于昊成，張紅武，王 松，馮海濤，王 昆

（中海石油（中國）有限公司天津分公司 天津 300459）

0 引 言

FPSO 是海上浮式生產(chǎn)儲油輪，主要進(jìn)行海洋中原油、天燃?xì)獾荣Y源的開發(fā)、生產(chǎn)、儲運(yùn)和外運(yùn)，它以海水提升泵作為生產(chǎn)流程的主要水源供應(yīng)設(shè)備。海水提升泵運(yùn)行的穩(wěn)定性直接影響到整個(gè)工藝流程和下游需要海水熱交換的設(shè)備，如透平發(fā)電機(jī)、儀表空壓機(jī)、液壓裝置、生活區(qū)中央空調(diào)等等設(shè)備的正常運(yùn)行。隨著泵使用時(shí)間的逐年增加，海水提升泵出現(xiàn)機(jī)械密封頻繁破壞、水泵振動超常等問題，直接影響泵的穩(wěn)定運(yùn)行。

本文以 FPSO 海水提升泵改造項(xiàng)目為背景，從該泵的機(jī)械密封改造、軸承失效分析、工藝流程調(diào)整等幾個(gè)方面進(jìn)行分析，解決問題，以提升整泵可靠性。

1 泵機(jī)械密封改造

1.1 改造背景

渤海油田某 FPSO 前艙艙底配備4臺海水提升泵用于將海水從海底門輸送到海水系統(tǒng)中，海水系統(tǒng)簡明流程如圖1所示。船艙外的海水分別經(jīng)過高位和低位海底門后引入海水總管網(wǎng)，A/B/C/D 4臺海水提升泵單獨(dú)從海水管網(wǎng)將海水泵送至海水粗濾器并經(jīng)初始過濾后輸送給下游用戶，是整個(gè) FPSO 海水介質(zhì)壓力的最初來源，是海水系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。

圖1 海水系統(tǒng)流程Fig.1 Seawater system process

上述海水提升泵均為單級立式離心泵，額定排量925 m3/h，出口壓力為16 bar。單級離心泵在啟動之前，需要在泵殼體的吸水管中充滿液體，接著通過啟動電機(jī)使液體隨泵的葉輪高速旋轉(zhuǎn)，液體在離心力的作用下由低壓區(qū)被甩至葉輪外沿的高壓區(qū)，然后經(jīng)蝸形泵殼的內(nèi)流道進(jìn)入水泵的高壓水環(huán)路。由于液體在離心力的作用下被甩掉后形成了真空區(qū)，泵吸入口的液體便在大氣壓的作用下被壓入泵殼內(nèi)，而葉輪通過不停地旋轉(zhuǎn)，使泵內(nèi)介質(zhì)不斷地進(jìn)入和排出，從而實(shí)現(xiàn)了連續(xù)輸出液體的目的。

該FPSO近幾年的運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示海水泵頻繁出現(xiàn)機(jī)封漏水和軸承高溫故障，平均運(yùn)轉(zhuǎn)1 000 h左右機(jī)封漏水即逐步增大，此泵是立式離心泵，機(jī)封泄漏水會通過軸進(jìn)入軸承腔室而導(dǎo)致軸承失效。由于FPSO艙室空間比較緊湊，多數(shù)水泵都選取了立式離心泵，故每次對泵進(jìn)行維修都需要把泵體上方的電機(jī)單獨(dú)拆卸。廠家為了在不提整泵的情況下更換機(jī)封，將其設(shè)計(jì)成全剖分式的機(jī)械密封。目前離心泵所配備的常規(guī)機(jī)械密封設(shè)計(jì)主要解決3個(gè)泄漏點(diǎn)，即動環(huán)與軸之間、靜環(huán)與壓蓋之間、動環(huán)與靜環(huán)摩擦副的接觸面，前兩者所使用密封圈等彈性介質(zhì)作為補(bǔ)償量基本為靜密封。機(jī)封泄漏的主要位置是動靜環(huán)接觸面之間的動密封，而全剖式機(jī)械密封為整體分半式結(jié)構(gòu)，分半式零部件分型面之間也存在諸多泄漏點(diǎn)，這樣密封的泄漏點(diǎn)大量增多，對于制造精度和裝配的要求很高，給這類密封的研制工作帶來很大難度［1］。

