LNG 船液貨泵維修調試與液貨系統運行分析

詹顯正

（友聯船廠（蛇口）有限公司，廣東深圳 518054）

0 引言

液化天然氣（LNG）是一種無色無味的液體，由天然氣經過脫除酸氣、水分、其他雜質和重金屬后液化而成，其主要成分是甲烷、乙烷，少量的丙烷、丁烷和惰性氣體（如氮氣）。同等質量的天然氣液化后的體積是其原來體積1/600 左右，由于其氣液體積的巨大差異，液化天然氣可以采用專用LNG 運輸船（車）進行運輸[1]。

在LNG 運輸船裝卸、運輸中進行穩態保持的重要設備是LNG 液貨艙里的液貨泵。如果液貨泵出現故障，將導致貨艙失去工作能力，甚至引起液貨劇烈蒸發，進而產生爆炸等風險。良好的運營、保養、監控是避免風險的關鍵。

1 液貨艙液貨泵分類和結構

液貨泵按種類和功能可分為液貨泵、噴淋泵、應急液貨泵。液貨泵用于裝載/卸載液態LNG。在LNG 船運載貨物航行中，噴淋泵將液態LNG 運輸到液貨艙頂部，并通過噴淋管向液貨艙內噴淋液態LNG，達到降溫、減少LNG 氣化蒸發從而穩定LNG 狀況的目的。應急泵用于應急排放部分LNG 以確保整個貨艙安全的作用。

圖1 和圖2 分別為液貨泵和噴淋泵的剖面結構。液貨泵和噴淋泵的底部均有螺旋誘導葉輪，螺旋誘導葉輪將LNG 從泵底部吸入泵體，并沿軸方向螺旋流動，這一級與軸流泵結構、工作原理類似。接下來LNG 在第二級葉輪驅動下進行二次增壓，分兩路由下向上經泵體內腔輸送，這一段與離心泵結構、工作原理類似。在泵的上方出口處，兩路泵腔匯合，輸出增壓LNG。液貨泵與噴淋泵不同之處在于：液貨泵出口比噴淋泵出口直徑大，液貨泵出口有一定弧度，而噴淋泵出口豎直向上。

圖1 液貨泵結構

圖2 噴淋泵結構

液貨泵和噴淋泵的驅動電機均裝在腔內部，驅動電機的外壁即為LNG 流動腔的內壁，這種結構設計保證了電機與-169 ℃的液態天然氣相隔絕，進而可以正常工作，但電機的定子繞組外側仍包有耐寒層以保護定子繞組。

液貨泵電機的工作原理與三相鼠籠式異步電機相同，異步電機的轉子與定子的三相繞組線圈來保證實現電能和機械能的轉換。定子線圈安裝在圓柱形型定子槽內，定子槽安裝在電機外壁凹槽處。電機與泵共用1軸、2 軸承。在底部軸承外側有一套推力平衡機構維持泵的穩定運行。為電機供電的電纜經接線箱引入液貨泵電機定子繞組，因工作時電纜和接線箱均被LNG 浸沒，故該接線箱與泵體管路及電纜應達到最高密封等級。

2 液貨艙與液貨泵進出艙程序

根據液貨泵生產廠家的作業指導書，液貨泵累計運行8000 h或者隨船運營2～2.5 年時應進行拆檢維修[2]。這樣規定，既考慮到設備維護保養的需要，同時又能兼顧船東運營收益最大化。維護保養需要先進行復雜、耗時的清空貨艙操作，這與船東的運營需要存在一定矛盾性。為了確保艙室和設備的安全、穩定，以及裝、卸貨效率，LNG 船舶在每次卸貨時并不會將所有貨艙里的液貨全部清除，而是每艙保留10%～20%液貨。又因世界各地不同天然氣礦區產出的天然氣成分不同，出于安全原因，船東在裝貨前必須考慮這一因素，故船東更傾向于相對固定運輸某一固定礦區產的LNG，至少也要保證上一批LNG底貨與新裝貨兼容。

鑒于前述原因，LNG 船舶在進入船廠進行維修液貨泵前需進行排凈液貨艙貨物、液貨艙升溫、液貨艙氣體置換、除氣干燥等操作。早期LNG 船型貨艙為304 波紋不銹鋼，目前主流LNG貨艙為殷瓦鋼薄膜型貨艙，因殷瓦鋼遇到少量水汽即會產生銹蝕而報廢，故應嚴格按照相關程序操作。

