海洋石油多級離心泵故障模擬和監(jiān)測試驗(yàn)臺設(shè)計

翟爽，劉海霞，葉劍，李進(jìn)

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300450）

1 引言

海洋平臺長期服役于復(fù)雜的海洋環(huán)境中，同時海洋石油生產(chǎn)工藝復(fù)雜，擁有眾多的關(guān)鍵機(jī)組。為了保障海洋石油設(shè)備完整性管理和數(shù)字油田建設(shè)，海洋石油關(guān)鍵機(jī)組陸續(xù)開展預(yù)測性維修[1，2]。而海上生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜、設(shè)備形態(tài)存在較大差異、結(jié)構(gòu)管線存在應(yīng)力等因素會引起設(shè)備運(yùn)行不良。以機(jī)泵為例，海上油田工藝中注水泵、外輸泵為關(guān)鍵A 類設(shè)備，目前大量機(jī)組已安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)。在設(shè)備狀態(tài)的識別診斷和評估時提高預(yù)測性維護(hù)水平的關(guān)鍵，是如何識別海洋石油設(shè)備的故障特征[3，4]。因此需要設(shè)計一套參照海洋石油工況環(huán)境的試驗(yàn)臺，開展故障實(shí)驗(yàn)?zāi)M，提取設(shè)備故障數(shù)據(jù)特征，為準(zhǔn)確的預(yù)測性維修提供技術(shù)基礎(chǔ)和驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)臺設(shè)計

實(shí)驗(yàn)臺上安裝一個7 級臥式水平剖分式多級離心泵，泵選用KHP115-55X7 型多級離心泵，泵功率是160 kW，驅(qū)動泵的電機(jī)功率是200 kW，同時配置和200 kW 電機(jī)匹配的變頻器裝置。泵底座高度可調(diào)。泵組配置常用的監(jiān)測電機(jī)繞組溫度、電流、電壓、壓力、流量等參數(shù)的現(xiàn)場控制盤，泵前后軸承座安裝檢測溫度的探頭；提供兩臺聯(lián)軸節(jié)靠背輪，用于模擬轉(zhuǎn)子不平衡量，并提供首級葉輪、口環(huán)、機(jī)械密封、軸承等易損件，以及變徑彎頭和變徑管節(jié)等，以保證實(shí)驗(yàn)期間泵和電機(jī)出現(xiàn)故障時能及時修復(fù)和實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)時利用儀表院內(nèi)現(xiàn)有的200 m3水池，以及20 m3的緩沖罐。泵撬的進(jìn)出口管線利用現(xiàn)有的進(jìn)出口管線，在現(xiàn)有管線上開孔加裝閥門、儀表等。通過儀表等把泵的流量、壓力、揚(yáng)程、功率等性能參數(shù)引入到監(jiān)測系統(tǒng)中。實(shí)驗(yàn)臺的電氣連接利用現(xiàn)有的動力線路，從現(xiàn)在已經(jīng)具備的動力控制箱中引出動力線，接入實(shí)驗(yàn)泵撬，控制盤設(shè)置在原有泵房內(nèi)其他控制盤的旁邊。在泵入口管線上增加流量調(diào)節(jié)閥，來模擬像汽蝕一類的故障，使實(shí)驗(yàn)更接近實(shí)際工況。

2.1 工藝系統(tǒng)

試驗(yàn)回路是一個開式的回路，流程中主要由水池、緩沖罐、離心泵、試驗(yàn)管路、調(diào)節(jié)閥和流量計等組成。離心泵的入口管線（6″150LB）自水池引出，依次安裝6″球閥、6″調(diào)節(jié)閥、流量計、壓力表、壓力變送器以及溫度變送器；另外，在離心泵入口管線上設(shè)置一路支路，加裝2″球閥控制開度，離心泵出口管線為4″300LB，通入口管線須安裝調(diào)節(jié)閥、流量計、壓力表、壓力變送器以及溫度變送器。離心泵出口連接到緩沖罐，緩沖罐和水池連接。

在做離心泵的性能試驗(yàn)時，打開球閥1，氣動調(diào)節(jié)閥1 和氣動調(diào)節(jié)閥2，即可實(shí)現(xiàn)一個泵的整個流程。待流量穩(wěn)定后通過流量計、壓力表、壓力變送器以及溫度變送器采集相關(guān)數(shù)據(jù)輸送到控制室；做氣蝕實(shí)驗(yàn)時，調(diào)節(jié)氣動調(diào)節(jié)閥1 減小水量，打開球閥2，就可以增加氣蝕量。工藝流程圖見圖1。

