王平

（中海石油（中國）有限公司天津分公司遼東作業(yè)公司，天津 300459）

1 背景

某采油平臺注水泵為徑向剖分的節(jié)段式多級離心泵。軸向力由平衡鼓和平衡盤聯(lián)合機構(gòu)平衡，徑向力由每一級導葉平衡，軸承箱內(nèi)裝配有甩油環(huán)潤滑的滑動軸承，非驅(qū)動端還裝配一對推力球軸承，軸承為風冷，泵裝配有整裝式平衡型機械密封。泵和電機間采用膜片聯(lián)軸器連接。在注水泵正常運轉(zhuǎn)過程中中控上位機報故障關(guān)斷，現(xiàn)場控制盤顯示泵和電機兩端軸承溫度正常，振動監(jiān)測模塊有報警，確認泵因為高振動關(guān)斷，兩小時巡檢記錄泵非驅(qū)動端軸承溫度為49℃、驅(qū)動端溫度軸承27℃，非驅(qū)動端振動值為5.0mm/s、驅(qū)動端振動值為2.5mm/s。經(jīng)過現(xiàn)場檢查確認泵軸斷裂。

2 故障原因排查

2.1 在線監(jiān)測系統(tǒng)振動排查

檢查在線監(jiān)測系統(tǒng)曲線趨勢，從趨勢圖看出，啟泵后到停泵之前運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，兩端振動值和溫度值比較平穩(wěn)，各項參數(shù)均正常。但是在當日21:10～21:30振動曲線有上漲趨勢，最高振動值驅(qū)動端11.36mm/s，非驅(qū)動端在6.1mm/s，見圖1。

圖1 注水泵振動趨勢

該泵在斷軸前驅(qū)動端振動趨勢增加，現(xiàn)場控制盤高振動報警和關(guān)斷值分別為：12.8mm/s、14.2mm/s，現(xiàn)場因為高振動停泵，說明泵斷軸瞬間機組振動值高于14mm/s，而在線檢測系統(tǒng)數(shù)值雖然趨勢上有所變化，但是檢測值低于泵本身數(shù)值，判斷在線監(jiān)測系統(tǒng)存在傳輸數(shù)據(jù)的采集誤差，在最高值時未能監(jiān)測到相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2 對生產(chǎn)流程進行排查

根據(jù)中控上位機記錄以及人員調(diào)查，還原了當時中控對停泵前后的處理情況，并對中控上位機泵入口壓力曲線進行分析。中控上位機報“P-352A-SHUTDOWN”，緊接著報“PIC-6335 HI HI”，（注水泵入口高壓）中控崗通知現(xiàn)場確認，準備備用泵，同時注水泵入口壓力瞬間上漲至1540kPa,中控崗手動全關(guān)供水閥PV-6333，注水泵入口壓力逐步下降至309kPa，見圖2。

圖2 生產(chǎn)流程壓力變化趨勢

階段1：注水泵A關(guān)斷前入口壓力較為穩(wěn)定，在500～600kPa之間，正常范圍內(nèi)波動。當時平臺僅注水泵A泵運轉(zhuǎn)，所以當21：39注水泵A關(guān)斷，注水泵入口壓力瞬間上漲至1540kPa，供水閥PV-6333開度42%；

階段2：注水泵關(guān)斷后，注水泵入口壓力上漲至1540KPa,是由于注水增壓泵出口靜壓所致，中控手動關(guān)閉PV-6333,注水泵入口壓力下降至309KPa；

階段3：由于PV-6333關(guān)閉后由于調(diào)節(jié)閥存在內(nèi)漏，注水泵入口壓力上漲至1540kPa,屬于正?，F(xiàn)象；

階段4：注水泵B準備好，中控崗將供水閥手動開至30%，啟動備用注水泵B。

2.3 對流程附件進行檢查

海上平臺管道阻力損失對離心泵運行汽蝕余量有較大影響,離心泵管道阻力損失中,濾器所引起的局部阻力損失約占70%,因此入口濾器及管道其他附件的狀態(tài)會影響注水泵穩(wěn)定運行。對入口濾器及其他流程附件進行檢查確認，濾器沒有明顯雜質(zhì)，對泵出口閥門進行試驗，出口球閥、截止閥和單向閥均沒有泄露。

3 故障原因分析

3.1 可能的原因—流程波動

生產(chǎn)流程波動造成入口壓力波動、汽蝕等，引發(fā)泵振動加劇、泵軸受沖擊力影響造成疲勞斷裂，但是通過對中控上位機泵入口壓力曲線分析，入口壓力在停泵前一直比較平穩(wěn)，沒有明顯波動，并且在巡檢中也未發(fā)現(xiàn)該泵有異常，故可以排除此原因。

