淺析海上平臺高壓多級離心泵轉(zhuǎn)子拆卸裝置優(yōu)化設(shè)計

劉朋遠

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452）

0 引言

海上平臺關(guān)鍵設(shè)備主要包含外輸泵、注水泵等高壓多級離心泵，是海洋石油正常生產(chǎn)運營的重要保障。平臺多數(shù)設(shè)備服役時間較長，故障率逐年上升，返陸地維修的數(shù)量逐年增多。目前維修手段還比較傳統(tǒng)，維修效率低下、維修質(zhì)量不穩(wěn)定，并且容易引發(fā)安全事故，因此采取措施降低維修維護成本，通過提高工作效率來縮短平臺故障停機時間，對保證海上油田生產(chǎn)意義重大。

高壓多級離心泵主要依靠電機帶動轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下將液體介質(zhì)輸出，一旦高壓多級離心泵故障，必須對轉(zhuǎn)子進行拆卸檢修[1]。

1 轉(zhuǎn)子拆卸步驟介紹

高壓多級離心泵轉(zhuǎn)子由軸和葉輪組成，每臺泵轉(zhuǎn)子包含葉輪級數(shù)不同，通常維修高壓多級離心泵包含六至十二級葉輪。以十二級葉輪為例，葉輪與泵軸為過渡配合，以中間軸套為分割點，泵軸左右兩側(cè)各六級葉輪，拆卸順序為從轉(zhuǎn)子左側(cè)依次拆卸第一級、第二級、第三級、第四級、第五級、第六級葉輪，然后從轉(zhuǎn)子右側(cè)拆卸另外六級葉輪。

2 轉(zhuǎn)子拆卸現(xiàn)狀

目前轉(zhuǎn)子拆卸主要采用氧氣、乙炔加熱的方法，利用熱脹冷縮原理，對葉輪進行火焰加熱，葉輪內(nèi)孔受熱膨脹后，與泵軸產(chǎn)生間隙，然后對葉輪進行拆卸。具體拆卸步驟如下：轉(zhuǎn)子兩端使用專用支架支撐，使用烤槍沿葉輪圓周方向加熱，根據(jù)經(jīng)驗，待加熱一定時間后，轉(zhuǎn)子左右各一人使用銅棒快速敲擊葉輪蓋板，葉輪松動后，泵軸前方一人抬起轉(zhuǎn)子，另一人將松動的葉輪沿轉(zhuǎn)子抬起的方向拆卸，同時移動轉(zhuǎn)子專用支架拆卸下一級葉輪，拆至中間位置后，從泵軸另一側(cè)拆卸剩余葉輪。

此方法為目前維修過程中最常用的方法，較為傳統(tǒng)，不足之處較多，主要如下：

（1）葉輪隨火焰加熱溫度逐漸升高，氧氣、乙炔加熱速度慢，葉輪整體溫升速度慢，葉輪加熱過程中，泵軸升溫膨脹，泵軸長度較長，在敲擊受力及升溫膨脹作用下，會發(fā)生變形彎曲，軸跳動量增大，并且隨著溫度不斷升高，長時間高溫將使軸內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，造成泵軸材質(zhì)變化。

（2）隨著葉輪持續(xù)加熱，泵軸溫度不斷升高，泵軸直徑在溫度升高時變大，葉輪與泵軸由過渡配合變?yōu)檫^盈配合，會造成葉輪無法順利拆卸的現(xiàn)象。此時只能暫停轉(zhuǎn)子拆卸工作，等待泵軸冷卻后再重復(fù)上述加熱、拆卸葉輪的步驟。對于直徑較小的泵軸，泵軸升溫速度快，拆卸過程中暫停次數(shù)增多，反復(fù)暫停工作，造成了人工時的浪費，工作效率極低。而且泵軸經(jīng)過反復(fù)受熱—冷卻—再受熱的過程，使用壽命會受到嚴重影響。