圖2是機(jī)械密封的靜環(huán)和靜環(huán)座，靜環(huán)座安裝在泵殼上，其摩擦副部分為圖中兩片半圓的碳環(huán)，主要材質(zhì)為石墨，利用了石墨自潤滑性好且耐腐蝕的特點(diǎn)。圖3是機(jī)械密封的動環(huán)，其摩擦副部分是兩片半圓的氧化鋁陶瓷，與金屬的動環(huán)座通過兩個(gè)金屬定位銷固定。圖4為動環(huán)安裝到泵軸后的效果圖。2個(gè)半開的動環(huán)預(yù)先固定到動環(huán)座，然后通過沉孔螺栓固定抱緊到軸上并與軸一起旋轉(zhuǎn)。動環(huán)固定好后摩擦副部分端面的裂縫收縮到最小。圖2的靜環(huán)座倒扣后安裝在動環(huán)上，并通過4個(gè)螺栓固定在泵殼上，最后通過調(diào)整靜環(huán)座上的彈性補(bǔ)償量來實(shí)現(xiàn)壓緊動靜環(huán)摩擦副，起到密封作用。

圖2 機(jī)械密封靜環(huán)Fig.2 Mechanical seal stationary ring

圖3 機(jī)械密封動環(huán)Fig.3 Mechanical seal moving ring

圖4 動環(huán)安裝后實(shí)物圖Fig.4 Actual picture after installation of moving ring

現(xiàn)場拆檢后發(fā)現(xiàn)靜環(huán)的兩半圓對接的密封端面處已經(jīng)出現(xiàn)破損，導(dǎo)致此處密封失效。靜環(huán)的圓周密封面出現(xiàn)偏磨。動環(huán)雖材質(zhì)硬度較高，但也出現(xiàn)輕微磨痕。另外，機(jī)封壓蓋補(bǔ)償彈簧有輕微變形，機(jī)封壓蓋橡膠墊片損壞。由于原裝的機(jī)械密封每次安裝都要在現(xiàn)場裝配，可是立式泵維修空間通常比較狹小，加之艙底機(jī)械設(shè)備震動較大，故維修人員很難在現(xiàn)場手動保持動靜環(huán)裝配質(zhì)量。往往是通過不斷的嘗試才完成裝配，稍有不慎就會碰壞動靜密封面，很容易導(dǎo)致材質(zhì)脆性較大的靜環(huán)報(bào)廢。根據(jù)以往的安裝經(jīng)驗(yàn)，在不采取機(jī)封換型的前提下，通過嘗試單獨(dú)使用整裝式密封圈來減少部分漏點(diǎn)，但是裝配同樣特別困難，而且稍有不慎就會因裝配不到位導(dǎo)致機(jī)封漏水。這給維修工作既帶來了技術(shù)難度又增加了不確定性。

1.2 機(jī)封失效原因分析

經(jīng)不斷探索和分析逐步發(fā)現(xiàn)機(jī)封頻繁損壞的原因。首先，機(jī)封動環(huán)的耐磨強(qiáng)度已不滿足現(xiàn)場實(shí)際工況。在設(shè)備投產(chǎn)初期，海水提升泵處于設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)周期浴盆曲線穩(wěn)定期，隨著設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)周期增長，海水提升泵裝配部件磨損尺寸不斷增大，隨之后續(xù)零件裝配精度也逐漸降低。以軸和軸承、軸承座為例，各配合面磨損量到達(dá)了允許公差臨界點(diǎn)，狀態(tài)大不如前。雖然經(jīng)過了大修修復(fù)，但還是很難恢復(fù)到原始配合精度。其次，海水流程中泵出口單流閥隨著使用年限增多和海水的電化學(xué)腐蝕都會存在不同程度的內(nèi)漏現(xiàn)象。由于現(xiàn)在流程需要海水量1 600 m3/h，單臺泵的排量為925 m3/h，需要至少2臺海水泵并列運(yùn)行。當(dāng)其并列運(yùn)行時(shí)，泵效好的出口壓力相對高，泵出口單流閥內(nèi)漏會導(dǎo)附近泵效相對差的泵出現(xiàn)憋壓現(xiàn)象，長期憋壓的運(yùn)行工況導(dǎo)致泵葉輪軸向受力平衡被破壞，泵的軸向竄動量增大，加劇了機(jī)封偏磨和軸承高溫。另外，因機(jī)封還是按照原廠設(shè)計(jì)工況要求制造，機(jī)封彈性補(bǔ)償量相對較小，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況分析已不能滿足需求。綜上，改造機(jī)械密封型式是提升泵穩(wěn)定性的關(guān)鍵途徑。

