王新柱，劉帥，李明海(中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

某海上采油平臺，地層注水采用三套串聯(lián)離心泵組，每套泵組均為一臺前置注水增壓泵及一臺注水泵組成，注水水源為上游提供的納濾海水，經(jīng)過兩級增壓后注入各注水單井補(bǔ)充地層能量，避免因地層壓力下降，導(dǎo)致原油產(chǎn)量的衰減。其中前置注水增壓泵采用安裝有三級葉輪的轉(zhuǎn)子，首級為雙吸式，第二、三級為單吸式。且第二、三級葉輪對稱布置，中間使用密封軸套隔開，兩端使用滑動軸承支撐，并在尾端使用一對背靠背安裝的圓錐滾子軸承定位。兩端軸承箱內(nèi)的滑動軸承及定位軸承采用甩油環(huán)進(jìn)行油浴潤滑。注水增壓泵轉(zhuǎn)子部件圖如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子部件圖

最早投用的兩套前置注水增壓泵在使用4年后，先后出現(xiàn)了泵組整體振動值高的情況，對其軸承箱進(jìn)行了多次拆檢，振動高的問題未得到根本性解決。這一現(xiàn)象在1#注水增壓泵泵組尤為嚴(yán)重，其非驅(qū)動端軸承箱內(nèi)部的滑動軸承巴氏合金多次出現(xiàn)剝落。該情況初次出現(xiàn)于2020年初，后續(xù)短期內(nèi)又累計發(fā)生四次，且每次故障間隔時間明顯縮短，滑動軸承內(nèi)部的巴氏合金每次起始剝落的位置相同，位于上瓦的同一側(cè)，巴氏合金剝落情況如圖2所示。

圖2 巴氏合金剝落

因外部檢修無法根治，遂對其進(jìn)行解體排除。在解體大修時發(fā)現(xiàn)如下情況：(1)首級雙吸葉輪的葉片邊緣存在局部蜂窩狀氣蝕情況；(2)轉(zhuǎn)子總成彎曲嚴(yán)重；(3)部分葉輪耐磨環(huán)與殼體耐磨環(huán)接觸摩擦；(4)葉輪耐磨環(huán)騎縫螺釘腐蝕脫落；(5)二、三級葉輪輪轂出現(xiàn)開裂松動及點蝕情況。

伴隨該井口平臺的不斷開發(fā)，注水需求逐年增加，在水源充足的情況下，保障離心水泵連續(xù)穩(wěn)定運行，成為平臺完成注水與生產(chǎn)任務(wù)的關(guān)鍵。

1 巴氏合金剝落的根源分析

經(jīng)核實確認(rèn)滑動軸承失效形式為內(nèi)襯巴氏合金剝落，造成該失效的主要原因為轉(zhuǎn)子總成傳遞到軸承端的振動過大，泵軸在滑動軸承內(nèi)部劇烈跳動，由于泵軸與上瓦存在間隙，必然導(dǎo)致泵軸對滑動軸承的撞擊，在交變載荷的反復(fù)作用下，軸承表面出現(xiàn)與滑動方向垂直的疲勞裂紋，擴(kuò)展后造成巴士合金逐步剝落[1]。脫落的巴士合金一方面會進(jìn)一步造成泵軸與滑動軸承配合間隙的減小，使得泵軸與滑動軸承撞擊加劇，陷入惡性循環(huán)；另一方面泵軸與滑動軸承形成的油膜同樣會遭到破壞，引起潤滑不良，導(dǎo)致黏著磨損以及燒瓦的情況。此根源在解體大修時也予以驗證，由于葉輪耐磨環(huán)及殼體耐磨環(huán)接觸摩擦、轉(zhuǎn)子總成嚴(yán)重彎曲、首級葉輪葉片外緣存在長期的輕微氣蝕、第二、三級葉輪輪轂出現(xiàn)開裂和點蝕等多個原因，造成轉(zhuǎn)子動平衡失效，長期失衡運轉(zhuǎn)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子總成彎曲變形。轉(zhuǎn)子振動值劇增，泵軸在滑動軸承內(nèi)部劇烈跳動并與滑動軸承上部碰撞摩擦，形成反復(fù)作用力，最終導(dǎo)致了巴氏合金的剝落。