進艙程序：在錨地取得測爆證書后，船員操作從甲板惰性氣體（IG）管路到液貨艙的相關閥件，用除濕機通過IG 管向液貨艙通風，然后打開液體穹頂道門進行通風；穹頂道門通風后應將與穹頂道門相通的下方液貨艙頂部空艙通風測爆；液貨艙頂部空艙通風后可以放下鋁梯打開貨艙蓋子，打開蓋子時應在蓋子正面和螺栓上做標記，回裝時需用扭力扳手按順序打緊；打開蓋子后需將蓋子下方泡沫塞取出，然后取出貨艙塞子；貨艙蓋、塞子取出后需放在干燥三合板上并用防雨布包好；然后吊運經過設計與穹頂道門相匹配并能夠通過液貨泵的穹頂房（Dome House）對液貨艙進行密封，并在穹頂房周圍搭建全密封防雨棚，至此開艙程序結束[3]。

在完成液貨泵低俗運轉試驗及全部艙內工程后可以關閉液貨艙，關閉時按照反向順序操作。嚴格檢查、控制人員進出，確保進入人員達到入艙標準。

3 液貨泵與液貨泵軸解體步驟及注意事項

起吊液貨泵前應先將液貨泵與其固定結構分開，并妥善保管連接螺栓；將液貨泵接線盒與電纜拆除，然后使用合適葫蘆、鋼絲繩將液貨泵起吊出艙；液貨泵起吊出艙后應立即進行密封包裝，避免受潮。液貨泵的解體拆檢應在恒溫（20 ℃）無塵密閉車間內進行；車間應配備除濕機、空調等設備，且車間進入空氣需進行過濾，除去空氣中的雜質污染物。

在LNG 車間內即可開始液貨泵拆檢。拆檢時，應將液貨泵出口處向下放在干燥清潔的木板上，此時泵與正常使用時相反，為方便說明，按正常使用狀態時的上下方向進行敘述。拆除分為液貨泵拆解和液貨泵轉子軸承拆解。

3.1 液貨泵拆解順序

（1）將吸入濾器47A 與47B 固定的上部M8 螺絲拆除，然后移走濾器47，再將濾器47B 底部螺栓3 拆除后移走濾器47B。

（2）先后拆除卡環、誘導輪螺母、誘導輪。

（3）拆除M16 吸口蓋螺絲后拆下吸口蓋。

（4）取走葉輪下方環形鍵后將二級葉輪拆除。

（5）將液貨泵外部框架和泵體相連接的M16 螺絲拆去，然后將液貨泵外部框架和泵體外圍的保護器取走。

（6）移開泵體，取走轉子軸套。

（7）將轉子下軸承架M16 螺栓拆除后，在液貨泵轉子靠近下軸承架端裝配起吊螺栓，將液貨泵轉子及附屬件吊出液貨泵本體。

3.2 轉子拆解順序

（1）先拆除轉子下方軸承蓋螺絲再拆除對應軸承蓋。判斷理由：由液貨泵裝配圖可知，液貨泵底部有緊鄰的1 個螺旋導向葉輪和離心葉輪，與軸右側的2 個鍵孔相符。

（2）拆除轉子下方框架端蓋M10 螺栓和框架端蓋。

（3）拆除轉子下方軸承后再拆除與該軸承配合的軸承座。

（4）依次拆除轉子上方卡環、環形套管螺栓、平衡套管、球軸承。至此，轉子部分解體完畢。

3.3 液貨泵剩余泵體解體方法

（1）拆除液貨泵泄放端蓋與外部泵體的連接螺栓，然后移走液貨泵泄放端蓋。

（2）先拆除上軸承位M12 螺栓，再拆除上軸承座。

（3）移除過濾原件墊片后拆除過濾原件。

所有液貨泵拆除元件均應分類包裝，避免遺失或損壞，并置于LNG 維修恒溫無塵車間。當將泵倒轉立起時，應將與泵連接的排放側法蘭和螺栓取下；移出泵軸轉子時，應避免轉子刮傷定子線圈繞組。從轉子上移除軸承時應避免損傷或彎曲轉軸。轉子上的軸承架容易變形，應小心操作。

組裝順序與解體順序相反。

3.4 注意事項

泵的軸承在運行8000 h 或經過2.5 年時間后應該換新，這與泵拆檢時間相符，換新軸承時應用電磁感應將新軸承均勻加熱至100 ℃以上再套裝軸上。組裝后應更換泵的全部濾器，并對運動部件用手輕輕搖動進行檢驗，看是否有卡死、振動、磨擦等異常，如有必須排除。

在完成組裝后，檢查泵體外側螺栓是否已按規定進行打扭力并在每兩個螺栓之間加裝防低溫脫落扭力不銹鋼絲。電氣方面應檢查內部引出線在接線盒內接線相序與絕緣是否合格。完成組裝后對泵進行測量的過程中應確保泵體垂直于地面。完成以上工作后方可進行初步調試。

4 液貨泵檢修項目

拆檢時應測量液貨泵口形環（螺旋片配合腔）、布司和平衡套筒之間的間隙，超過標準要求換新備件；如果這三者有明顯劃痕、磨損、裂紋，亦應換新備件。解體拆檢后應使用專用清潔劑清潔拆檢部件。