1.3 機(jī)封換型方案

基于以上分析，我們決定把泵原來配備的剖分式機(jī)封換成整體式機(jī)械密封進(jìn)行試驗(yàn)。剖分式機(jī)械密封與整體式機(jī)械密封的區(qū)別主要體現(xiàn)在安裝方式上，即將一般的整體式密封環(huán)半剖或全剖開并用圍簧箍住，配以開口密封圈和彈性元件組成的新型密封件。與整體式密封結(jié)構(gòu)相比，剖分式機(jī)械密封具有拆裝方便、速度快及停工時(shí)間短的特點(diǎn)，但存在密封效果較差的問題。因此，改進(jìn)其缺點(diǎn)，研究新型的剖分式密封具有一定的現(xiàn)實(shí)意義［2］。雖然原廠剖分式機(jī)械密封拆裝方便，不用吊泵就可以更換機(jī)械密封，但它在現(xiàn)場應(yīng)用中存在的缺點(diǎn)也顯而易見，即對組裝要求比較高，同時(shí)現(xiàn)場空間狹小裝配困難，密封圈和墊片切口處密封精度較差，而且半開式密封圈容易受溫度影響導(dǎo)致密封圈膨脹收縮而變化，因而在兩密封圈接觸的斷面處熱脹冷縮容易漏水。換成整裝式機(jī)械密封后，經(jīng)過試泵運(yùn)轉(zhuǎn)7 000 h效果突出，解決了機(jī)封頻繁漏水故障問題。

2 軸承防水改造

2.1 軸承故障現(xiàn)象

從FPSO中控設(shè)備運(yùn)行記錄統(tǒng)計(jì)出海水泵近期運(yùn)轉(zhuǎn)不到2 000 h，其驅(qū)動端和非驅(qū)動端的軸承溫度頻繁上升，直到高溫停機(jī)。泵驅(qū)動端軸承是2個(gè)代號為7 324的角接觸球軸承背靠背安裝，非驅(qū)動端軸承為代號為NU328止推軸承。在泵大修后運(yùn)轉(zhuǎn)1 760 h發(fā)現(xiàn)驅(qū)動端軸承溫度超過80 ℃，并且溫度還在緩慢上升，經(jīng)過現(xiàn)場操作人員確認(rèn)，溫度最終穩(wěn)定在90 ℃后停機(jī)檢查。經(jīng)過拆檢發(fā)現(xiàn)驅(qū)動端軸承外圈、內(nèi)圈有嚴(yán)重的磨損痕跡，軸承表面內(nèi)側(cè)的滾道處有過熱現(xiàn)象，所使用的潤滑脂為EP2極壓抗磨潤滑脂也出現(xiàn)了結(jié)焦的現(xiàn)象。

2.2 軸承高溫原因分析

首先經(jīng)對軸承內(nèi)外圈拆檢后進(jìn)行數(shù)據(jù)測量分析，測出葉輪的進(jìn)口口環(huán)間隙值為0.62 mm，泵出口端口環(huán)間隙值為0.60 mm。通過參照SHS 01001—2004石油化工設(shè)備維護(hù)檢修規(guī)程和海水提升泵使用維修手冊，得知拆檢的進(jìn)出口口環(huán)間磨損量符合要求。通過對軸承外徑和軸承座內(nèi)徑測量后得出軸承與軸承座配合間隙過大，且在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在軸承跑外圓的痕跡。軸承外圈與軸承座應(yīng)該為過盈配合，但此時(shí)異常松動產(chǎn)生的相對運(yùn)動摩擦導(dǎo)致了軸承外圈溫度升高。