（3）根據(jù)經(jīng)驗對葉輪沿圓周加熱一定時間后，需要葉輪左右兩人同時快速敲擊葉輪，人員敲擊力度不同，會造成葉輪左右兩側(cè)受力不均，葉輪歪斜偏向受力大的一側(cè)，葉輪與軸不同心，無法從泵軸上拆卸。

（4）葉輪敲擊時，應(yīng)敲擊葉輪筋板部位，防止葉輪變形，但在高溫、快速敲擊情況下，敲擊位置容易出現(xiàn)偏差，當多次敲擊到無筋板位置時，葉輪會發(fā)生嚴重變形，使流道變窄，葉輪無法繼續(xù)使用。

（5）葉輪溫度高，敲擊、搬抬過程中容易燙傷作業(yè)人員手部。

（6）葉輪間距離較小，敲擊過程中容易磕傷敲擊人員手部。

另一種較為常用的轉(zhuǎn)子拆卸方法為制作專用工裝拆卸，工裝由兩根絲杠、兩塊鋼板、一個液壓千斤頂以及六角螺母組成，使用工裝具體拆卸方法為：用專用支架支撐轉(zhuǎn)子，將其中一塊鋼板與葉輪緊貼平行安裝固定，通過絲杠上調(diào)整螺栓調(diào)整絲杠距離，使千斤頂一端頂住軸頭，另一端緊貼鋼板，緊固兩端螺栓，確認無問題后，沿葉輪圓周進行加熱，加熱一定時間后，通過液壓千斤頂加壓拆卸葉輪。葉輪拆下后，調(diào)整兩塊鋼板間距離，重復(fù)上述步驟繼續(xù)拆卸下一級葉輪[2]。

相對于氧氣、乙炔加熱法拆卸葉輪，使用專用工裝拆卸的方法有幾方面優(yōu)點，如不需要人員敲擊葉輪，因此能夠避免葉輪變形/損壞、人員燙傷/磕碰等現(xiàn)象，但此方法同樣存在明顯的缺陷，主要如下：

（1）為了防止加壓過程中鋼板變形，使用的鋼板較厚，因此工裝比較笨重，組裝、拆卸過程煩瑣；

（2）工裝組裝時必須保證兩塊鋼板平行無偏斜，一旦鋼板歪斜，便會出現(xiàn)葉輪歪斜而無法拆卸的現(xiàn)象；

（3）每拆下一級葉輪后，均需對絲杠的長度進行調(diào)整，需要對絲杠螺栓反復(fù)進行松、緊，工作效率極低。

3 轉(zhuǎn)子拆卸分析

為了改變目前傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子拆卸方法，方便轉(zhuǎn)子拆卸，需要研制一種新型轉(zhuǎn)子拆卸裝置，在保證拆卸質(zhì)量的前提下，達到提高工作效率、節(jié)約勞動成本、快速完成拆卸任務(wù)的目的。

第一，改變轉(zhuǎn)子拆卸方式，由一直沿用的水平拆卸方式改為垂直拆卸。將轉(zhuǎn)子豎直立起，與地面呈90°夾角，葉輪與軸為過渡配合，當葉輪受熱，內(nèi)孔膨脹后，葉輪與軸變?yōu)殚g隙配合，葉輪在重力的作用下便可自行落下，即便過盈量稍大，經(jīng)人員輕輕敲擊也可使葉輪沿軸順利下落。第二，改變轉(zhuǎn)子加熱方式，由傳統(tǒng)的氧氣、乙炔火焰加熱方式改為采用中頻電加熱方式加熱葉輪，同時對葉輪和軸進行實時智能溫度檢測，利用中頻電加熱方式加熱葉輪，可使葉輪溫度在幾秒內(nèi)迅速升高，在軸還未受熱的情況下，葉輪已經(jīng)掉落。第三，采用氣動裝置自動拆卸葉輪，當葉輪與軸之間充滿雜質(zhì)無法順利下落時，氣動裝置動作，拆卸葉輪。