拆解的泵箱、吸口蓋應檢查其內外表面是否有明顯缺陷、裂紋。螺旋誘導葉輪和離心葉輪應檢查其與軸滑動接觸面和與LNG 接觸面是否有明顯缺陷、裂紋。口形環、布司和平衡套筒應檢查其內外表面是否有明顯缺陷、裂紋。對于上下兩側泵體端蓋，應檢查其外表是否有缺陷或裂紋。檢查泵軸時，應檢查軸的剛度，彎曲、扭轉、拉伸變形是否超差，軸表面是否有明顯損壞。對于自凈濾器，應檢查其內外兩側是否出現裂痕、劃傷、變形。轉子鐵芯和定子鐵芯應分別檢測它們的接觸部分和非接觸部分是否有裂紋、磨損。對在定子鐵芯槽內的線圈繞組應測量其絕緣是否老化、損壞或夾雜非絕緣物資，檢查其外表是否有磨損、燒蝕。對于滾珠軸承位套筒應檢查其表面狀況、與軸承配合間隙，并視情況修復或換新。滾珠軸承在每次拆檢后均應換新。內外側泵體和泵泄放處端蓋應檢查其內外表面是否有缺陷、裂紋等損壞。液貨泵轉子軸應進行動平衡試驗，如果軸發生變形則應進行校軸處理，重點檢查軸的臺階部位、與定子接觸部位、鍵槽位等應力集中部位，發現問題應進行修復。

5 液貨泵調試

液貨泵產品在首次出廠前應進行如下實驗：

（1）啟動試驗。

（2）流量表現試驗。

（3）工作中推力軸承溫升試驗。

（4）NPSH 試驗。

（5）長期運行試驗和長期運行中電機繞組溫升試驗。

（6）螺旋試驗。

維修保養后的液貨泵應參照出廠時的試驗項目進行試驗，在維修理因貨艙為空艙以及修理船廠條件限制，一般進行（1）（3）（5）項試驗，不可用普通液體，如水，代替液貨泵試驗專用液體。

泵完成組裝并吊回貨艙安裝后，應進行低電壓啟動調試，啟動電壓從0 V 開始增加到泵開始轉動，記錄啟動電壓和啟動電流，并檢驗轉動方向是否正確，確認轉動方向正確后即可斷電。接下來高速常溫下運行較長時間，此時液貨艙仍為空艙。在船舶維修期間，貨艙內未解體修理的泵如經手工操作，能正常轉動則無需試驗，否則應進行空載低速、高速試驗。前述試驗啟動電壓標準最小值為26 V，13 A，若啟動試驗數據小于標準值，應查找原因并進行處理。

進行試驗項目（2）（4）（6）時，需要使用液態氮氣作為試驗流體，并將液貨泵浸入一個裝有足夠液態氮的有進出口的罐艙內進行。

試驗項目（4）為泵所需的汽蝕余量測量試驗，測試條件為流速67 m3/h、200 m3/h、333 m3/h、400 m3/h，泵所需的汽蝕余量應顯示為從誘導輪葉片入口端到測量水平的垂直距離。

圖3 冷卻液貨管路流向

圖4 液貨艙卸貨管路流向

試驗項目（6）為在泵以排放流量333 m3/h 連續工作15 min的過程中，測量排放流速與排出液體溫度、排放壓力、吸口壓力和溫度、馬達輸入功率、馬達電壓電流以及實際工作頻率、流量計處流體溫度。

6 LNG 液貨艙裝、卸貨流程

LNG 船液貨艙裝、卸貨步驟如下：

（1）貨艙通干燥空氣。

（2）貨艙通入CO2。

（3）吹掃甲烷。

（4）通入液態和氣態甲烷冷卻貨艙。

（5）裝載LNG。

（6）運輸中處理蒸發氣化甲烷，部分用作燃料，部分冷卻再液化。

（7）到達目的地完成90%卸貨。

（8）抽干貨艙剩余液貨。

（9）分兩次加熱貨艙通風。

（10）充入CO2完成貨艙關閉。

至此完成貨艙的一次作業循環。

選擇其中冷卻液貨和卸貨2 個步驟進行說明。如圖3 所示，先由LNG 貨源向貨艙內噴淋管輸入液態LNG 進行冷卻（圖中淺色箭頭），冷卻過程中產生的蒸汽經船舶壓縮機管路壓縮后循環回岸上（圖中深色箭頭）。裝載中氣態液態甲烷流向與圖4 卸貨方向相反，圖4 中淺色箭頭代表液態LNG，深色代表氣態LNG。限于篇幅，其他步驟液態、氣態貨物管路走向不再列舉。