磁力偶合器在海洋石油FPSO隔艙傳動(dòng)裝置中的應(yīng)用分析

秦兆剛，曹玉林，董建兵

（中海石油（中國(guó)）有限公司秦皇島32-6作業(yè)公司，天津 300459）

某海洋石油浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置FPSO共有10臺(tái)三軸穿艙泵，用于原油和生產(chǎn)水工藝處理流程。因防爆要求，泵和電機(jī)分別安裝在泵艙和機(jī)艙，隔艙傳動(dòng)裝置通過(guò)定位銷(xiāo)和螺栓固定在艙壁上，泵和電機(jī)通過(guò)中間隔艙傳動(dòng)裝置和兩組膜片式聯(lián)軸器進(jìn)行連接，如圖1所示。

圖1 泵、電機(jī)、隔艙傳動(dòng)裝置連接示意圖

1 隔艙傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)及故障分析

隔艙傳動(dòng)裝置是一種應(yīng)用于運(yùn)送原油及石油用品、化學(xué)品船的軸系以及其他通過(guò)機(jī)艙水密艙壁處軸系的常用設(shè)備，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪音低、使用壽命長(zhǎng)、維修方便等特點(diǎn)。該裝置軸兩端通過(guò)聯(lián)軸器，與相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)軸和從動(dòng)軸聯(lián)接。安裝時(shí)，其同軸度公差不應(yīng)超出所選聯(lián)軸器的允許誤差，裝置運(yùn)轉(zhuǎn)不應(yīng)有振動(dòng)、發(fā)熱等異常現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 隔艙傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)原理圖

但是，在該海洋石油浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置FPSO現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用中，由于隔艙傳動(dòng)裝置安裝工況和使用環(huán)境的特殊性，該裝置頻頻出現(xiàn)運(yùn)行振動(dòng)大、溫度高的故障。隔艙傳動(dòng)裝置故障頻發(fā)一直是困擾油田現(xiàn)場(chǎng)的難題，給現(xiàn)場(chǎng)帶來(lái)了大量的人力和物力消耗，同時(shí)嚴(yán)重影響了油田的正常生產(chǎn)。如圖3是隔艙傳動(dòng)裝置故障統(tǒng)計(jì)和原因分析表。

圖3 故障頻率及故障原因統(tǒng)計(jì)圖

經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，由于隔艙傳動(dòng)裝置固定于隔離艙壁鋼板上，泵底座與隔艙傳動(dòng)裝置、電機(jī)底座不在同一個(gè)橇塊上，導(dǎo)致對(duì)中精度很難調(diào)整。同時(shí)，受船體搖晃導(dǎo)致艙壁變形、船體甲板變形及泵進(jìn)出口管線應(yīng)力變形等影響，在設(shè)備運(yùn)行時(shí)兩端聯(lián)軸器對(duì)中值發(fā)生變化，超出標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，隔艙傳動(dòng)裝置故障頻發(fā)。

綜上，由于膜片聯(lián)軸器對(duì)中要求高，而磁力偶合器對(duì)中要求非常低。因此，針對(duì)該問(wèn)題，提出采用磁力偶合器替換現(xiàn)有膜片聯(lián)軸器的方案。

2 磁力偶合器結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)

如圖4所示，磁力偶合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸節(jié)與磁力偶合器連接，驅(qū)動(dòng)銅轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，銅環(huán)切割永磁體磁力線產(chǎn)生感應(yīng)渦流，形成渦流磁場(chǎng)與永磁體磁場(chǎng)相互作用生成轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)永磁體盤(pán)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)從動(dòng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)到從動(dòng)機(jī)的功率傳遞。

圖4 磁力偶合器組成結(jié)構(gòu)圖

磁力偶合器適用于電機(jī)與水泵、風(fēng)機(jī)等負(fù)載之間的扭矩傳動(dòng)，它可在電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速恒定條件下，使電機(jī)功率通過(guò)磁力偶合器平穩(wěn)而無(wú)沖擊地傳遞給從動(dòng)機(jī)。

2.1 磁力偶合器特點(diǎn)

（1）消除主動(dòng)機(jī)和從動(dòng)機(jī)之間的振動(dòng)傳遞，有效隔振，延長(zhǎng)傳動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命。

（2）功率損失小，運(yùn)行安全可靠。

（3）具備過(guò)載保護(hù)功能。

（4）具有柔性啟動(dòng)功能，減小啟動(dòng)沖擊。

（5）允許較大的對(duì)中誤差，安裝方便。

（6）適用潮濕、油污、高溫、低溫等惡劣工況。

（7）純機(jī)械產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，免維護(hù)，壽命長(zhǎng)。