1.1 葉輪耐磨環(huán)及殼體耐磨環(huán)接觸摩擦

導(dǎo)致葉輪耐磨環(huán)與殼體耐磨環(huán)接觸摩擦的直接原因有兩個：(1)拆檢發(fā)現(xiàn)緊固葉輪耐磨環(huán)的所有騎縫螺釘，均存在不同程度的腐蝕并伴有脫落的情況，同時部分葉輪耐磨環(huán)有松動歪斜情況。經(jīng)核實確認(rèn)騎縫螺釘為304不銹鋼材質(zhì)，因該材質(zhì)耐納濾海水腐蝕能力有限，導(dǎo)致了上述情況的發(fā)生。松動歪斜的葉輪耐磨環(huán)與殼體耐磨環(huán)運轉(zhuǎn)間隙必然會小于正常值，即使輕微振動也會引起二者的接觸摩擦；(2)轉(zhuǎn)子總成失衡彎曲后，二者運轉(zhuǎn)間隙進(jìn)一步變小，同樣加劇了接觸摩擦故障。

1.2 首級葉輪葉片外緣氣蝕

拆檢時發(fā)現(xiàn)，在首級雙吸葉輪葉片外緣表面顯現(xiàn)蜂窩狀，嚴(yán)重部位存在穿孔的情況，大多數(shù)坑槽與金屬表面垂直，破壞表面的形狀與鑄造氣孔、沖刷磨損、腐蝕等造成金屬表面的形狀不同，經(jīng)觀察確認(rèn)主要為長期輕微氣蝕造成[2]。首級葉輪氣蝕情況如圖3所示。

圖3 首級葉輪氣蝕嚴(yán)重

引發(fā)首級雙吸葉輪的輕微氣蝕的主要原因為注水增壓泵驅(qū)動電機(jī)為定頻電機(jī)，額定功率220 kW，當(dāng)增壓泵出口壓力為3.35 MPa時，額定排量為120 m3/h，其中一部分根據(jù)需要供給到下游注水泵，余下部分則回流至注水緩沖罐內(nèi)。而實際上，經(jīng)排查注水增壓泵出口回流閥未打開，未排出的液體會經(jīng)過葉輪與殼體耐磨環(huán)間隙以及葉輪與泵殼間隙回流至注水增壓泵進(jìn)口端，造成增壓泵內(nèi)泄增大，同時水溫會急劇升高，從而最終導(dǎo)致增壓泵首級葉輪處氣蝕的發(fā)生。

1.3 第二、三級葉輪輪轂開裂及點蝕

第二、三級葉輪為鑄造全封閉式葉輪，后經(jīng)車削加工而成，采用316L不銹鋼材質(zhì)。解體檢查時發(fā)現(xiàn)第二、三級葉輪輪轂均出現(xiàn)軸向開裂，同時輪轂外圓與殼體耐磨環(huán)有明顯摩擦發(fā)熱變色痕跡，另外葉輪表面存在多處點蝕的情況。輪轂開裂的直接原因：葉輪輪轂開裂斷口為脆性斷裂而非塑性變形，可判斷為應(yīng)力腐蝕造成的。高速旋轉(zhuǎn)的葉輪輪轂與殼體耐磨環(huán)摩擦，在摩擦區(qū)域產(chǎn)生局部高溫，而輸送介質(zhì)溫度較低僅有35～40 ℃，即等同于反復(fù)加熱與淬火，隨著重復(fù)高溫加熱次數(shù)增加，氧化脫碳、變形開裂傾向都會增加，隨著摩擦區(qū)域輪轂材質(zhì)機(jī)械性能的下降，在應(yīng)力腐蝕的作用下最終產(chǎn)生脆性斷裂。間接原因：(1)轉(zhuǎn)子彎曲變形；(2)泵實際工作流量較額定流量偏差過大，在偏流量下葉輪因徑向力產(chǎn)生一定的撓性變形。兩種原因疊加導(dǎo)致了葉輪與殼體耐磨環(huán)間半徑間隙小于要求的最小值，最終導(dǎo)致了二者摩擦[3]。葉輪表面點蝕的原因：316L不銹鋼在海水中，當(dāng)腐蝕電位達(dá)到點蝕電位，鈍化膜局部破壞，引起了不銹鋼點蝕；葉輪輪轂開裂及點蝕情況如圖4所示。