鑒于軸承座并非易損件且不參與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，考慮到海上平臺的現(xiàn)有維修條件，本次采用了對舊軸承座二次加工的方式進(jìn)行維修：首先，對于軸承座內(nèi)圈采用均勻打麻坑的工藝，在不更換軸承座的前提下，增加其與軸承配合的緊密程度；其次，使用高強(qiáng)度軸承緊固膠來補(bǔ)償軸承和軸承座磨損間隙。由于軸承緊固膠為厭氧膠，能夠防水和防腐蝕，同時(shí)兼具鎖固和密封的作用，對于一般強(qiáng)度的軸承外圈位移能夠起到良好的固定作用。軸承鎖固膠方便實(shí)用，拆下時(shí)只要將軸承加熱即可，但磨損間隙不能過大，此方法可保證使用壽命。經(jīng)過回裝測試，現(xiàn)場操作人員對該泵進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，泵軸承的振動數(shù)據(jù)為水平方向和垂直方向4.2 mm/s、4.1 mm/s，振動加速度9.0 mm/s2。此次采用的泵軸承座二次加工和軸承緊固膠的方法解決了軸承跑外圈現(xiàn)象，節(jié)約了維修備件，也為現(xiàn)場泵緊急維修沒有備件的情況提供了可行途徑。

該泵的非驅(qū)動端軸承是2個(gè)NU328止推軸承，背靠背安裝方式能夠承受較大的軸向負(fù)荷。由于機(jī)械密封頻繁漏水且非驅(qū)動端軸承位置更接近機(jī)械密封，經(jīng)過現(xiàn)場分析發(fā)現(xiàn)，在機(jī)封漏水的前提下，非驅(qū)動端軸承運(yùn)行不久便也會失效，運(yùn)轉(zhuǎn)不足500 h就會高溫停機(jī)，并伴有軸承溫度繼續(xù)上升的現(xiàn)象。經(jīng)過拆檢發(fā)現(xiàn)軸承磨損嚴(yán)重，潤滑脂已經(jīng)明顯乳化變質(zhì)。經(jīng)過分析認(rèn)為：當(dāng)機(jī)封漏水時(shí)，水會沿著垂直方向的泵軸上竄到軸承腔室內(nèi)，部分水霧也會被卷入軸承腔室，導(dǎo)致軸承腔室內(nèi)部的潤滑脂與海水混合后變質(zhì)，失去了原本的潤滑作用，加速了軸承異常磨損，導(dǎo)致了軸承高溫?？紤]到海水提升泵為海上工藝流程重要的設(shè)備，該 FPSO 的 4臺海水泵平日為三用一備狀態(tài)，如果每當(dāng)機(jī)械密封小程度漏水就提泵維修，這樣的維修頻率勢必會導(dǎo)致下線維修的海水泵過多，對于生產(chǎn)工藝流程來說是不可接受的，無法滿足現(xiàn)場實(shí)際使用。所以既要兼顧工藝流程泵排量的需求，又不至于因微小程度的漏水就直接導(dǎo)致軸承損壞，我們經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，手工加工了一套擋水盤，安裝在機(jī)封和軸承腔室之間，增加了防止軸承腔室進(jìn)水的屏障，從而延長了軸承使用壽命。

2.3 改造方案

軸承擋水盤為碟形的 2 個(gè)尼龍橡膠板加工后拼接而成，設(shè)計(jì)圖紙如圖5所示。擋水盤安裝在泵軸上，位于非驅(qū)動端軸承和機(jī)械密封之間，隨泵軸一同旋轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)成半開式以便安裝和維護(hù)。在擋水盤內(nèi)孔處加裝了O形密封圈，防止水霧竄到軸承腔室，用 2 根貫穿螺栓緊固到泵軸上。把擋水環(huán)裝配到泵軸上進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)，監(jiān)測顯示即便機(jī)封漏水時(shí)，由于被擋水盤阻隔也無法沿著泵軸方向上竄，有效地防止了水進(jìn)入軸承腔室，在機(jī)封漏水且沒有備用泵的情況下，防止了軸承室進(jìn)水，保證了軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖5 海水提升泵軸承擋水盤Fig.5 Bearing water retaining plate of seawater lift pump

3 結(jié) 語

海水提升泵作為典型的立式單級離心泵，在海洋石油平臺上應(yīng)用廣泛。本文對該類泵常見問題如振動高、機(jī)械密封失效進(jìn)行了原因剖析，從現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)維的角度提出如何在備用泵不充足的條件下應(yīng)急維修，提出了經(jīng)濟(jì)可行的解決方案?！?/p>