氣動隔膜泵在半潛式平臺艙底水系統(tǒng)的應用及調試

王凱坡，姬曉東，宋健輝，邢運亮，徐亞玲

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

0 引言

隨著我國海洋石油事業(yè)的不斷發(fā)展，深海海域的石油開發(fā)已逐步成為我國現(xiàn)階段的重點研究方向，半潛式平臺也逐步在各類深海石油鉆采生產(chǎn)平臺中脫穎而出［1］，半潛式生產(chǎn)儲卸油平臺加水下生產(chǎn)系統(tǒng)成為深水油氣田開發(fā)的重要模式之一［2］。艙底水系統(tǒng)是半潛式儲油平臺的關鍵系統(tǒng)之一，其主要作用是收集并排出壓載艙、錨鏈艙、隔離空艙、機械艙、管廊等位置底部的存水，必要時可用于應急排水，是重要的保船系統(tǒng)之一，直接關系著半潛式平臺的安全。艙底水系統(tǒng)主要有管線、泵、閥門、儀表等組成，而艙底水泵是其最核心的設備，其能否正常工作直接決定了艙底水系統(tǒng)的功效。

1 半潛式生產(chǎn)平臺艙底水系統(tǒng)

1.1 艙底水系統(tǒng)功能

半潛式生產(chǎn)平臺艙底水系統(tǒng)分為危險區(qū)域艙底水及非危險區(qū)域艙底水，其中危險區(qū)域主要包括凝析油艙、污油艙、MEG艙等艙室的隔離空艙，均為可能存在易燃易爆或者有毒有害介質的區(qū)域，非危險區(qū)域主要包括錨鏈艙、通道艙、壓載艙等以水為介質的艙室。艙底水系統(tǒng)的組成主要包括艙底水泵、管線、閥門、濾器、控制儀表等。其中，艙底水管線布置分散，涉及空間范圍大，從而艙底水泵的布置也極為分散，數(shù)量較多。當艙底水聚集到一定程度時，達到啟泵排水的設定液位，平臺中控系統(tǒng)自動啟動艙底水泵開始排水作業(yè)，以減少艙底水對平臺穩(wěn)性的影響。

1.2 對艙底水泵的要求

半潛式平臺船體立柱高度近60 m，人員進入艙室困難，特別是危險區(qū)域艙底水泵所在的隔離空艙，常規(guī)工況下不需要經(jīng)常進艙作業(yè)，因此未配備通風、照明等安全設施，所以對艙底水泵的要求十分嚴格，主要包括如下內容。

（1）防爆要求。隔離空艙的作用就是凝析油艙、污油艙等危險區(qū)域艙室破損或滲漏時，起到隔離危險品與安全通道的效果，不會造成人員無法進入船體，保證施救工作的順利開展。因此，空艙內有易燃易爆介質，防爆要求是必須的，并應盡量減少電氣設備特別是強電設備的數(shù)量。

（2）自吸能力強。艙底水來源多，油水管線泄漏、冷凝水、風雨密或水密裝置失效進水等均由艙底水管線匯集，因此艙底水管線分布廣，且內部多為氣水混合物。為減少泵的數(shù)量，每臺泵都有多個吸入口，特別是船體底部的吸入口布置分散，泵入口管線長，泵安裝位置水平高度距離船底近2 m，因此要求艙底水泵具有較強的自吸能力。

（3）可靠性強，維修方便。因為不方便進艙檢查，需要泵的可靠性強，出現(xiàn)故障時，維修難度低，不需要外請專業(yè)人員。

2 氣動隔膜泵

2.1 組成及工作原理

氣動隔膜泵是一種由膜片往復變形造成容積變化的容積泵［5］，動力源通常是壓縮空氣，在配氣機構的控制下，壓縮空氣推動膜片進行往復運動，將壓縮空氣能轉變?yōu)檩斔徒橘|的動能，達到輸送物料的目的。主要由泵殼、配氣機構、隔膜、進出口配管等組成，如圖1所示。

圖1 氣動隔膜泵組成

氣動隔膜泵典型揚程流量性能曲線如圖2所示，可通過改變供氣壓力、供氣量，來調節(jié)泵的揚程和流量。隨著壓縮空氣壓力增大，輸送介質的流量和揚程增大。保持壓縮空氣壓力不變，增大介質流量則揚程降低；反之，減小流量，可以提高揚程。保持壓縮空氣供風量不變，減小介質流量可以提高介質揚程；反之，增大介質流量則會降低揚程。保持壓縮空氣壓力不變，增大壓縮空氣風量，隔膜泵往復運動頻率加快，可以提高介質流量。保持壓縮空氣供風量不變，提高壓縮空氣壓力，可以提高介質揚程［6］。

在孫巖國看來，大醫(yī)二院的信息化建設“是有傳統(tǒng)的”。“2007年，醫(yī)院的信息化建設就榮膺全國20家醫(yī)院數(shù)字化示范單位之一?！彼忉?，較之國內多數(shù)大型醫(yī)院仍為數(shù)十甚至百余信息系統(tǒng)并行的狀況，大醫(yī)二院當年就實現(xiàn)了“一體化”，即HIS、LIS、PACS等被納入同一系統(tǒng)，互聯(lián)互通，更易實現(xiàn)。