3.2 可能的原因—生產(chǎn)流程缺陷

注水系統(tǒng)流程存在缺陷，造成泵運行中存在搶液現(xiàn)象，從下圖可以看出注水流程主管線直接分配到注水泵A/B/C，三臺泵位置較為緊湊，流程管線不長，而且當時平臺只有注水泵A運轉(zhuǎn)，不存在搶液現(xiàn)象，故可以排除此原因。

3.3 可能的原因—泵超負荷運轉(zhuǎn)

過大的扭矩和徑向載荷，使泵軸工作超負荷狀態(tài)，導致泵軸裂紋產(chǎn)生。根據(jù)泵當時運行工況，入口壓力0.45MPa，出口壓力11.6MPa，通過查詢注水泵的標準性能曲線，可以看出，當時工況下泵軸功率為720kW，并未超過泵設(shè)計軸功率，并且通過查詢電機電流變化曲線，未發(fā)現(xiàn)斷軸前有明顯變化，故該故障可以排除。

3.4 可能的原因—泵軸設(shè)計缺陷與汽蝕產(chǎn)生的缺陷

經(jīng)過對泵解體檢查，泵軸斷口位置呈現(xiàn)2個截然不同的區(qū)域，一部分斷面較為光滑，另一部分斷面較為粗糙，并且光滑區(qū)較大。光滑區(qū)是泵軸在一定交變載荷作用下，軸上薄弱處或是較薄弱處，沿最大剪切應力方向形成的滑移帶，滑移帶開裂形成微觀裂紋，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，分散的微觀裂紋經(jīng)過匯聚溝通，形成宏觀裂紋。宏觀裂紋在持續(xù)交變力的作用下不斷的擴展，軸的截面逐步被削弱，這樣就由裂紋擴展成了斷面的光滑區(qū)。

當裂紋擴展到臨界尺寸時，泵軸突然發(fā)生脆性斷裂，形成了端口的粗糙區(qū)，見圖3。

由此可以判斷泵軸斷裂的主要原因：斷軸現(xiàn)象與泵的設(shè)計，泵軸的設(shè)計有關(guān)，該泵的設(shè)計為分段式多級離心泵，其軸向力全部是由平衡轂與平衡套端面間隙來控制，平衡轂與泵軸的連接是由兩個卡瓣定位連接，泵軸通徑為φ85，卡瓣連接處的泵軸軸頸為φ70，此部位也是承受軸向及徑向載荷最大的部位，其軸頸細也是薄弱點，也是整根泵軸應力最為集中的部位，也是最容易斷裂的地方。

圖3 泵軸斷裂面

3.5 可能的原因—汽蝕導致泵軸局部缺陷

汽蝕的原因會造成泵軸缺陷，在驅(qū)動端節(jié)流環(huán)處的泵軸有條寬4mm×深3mm環(huán)槽，對應的泵體機封腔室部位被氣蝕深7mm，寬6mm深溝；泵軸非驅(qū)動端平衡轂背面泵軸處同樣也有氣蝕坑點，該兩處為低壓部位，其中一處位于首級葉輪處，在首級葉輪入口吸力面處壓力最低,故最易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象：隨著流量增加,多級泵的揚程逐漸降低,流道內(nèi)產(chǎn)生的漩渦逐漸減小。當設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生氣蝕，氣蝕的爆破點會在低壓端顯現(xiàn)，會造成泵軸及殼體的蜂窩狀氣蝕坑，當氣蝕產(chǎn)生后對轉(zhuǎn)子部件損傷的同時會引起設(shè)備的振動，造成震動后，應力全部會集中在整根泵軸的最為薄弱地方（φ70軸頸處），也會產(chǎn)生泵軸的斷裂。可以判斷汽蝕造成的缺陷是本次泵軸斷裂的間接原因。

4 結(jié)語

綜上分析，該注水泵斷軸故障并非因某一種情況而發(fā)生，而是由于多重原因而導致。針對該泵原廠泵軸設(shè)計在平衡轂卡瓣處軸頸較細，為了增加其強度，后續(xù)可改造將卡瓣處軸頸加粗，降低斷軸的可能性。另外對注水泵等關(guān)鍵設(shè)備進行預防性維修，及時解決在拆檢過程中存在的問題，同時建立泵類大修標準化管理程序，在大修期間對關(guān)鍵節(jié)點的質(zhì)量進行控制，避免出現(xiàn)影響設(shè)備利用率的情況。