研制新型轉(zhuǎn)子拆卸裝置的技術(shù)難點在于葉輪的形狀為圓形回轉(zhuǎn)體，中間有葉片，轉(zhuǎn)子長度較大（一般為3 m左右），用中頻加熱器加熱葉輪，需要加熱線圈為開式，同時需要大量的實驗和研究才可以實現(xiàn)。

4 轉(zhuǎn)子拆卸裝置設(shè)計及介紹

新型轉(zhuǎn)子拆卸裝置研制目的：第一，能夠在高壓多級離心泵轉(zhuǎn)子拆卸過程中避免泵軸和葉輪變形；第二，避免葉輪拆卸過程中出現(xiàn)歪斜而導(dǎo)致葉輪損壞、無法拆卸現(xiàn)象；第三，能夠?qū)崿F(xiàn)智能化拆卸，避免作業(yè)人員燙傷，降低人工成本，提高維修效率。為了達到以上目的，經(jīng)過反復(fù)模擬，設(shè)計出新型高壓多級離心泵轉(zhuǎn)子拆卸裝置，如圖1所示。

圖1 新型高壓多級離心泵轉(zhuǎn)子拆卸裝置

主要部件作用：

（1）夾爪用于夾持或松開葉輪軸。

（2）夾緊氣缸驅(qū)動夾爪夾緊或松開葉輪軸。

（3）轉(zhuǎn)位調(diào)速電機驅(qū)動夾持間距調(diào)整絲杠轉(zhuǎn)動，從而帶動夾爪沿夾爪軌道上下移動；驅(qū)動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，帶動夾爪軌道隨轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動而同步轉(zhuǎn)動；驅(qū)動轉(zhuǎn)盤升降，從而帶動升降塊沿架體升降。

（4）伺服電機與加熱裝置連接并驅(qū)動加熱裝置升降。

（5）驅(qū)動頂尖用于抵接并固定葉輪軸。

（6）驅(qū)動調(diào)速電機與驅(qū)動頂尖連接并驅(qū)動頂尖旋轉(zhuǎn)，從而帶動葉輪軸繞其自身軸線旋轉(zhuǎn)。

（7）加熱調(diào)速電機與擺臂連接并驅(qū)動擺臂旋轉(zhuǎn)。

（8）高頻感應(yīng)頭與擺臂連接，用于加熱套設(shè)在葉輪軸上的葉輪。

（9）推出氣缸與高頻感應(yīng)頭連接并驅(qū)動高頻感應(yīng)頭動作。

（10）滾珠絲杠貫穿加熱裝置基座，并與伺服電機連接。

（11）伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而帶動加熱裝置基座沿著架體上下移動。

（12）夾爪旋轉(zhuǎn)機構(gòu)為升降塊，升降塊設(shè)置在架體上并沿架體在豎直方向上升降。

（13）夾爪升降機構(gòu)為轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤嵌入設(shè)置在升降塊中并能在升降塊內(nèi)旋轉(zhuǎn)，其與夾爪軌道固定連接。

新型轉(zhuǎn)子拆卸裝置工作步驟如下：

轉(zhuǎn)位調(diào)速電機驅(qū)動轉(zhuǎn)盤在升降塊內(nèi)轉(zhuǎn)動，帶動夾爪軌道隨轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動而同步轉(zhuǎn)動，當夾爪軌道轉(zhuǎn)動至水平位置后，升降塊沿架體下降至底部位置，將轉(zhuǎn)子吊入新型轉(zhuǎn)子拆卸裝置內(nèi)，根據(jù)轉(zhuǎn)子整體長度及葉輪安裝位置，調(diào)節(jié)兩夾爪在夾爪軌道上的距離，并用左、右兩個夾爪在夾緊氣缸的作用下將轉(zhuǎn)子夾持牢固。