圖4 二、三級葉輪輪轂出現(xiàn)開裂及點蝕

1.4 轉(zhuǎn)子總成彎曲變形

解體后發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子多個部位與殼體耐磨環(huán)發(fā)生過接觸摩擦，通過百分表測量轉(zhuǎn)子總成徑向跳動，所有部位的徑向跳動均超過標(biāo)準(zhǔn)值，最大值達(dá)到0.34 mm，遠(yuǎn)超過設(shè)計要求的0.06 mm。轉(zhuǎn)子總成徑向跳動的超標(biāo)一方面會造成配合部件的運轉(zhuǎn)間隙變小，增加了轉(zhuǎn)子耐磨環(huán)與殼體耐磨環(huán)接觸摩擦的可能性。同時彎曲的轉(zhuǎn)子會導(dǎo)致嚴(yán)重的動不平衡，導(dǎo)致泵體振動上升。根本原因是轉(zhuǎn)子總成的泵軸采用奧氏體不銹鋼316L材質(zhì)，該材質(zhì)的強(qiáng)度較低。各轉(zhuǎn)子部件故障導(dǎo)致失衡后，泵軸在長期交變載荷運行工況下發(fā)生了彎曲變形。其存在選材與設(shè)計方面的缺陷；另外不銹鋼316L長期在海水介質(zhì)中耐腐蝕能力有限，造成本體腐蝕和鍍鉻層脫落。

2 解決措施

2.1 葉輪進(jìn)口端耐磨環(huán)由騎縫螺釘固定改為點焊固定

葉輪進(jìn)口端耐磨環(huán)密封方式由騎縫螺釘固定改為點焊固定，有效避免了因騎縫螺釘腐蝕松動導(dǎo)致耐磨環(huán)松動。且采用點焊固定，大幅簡化了葉輪與密封環(huán)安裝、調(diào)整和處理等一系列工藝，葉輪耐磨環(huán)固定形式改變?nèi)鐖D5所示。

圖5 葉輪耐磨環(huán)固定形式改為點焊

2.2 工藝優(yōu)化與葉輪升級

針對首級雙吸葉輪氣蝕的情況，分別從工藝流程、葉輪材質(zhì)及防腐三個方面進(jìn)行優(yōu)化延長葉輪使用壽命。(1)調(diào)整工藝流程，利用回流管線中自力式調(diào)節(jié)閥自動控制，防止泵組運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)憋泵內(nèi)泄嚴(yán)重，有效避免氣蝕的發(fā)生；(2)新葉輪采用金相組織致密的抗氣蝕材料，由316L不銹鋼升級為D2優(yōu)質(zhì)雙相不銹鋼[4]；(3)利用聚胺脂對葉輪進(jìn)行表面涂敷處理，涂層厚度1.5～2.0 mm，進(jìn)一步抗氣蝕。

2.3 第二、三級葉輪材質(zhì)升級、調(diào)整熱處理工藝和安裝工藝

第二、三級葉輪由316L不銹鋼材質(zhì)改為D2優(yōu)質(zhì)雙相不銹鋼，一方面提高其整體強(qiáng)度，另一方面為避免不同材質(zhì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。同時調(diào)整其熱處理工藝，提升其表面淬火硬度以及回火質(zhì)量。加工完成后整體探傷排除內(nèi)部潛在的裂紋。另外安裝時嚴(yán)格控制輪轂處與殼體密封環(huán)的間隙值，確保符合要求。

2.4 泵軸材質(zhì)優(yōu)化升級

原泵體結(jié)構(gòu)由D2優(yōu)質(zhì)雙相不銹鋼材質(zhì)整體鑄造而成，完全滿足現(xiàn)場注水需求及耐腐蝕要求。為了最大限度地減小設(shè)備整體改動帶來的高額費用，最終選擇保留泵殼及原有轉(zhuǎn)子總成設(shè)計思路，僅從泵軸材質(zhì)方面進(jìn)行了優(yōu)化升級。

由強(qiáng)度計算公式可知：

式中：N為軸心拉力或軸心壓力；An為構(gòu)件的凈截面面積；σ為構(gòu)件受力強(qiáng)度；σmax為材料最大許用應(yīng)力。

在無法改變受力N和截面積An的情況下，選擇最大許用應(yīng)力σmax更高的材質(zhì)，同樣可滿足要求。通過查詢API-610《石油、石油化工和天然氣工業(yè)用離心泵 》，最終決定泵軸材質(zhì)采用D2優(yōu)質(zhì)雙相不銹鋼，其強(qiáng)度(785 MPa)遠(yuǎn)高于316L不銹鋼(565 MPa)，經(jīng)驗證可滿足現(xiàn)場要求。

3 結(jié)語

注水增壓泵經(jīng)一系列的適應(yīng)性改造，泵組劇烈振動問題得到全面解決并消除滑動軸承巴氏合金剝落的故障，故障率顯著下降。由于各項性能的明顯提升，檢修周期得到大幅延長，有效保證了注水任務(wù)的完成。同時每年間接影響注水產(chǎn)量約數(shù)十萬立方米，效益十分顯著。