圖1 工藝流程圖

2.2 可調(diào)底座

基座為浮動式的鋼架焊接結(jié)構(gòu)，基座分兩層，下層通過地腳螺栓與地基固定，離心泵與電機(jī)通過螺栓與上層固定，上下層之間安裝8 組彈簧座；同時，上下層之間的可調(diào)高立柱帶有正反扣，通過調(diào)節(jié)正反扣螺母從而調(diào)整8 根可調(diào)高立柱，使得基座處于不同的工作狀態(tài)。

工作狀態(tài)一：離心泵與電機(jī)完全作用于彈簧座上，工作時可以自由浮動，也可以調(diào)整立柱頂端的螺母，限定壓縮機(jī)的振動幅度，該過程可以模擬海洋采油平臺的浮動形式。

工作狀態(tài)二：在離心泵與電機(jī)停機(jī)或者不需要模擬海洋采油平臺的情況下，通過調(diào)高可調(diào)高立柱，使離心泵與電機(jī)完全由8 根可調(diào)高立柱支撐，彈簧座不起任何作用，此時離心泵與電機(jī)不具有浮動特性，與固定在大陸地基上的壓縮機(jī)工況相同?？烧{(diào)底座系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 可調(diào)底座

基座整體長4000 mm，寬1500 mm，高500 mm 左右，結(jié)構(gòu)為角鋼焊接結(jié)構(gòu)，上層角鋼框架平面上焊鋼板、離心泵底座墊塊并鉆孔，通過螺栓固定泵和電機(jī)，并為管線等提供支點(diǎn)，整套設(shè)備的重量作用于第一層框架上。與離心泵配套的電機(jī)固定在與離心泵同平面的鋼板上部，鋼板上鉆腰型孔，安裝時可以調(diào)節(jié)電機(jī)與離心泵的軸向距離。這樣的第一層結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)離心泵外形結(jié)構(gòu)和基座受力分析所確定的。

下層框架由角鋼焊接而成，利用地腳螺栓與地基固定，上層框架與下層框架之間通過8 組彈簧座以及8 個可調(diào)高立柱支撐連接。彈簧的固定裝置由一組帶有內(nèi)導(dǎo)向桿與外導(dǎo)向筒的上下彈簧底座構(gòu)成，上彈簧底座與上層框架角鋼通過螺栓連接，下彈簧底座與下層框架角鋼通過螺栓連接。為了加強(qiáng)彈簧固定裝置的連接強(qiáng)度，在角鋼上焊接20 mm 厚的鋼板，然后通過與鋼板的螺紋連接，間接地將上下彈簧底座固定在上下層框架角鋼上，在焊接鋼板時可以按需要在框架空隙處拉角鋼提供焊接位置。8 個可調(diào)高立柱與機(jī)械式千斤頂結(jié)構(gòu)類似，調(diào)節(jié)螺母通過正反扣連接上下端立柱，下端立柱焊接法蘭盤并通過螺栓固定于框架角鋼上。同樣，通過在角鋼上焊接鋼板加強(qiáng)下立柱與角鋼的螺紋連接強(qiáng)度，上立柱是帶有臺階的軸，它的上端穿過上層框架角鋼的圓孔，這樣上層框架由8 個立柱的臺階支撐，上立柱的上軸端攻螺紋，帶有螺母。螺母可以將上層框架與立柱臺階鎖緊。

2.3 測試布置

根據(jù)多級離心泵的結(jié)構(gòu)，選擇軸承座位置安裝振動加速度傳感器，測點(diǎn)位置如圖3 所示。

圖3 機(jī)組測點(diǎn)布置圖

經(jīng)過設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試，海洋石油多級離心泵故障模擬和監(jiān)測試驗(yàn)臺如圖4 所示。

圖4 海洋石油多級離心泵故障模擬和監(jiān)測試驗(yàn)臺

3 故障實(shí)驗(yàn)測試

根據(jù)上述設(shè)計，部署并調(diào)試在線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)經(jīng)過測試和校驗(yàn)，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確顯示離心泵狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)顯示如圖5 所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)臺監(jiān)測系統(tǒng)

4 總結(jié)

本文根據(jù)海洋石油的特點(diǎn)和狀態(tài)監(jiān)測的技術(shù)規(guī)范，設(shè)計海洋石油多級離心泵故障模擬和監(jiān)測試驗(yàn)臺，能夠模擬波浪對海洋石油基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響，并能夠根據(jù)多級離心泵的故障形式開展實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測試與分析。通過海洋石油多級離心泵故障模擬和監(jiān)測試驗(yàn)臺的設(shè)計，為提升海洋石油預(yù)測性維護(hù)能力和完整性管理水平提供技術(shù)支撐。