轉(zhuǎn)子夾持牢固后，升降塊沿架體緩慢上升，上升至軌道中間位置，驅(qū)動電機驅(qū)動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，夾爪及夾爪軌道隨轉(zhuǎn)盤同步轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)至豎直方向后，升降塊沿架體向下移動，直至與驅(qū)動頂尖接觸，驅(qū)動頂尖抵接并固定轉(zhuǎn)子[3]。

轉(zhuǎn)子豎直方向固定后，伺服電機驅(qū)動加熱裝置下降至最下方葉輪處，加熱調(diào)速電機驅(qū)動擺臂旋轉(zhuǎn)，使葉輪軸位于U型高頻感應(yīng)頭中心，推出氣缸動作，將U型高頻感應(yīng)頭推出，位于葉輪進口或出口位置，對葉輪開始加熱。

葉輪快速受熱后，內(nèi)孔膨脹，與泵軸由過渡配合變?yōu)殚g隙配合，在重力作用下，葉輪便可自由下落，落至底部膠墊上。第一級葉輪拆卸完成后，伺服電機驅(qū)動加熱裝置上升，至第二級葉輪進口或出口處，重復(fù)加熱步驟，拆卸第二級葉輪。按照此拆卸方法，依次拆卸第三級葉輪、第四級葉輪等，直至拆至中間葉輪，即泵軸一側(cè)葉輪全部拆卸完成。

轉(zhuǎn)位調(diào)速電機動作，通過升、降、轉(zhuǎn)，將轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)180°，泵軸另一側(cè)頂尖孔與驅(qū)動頂尖抵接并固定，按拆卸第一級、第二級葉輪的步驟，依次拆卸泵軸另一側(cè)葉輪。

新型轉(zhuǎn)子拆卸裝置與傳統(tǒng)拆卸方式相比有如下優(yōu)點：

（1）人員：采用新型轉(zhuǎn)子拆卸裝置，只需1人便可完成轉(zhuǎn)子拆卸工作；傳統(tǒng)拆卸方式至少需要4～5人才能完成拆卸工作。

（2）時間：采用新型轉(zhuǎn)子拆卸裝置，30 min內(nèi)便可完成轉(zhuǎn)子拆卸工作；傳統(tǒng)拆卸方式順利情況下至少需要1天時間，若出現(xiàn)葉輪歪斜、泵軸受熱膨脹等情況，拆卸時間則無法確定。

（3）安全：新型轉(zhuǎn)子拆卸裝置液壓缸自動拆卸葉輪，葉輪無變形、損壞現(xiàn)象；避免了因敲擊力度不均，造成葉輪歪斜，無法從泵軸上拆卸的現(xiàn)象；無人員磕碰、燙傷現(xiàn)象。

（4）加熱：新型轉(zhuǎn)子拆卸裝置能夠使葉輪均勻受熱，中頻加熱器加熱溫升速度快，葉輪能夠迅速升至設(shè)定溫度，避免泵軸同時受熱膨脹，導(dǎo)致葉輪無法拆卸的現(xiàn)象，避免因泵軸溫度高而暫停工作的現(xiàn)象，提高了工作效率。

綜合以上幾點，通過高頻加熱模塊加熱套設(shè)在葉輪軸上的葉輪，利用熱脹冷縮原理，使葉輪膨脹，從而可以輕松地將葉輪從葉輪軸上卸下；并且加熱裝置和用于夾持葉輪軸的夾爪位置可調(diào)，便于對葉輪進行即時加熱。新型轉(zhuǎn)子拆卸裝置實現(xiàn)了智能化維修，人工成本大幅降低，工作效率顯著提高。

5 結(jié)論

新型轉(zhuǎn)子拆卸裝置已經(jīng)連續(xù)使用3個月，節(jié)約了人工成本，提升了工作效率，完美彌補了傳統(tǒng)拆卸方式的缺點。