圖2 氣動隔膜泵流量揚程曲線

2.2 氣動隔膜泵優(yōu)點

（1）以壓縮空氣為動力，使用過程中不產(chǎn)生靜電，安全性高，是防爆首選。

（2）自吸能力強，最大自吸高度可達9 m［7］。

（3）空載性能好，不會因為空載造成設備損壞［8］，也不會因為下游管路堵塞造成停泵而損壞。

（4）結構簡單，相比其他類型的泵沒有軸封，沒有動泄漏，故障率低。

（5）對介質適應性強，油、水、甚至泥水都可使用，懸浮固體顆粒最大直徑可至9.5 mm［9］，應用范圍廣。

（6）可移動，安裝技術要求低。

（7）購置維修成本低。

2.3 氣動隔膜泵常見故障

在使用過程中，氣動隔膜泵常見故障有隔膜破裂、配氣機構故障、泵體/管道泄漏等。據(jù)研究統(tǒng)計，可記錄事故次數(shù)最多的失效原因是隔膜破裂。如表1所示。

表1 氣動隔膜泵常見失效模式［10］

2.4 氣動隔膜泵在半潛式生產(chǎn)平臺的應用

綜上分析可知，氣動隔膜泵應用于半潛式生產(chǎn)儲油平臺艙底水系統(tǒng)具有可行性，優(yōu)勢突出，并最終在我國南海某半潛式生產(chǎn)儲油平臺艙底水系統(tǒng)中得到應用，其中，8臺用于非危險區(qū)艙底水系統(tǒng)，24臺用于危險區(qū)艙底水系統(tǒng)。與常規(guī)氣動隔膜泵的應用相比，有特別之處。

因為半潛式生產(chǎn)平臺艙底水泵安裝位置特殊，對每臺氣動泵配置隔膜破裂監(jiān)測傳感器，以便判斷其失效的原因，當出現(xiàn)隔膜破損時，平臺中控系統(tǒng)立即做出響應，關停并隔離故障泵，避免油氣等危險物料進入安全區(qū)域。因氣動泵運行時振動較大，進出口管線及氣源管線均采用硬管加軟管的連接方式，減少泵振動造成的影響。

艙底水系統(tǒng)配置液位開關，當水聚積達到液位設定值時，中控系統(tǒng)發(fā)出指令，艙底水泵氣源閥門自動打開，開始排水作業(yè)。

3 艙底水泵調試技術

艙底水泵調試主要包括安裝檢查、泵啟停控制功能測試、隔膜監(jiān)測功能測試、運行性能測試、與平臺壓載控制系統(tǒng)及中控系統(tǒng)的聯(lián)調等內容。

3.1 調試注意事項

（1）保證氣源供應，壓力應不低于850 kPaG，以確保泵自吸能力和運行效果。

（2）保證泵入口水源的供應。

（3）啟停測試應包含手動啟動/停止、液位自動啟動/停止、ESD關停功能。

（4）運行性能測試重點關注艙底水泵的出口壓力，保證艙底水輸送到下游處理系統(tǒng)。

（5）應對艙底水泵每個吸入口單獨進行吸入效用校驗，特別是最遠吸入口。

3.2 調試問題及解決措施

3.2.1 吸水困難

（1）問題描述：泵啟動后長時間處于空載狀態(tài)，泵進出口無水流，出口壓力表無指示。

（2）原因分析：氣源壓力不足；泵入口管線較長，且尺寸較大，從而管線內空氣存量較大，泵吸水困難；泵入口管線的單向閥卡滯，吸水時不能順利打開。

（3）解決措施：檢查氣源供應，調節(jié)氣源壓力調節(jié)閥，保證氣源壓力不低于850 kPaG；通過其他措施給入口管線注水，排出空氣，并保持管線內水量，從而提高入口管線的真空度，保證自吸效果；拆修入口管線單向閥，減少因單向閥卡滯造成的吸水困難；啟泵時手動控制氣源閥門的開度，減少供氣量，降低隔膜往復運動頻率，從操作方式上提高抽吸能力。

3.2.2 隔膜監(jiān)測功能故障

（1）問題描述：將隔膜監(jiān)測傳感器浸入水中，模擬隔膜破裂、泵送介質進入氣室，但是平臺中控系統(tǒng)無響應。

（2）原因分析：隔膜監(jiān)測傳感器輸出信號與平臺中控系統(tǒng)要求的輸入信號不匹配，中控系統(tǒng)不能識別，導致隔膜監(jiān)測功能無法實現(xiàn)。

（3）解決措施：在控制回路中增加信號轉換功能模塊，統(tǒng)一信號類型，使其滿足中控系統(tǒng)要求，中控系統(tǒng)識別到信號后做出狀態(tài)反饋及停泵等響應措施。

4 結束語

本文通過對半潛式生產(chǎn)儲油平臺艙底水系統(tǒng)設計技術要求的分析和氣動隔膜泵特性的介紹，得到了氣動隔膜泵在半潛式生產(chǎn)儲油平臺艙底水系統(tǒng)的應用可行性結論。通過對艙底水泵的調試內容及調試過程中出現(xiàn)的問題進行研究探討，得到了艙底水泵抽吸困難的有效解決措施。項目的機械完工和順利投產(chǎn)，用實踐驗證了氣動隔膜泵在半潛式生產(chǎn)平臺艙底水系統(tǒng)中的應用可行，設備各項測試參數(shù)符合設計要求，相關做法和經(jīng)驗可以用于艙底水系統(tǒng)的操作維護，對完善艙底水系統(tǒng)的設計具有指導意義。