2.2 膜片聯(lián)軸器和磁力偶合器的特點(diǎn)對(duì)比

圖5 磁力偶合器和膜片聯(lián)軸器優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

由上磁力偶合器的結(jié)構(gòu)原理分析，以及磁力偶合器和膜片聯(lián)軸器的對(duì)比可以看出：磁力偶合器通過(guò)氣隙傳遞磁力，從而實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞，為非接觸式傳遞，因沒(méi)有接觸，所以不傳導(dǎo)振動(dòng)。磁力聯(lián)軸器可以最大限度地允許對(duì)中誤差，對(duì)中要求低，尤其適用于船上設(shè)備等對(duì)中條件不好，且設(shè)備底座變形大不滿足普通聯(lián)軸器使用條件的工況。

由此分析，將原有的膜片聯(lián)軸器更換為磁力偶合器，可以解決現(xiàn)有不對(duì)中導(dǎo)致隔艙傳動(dòng)裝置故障頻發(fā)的問(wèn)題。

3 對(duì)稱型磁力偶合器安裝

為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)安裝條件，滿足海洋石油使用標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)采用對(duì)稱型磁力偶合器，通過(guò)對(duì)電機(jī)、隔艙傳動(dòng)裝置、泵進(jìn)行改造，在機(jī)艙側(cè)和泵艙側(cè)分別安裝一套標(biāo)準(zhǔn)型磁力偶合器，標(biāo)準(zhǔn)型磁力偶合器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 磁力偶合器結(jié)構(gòu)示意圖

驅(qū)動(dòng)端和從動(dòng)端分別安裝一個(gè)聯(lián)軸節(jié)，然后再與磁力偶合器本體進(jìn)行連接，此種結(jié)構(gòu)磁力偶合器易拆卸，后期更換維修方便；安裝溫度探頭，將磁力偶合器溫度傳輸至中控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控；在磁力偶合器外部根據(jù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)制作防護(hù)罩，防止人員誤傷害；安裝結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 磁力偶合器安裝示意圖

4 改造后測(cè)試驗(yàn)證

磁力偶合器在海洋石油操作環(huán)境中應(yīng)用和同一旋轉(zhuǎn)設(shè)備系統(tǒng)中兩個(gè)磁力偶合器串聯(lián)使用均屬首次，為確認(rèn)該項(xiàng)應(yīng)用效果。在磁力偶合器安裝完成后，從以下幾個(gè)方面對(duì)電機(jī)、隔艙傳動(dòng)裝置、泵進(jìn)行檢查測(cè)量：電機(jī)振動(dòng)、電流、溫度；隔艙傳動(dòng)裝置振動(dòng)、溫度；泵振動(dòng)、溫度、排量、出口壓力；經(jīng)過(guò)兩級(jí)磁力偶合器后電機(jī)與泵的轉(zhuǎn)速差；對(duì)周邊環(huán)境的影響；設(shè)備可操作性、可監(jiān)控性、安全性等。

經(jīng)過(guò)檢查測(cè)量，發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)正常，同時(shí)改造后具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。原來(lái)隔艙傳動(dòng)裝置故障頻繁，一年平均檢修3次以上，更換為磁力偶合器后，運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試一年設(shè)備狀態(tài)良好。

（2）維修方便。原來(lái)聯(lián)軸器的跳動(dòng)允許偏差為小于0.1～0.15mm，需要激光對(duì)中儀分別在機(jī)艙測(cè)和泵艙測(cè)進(jìn)行兩次對(duì)中調(diào)整。磁力偶合器的對(duì)中偏差則為2mm，只需簡(jiǎn)單的對(duì)中檢查即可，維修工作量大大降低。

（3）不受船體和甲板變形影響。由于磁力偶合器的允許對(duì)中偏差大，輕微的結(jié)構(gòu)變形造成的對(duì)中值變化不影響設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，徹底地消除了原先設(shè)備故障的根源。

（4）減小振動(dòng)傳遞。由于采用非接觸式的傳遞扭矩，電機(jī)、隔艙傳動(dòng)裝置裝置、泵之間沒(méi)有直接接觸，振動(dòng)傳遞被有效的消除。

由上驗(yàn)證可以得出，磁力偶合器的安裝解決了由于結(jié)構(gòu)變形造成設(shè)備不對(duì)中的問(wèn)題。

5 應(yīng)用前景

通過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)證明，磁力偶合器在該環(huán)境和結(jié)構(gòu)下運(yùn)行狀態(tài)良好，滿足海洋石油工況使用要求。海洋石油開(kāi)采行業(yè)許多旋轉(zhuǎn)設(shè)備都需要驅(qū)動(dòng)端和從動(dòng)端分開(kāi)布置或者對(duì)中偏差較大。而磁力偶合器可以很好地解決對(duì)中偏差大、振動(dòng)傳導(dǎo)等問(wèn)題，降低設(shè)備的故障率。因此，該型式的磁力偶合器聯(lián)軸器可以應(yīng)用到海洋石油FPSO其他類似的設(shè)備中。