高壓液與電機(jī)內(nèi)部冷卻液的壓力，回流管將電機(jī)內(nèi)部介質(zhì)引流到第3 級(jí)葉輪出口處， 使得電機(jī)內(nèi)部的液體介質(zhì)得以循環(huán)流動(dòng)，帶走電機(jī)產(chǎn)生的熱量，避免電機(jī)頂端介質(zhì)因電機(jī)發(fā)熱產(chǎn)生汽化的現(xiàn)象［8～10］。

如圖6 所示，運(yùn)行中泵的軸向力通過平衡盤與特殊設(shè)計(jì)的末級(jí)葉輪之間間隙的變化來平衡［11～15］。 由于推力平衡機(jī)構(gòu)的上部磨損環(huán)直徑大于下部磨損環(huán)直徑，因此泵工作過程中受到豎直向上的液壓合力，使轉(zhuǎn)子向上移動(dòng)，導(dǎo)致推力平衡機(jī)構(gòu)和靜態(tài)止推片之間的軸向間隙減小，平衡腔的壓力增大。 當(dāng)平衡腔的壓力增大到大于液壓合力時(shí)，轉(zhuǎn)子部件又向下移動(dòng)，推力平衡機(jī)構(gòu)和靜態(tài)止推片之間的軸向間隙增大，平衡腔壓力減小。 經(jīng)過推力平衡機(jī)構(gòu)反復(fù)連續(xù)地自調(diào)節(jié)可以使泵的軸向力完全平衡［16，17］。

圖6 泵軸向力平衡機(jī)構(gòu)示意圖

4 故障分析

針對(duì)P-1401A 高壓泵的具體情況，對(duì)泵進(jìn)行解體維修，發(fā)現(xiàn)以下問題：

a. 泵與電機(jī)間軸承嚴(yán)重?fù)p壞；

b. 平衡盤嚴(yán)重磨損，軸承滾珠掉入到平衡盤內(nèi)部；

c. 末級(jí)葉輪嚴(yán)重磨損，背側(cè)蓋板已經(jīng)融化；

d. 泵與電機(jī)間軸承位置泵軸磨損嚴(yán)重，有寬30mm、深5mm 的溝槽；

e. 除第8 級(jí)外，其余各級(jí)葉輪密封環(huán)都比殼體密封環(huán)突出1cm；

f. 整個(gè)轉(zhuǎn)子存在下沉現(xiàn)象；

g. 泵平衡盤與電機(jī)之間節(jié)流套磨損嚴(yán)重。

綜合P-1401A 高壓泵運(yùn)行中其他因素均未出現(xiàn)明顯異常，僅流量、壓力和液位出現(xiàn)波動(dòng)，而未能采集到功率和電流， 無法對(duì)比泵特性曲線，以判斷P-1401A 泵在15：55～16：10 是否偏離了泵正常特性。從結(jié)果判斷，P-1401A 泵在15：55 時(shí)可能已經(jīng)損壞， 從而使之后的流量和液位波動(dòng)，直至最后泵抱死造成連鎖停車。 根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，高壓泵液位波動(dòng)的主要原因是入口過濾器堵塞導(dǎo)致泵井頂部壓力較低，無法使頂部閃蒸氣順暢地排向再冷凝器，同時(shí)引起再冷凝器波動(dòng)。 另外，軸向力平衡不完全，使軸承在軸向力不平衡狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致軸承過度疲勞損壞，破壞了轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡，造成轉(zhuǎn)子整體下沉。

基于P-1401A 高壓泵拆解檢查結(jié)果，判斷故障根源為：P-1401A 泵頻繁啟停和啟動(dòng)過程中出口流量達(dá)不到泵設(shè)計(jì)最小流量造成軸向力平衡機(jī)構(gòu)失效，使軸承承受軸向力，導(dǎo)致中間軸承嚴(yán)重磨損損壞，使得整個(gè)轉(zhuǎn)子支撐被破壞，轉(zhuǎn)子大幅度下移，造成平衡盤和末級(jí)葉輪嚴(yán)重磨損，軸、軸承襯套等處摩擦副接觸、摩擦，最終葉輪口環(huán)與殼體口環(huán)粘連在一起抱死。

5 結(jié)束語(yǔ)

LNG 高壓泵頻繁啟停過程中產(chǎn)生的軸向力對(duì)泵整體支撐造成巨大沖擊，是泵在運(yùn)行中突然發(fā)生故障的根源，LNG 高壓泵最小流量無法滿足泵啟動(dòng)條件造成的驟停產(chǎn)生的軸向力也對(duì)泵的支撐造成巨大沖擊。 為此，支撐軸承應(yīng)設(shè)計(jì)成能承受一定軸向力的推力軸承，以平衡啟停時(shí)的部分軸向力； 泵振動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)增加頻譜反饋模塊，以便根據(jù)振動(dòng)頻譜分析振動(dòng)超差的根源，推斷泵是否出現(xiàn)早期故障； 泵故障的發(fā)生不是偶然現(xiàn)象，它會(huì)伴隨其他異常情況出現(xiàn)，如：流量和壓力異常、聲音異常及功率異常等，加強(qiáng)巡檢力度，并結(jié)合振動(dòng)頻譜提前預(yù)判異常現(xiàn)象，避免設(shè)備產(chǎn)生停機(jī)故障。