LNG 高壓泵自停故障分析及其解決建議

王慶軍 崔 均 張 迎 賴亞標 王世超

（1.中石油大連液化天然氣有限公司；2.中海福建天然氣有限責任公司；3.中石化青島液化天然氣有限公司）

LNG 作為清潔能源其中的一種， 已經被廣泛應用［1～3］，中國也正在成為世界天然氣第二大進口國， 進口渠道之一是將天然氣海運到LNG接收站，再使用高壓泵升壓、氣化繼而輸送到遠端用戶［4～6］。 高壓泵是LNG 接收站的關鍵設備，其工作溫度為-160.5℃， 運行工況相對較苛刻。目前， 國內LNG 接收站在役的高壓泵主要來源為國外進口， 供貨廠家為Ebara、Nikkiso 和JC Carter。為了打破技術壁壘和壟斷，國內已有泵廠產品通過鑒定并在試用， 還有數個工廠正在研制和試制中［7］。

高壓泵因其特殊的運行工況，無法采用常規手段監測泵的運行狀態，只能依靠安裝在泵體出口錐段處的低溫振動探頭進行監測，但在此監測條件下分析泵的故障，是一大難點。 為此，筆者試圖通過對高壓泵結構、設計參數、流程的分析討論高壓泵運行中自停、中間軸承和平衡盤嚴重損壞的原因，尋找當前存在的不足和設備現有條件下的最優運行、維護和檢修的模式，盡可能地延長高壓泵的使用壽命。

1 基本情況

某LNG 接收站并聯安裝7 臺高壓泵（圖1），常規運行的數量為1～4 臺，余下的為備用，各泵在不同流量下的運行時間見表1。

圖1 7 臺高壓泵工藝流程示意圖

表1 高壓泵不同流量下的運行時間

P-1401A 高壓泵在運行中發生了自停， 至此之前該設備已安全平穩運行了共計12 678h。 P-1401A 高壓泵性能參數為：

入口壓力 0.8MPa

入口飽和蒸汽壓差 0.1MPa

設計流量 435m3/h

最小流量 166m3/h

揚程 2 342m

軸功率 1 764.2kW

額定功率 2 096kW

效率 73.1%

額定電流 242.5A

啟動電流 1 506A

汽蝕余量 1.74m

電壓 6 000V

2 故障期間運行狀況

從2011 年12 月投產運行后，P-1401A 高壓泵正常運行12 678h， 期間該泵只是因下游的用量、系統維護等狀況啟停和升（降）溫相對頻繁，其他性能參數諸如電流、流量、出口壓力、振動和聲音均正常。

2019 年11 月11 日17 點22 分DCS 系統顯示P-1401A 高壓泵自停，而且停機前、后泵井液位出現頻繁的波動（圖2）。 P-1401A 高壓泵泵自停前，共有P-1401A/C/E/F 高壓泵在運行，4 條管線每天穩定外輸天然氣2 200 萬方。

圖2 P-1401A 高壓泵的泵井液位顯示界面

由圖3 所示高壓泵出口流量曲線可以看出，在15：55 左右P-1401A 高壓泵的流量開始下降（但其他泵的流量均在增加）， 至16：00 趨于穩定，持續大約10min（至16：10）后流量恢復至正常值，但從16：10 至P-1401A 高壓泵自停，其流量一直在波動。

圖3 高壓泵出口流量曲線

從圖4 可以看出，在15：55 左右P-1401A/C/E/F 高壓泵的出口壓力開始下降， 至16：00 趨于穩定，持續大約10min（至16：10）壓力恢復至正常值，直至P-1401A 高壓泵自停。

圖4 高壓泵出口壓力曲線

3 P-1401A 泵體結構

P-1401A 高壓泵（圖5）為立式離心泵，共有15 級葉輪，入口設有誘導輪，電機與泵共軸并且整個電機轉子和定子浸泡在LNG 介質中。 在頂部、中部和底部設置3 組軸承，用于承載轉子的徑向力。

圖5 P-1401A 高壓泵結構示意圖

為保證電機冷卻，在電機下端設計與平衡盤相通的通孔，頂端設置了減壓孔和回流管，減壓孔用來平衡泵出口高壓液與電機內部冷卻液的壓力，回流管將電機內部介質引流到第3 級葉輪出口處， 使得電機內部的液體介質得以循環流動，帶走電機產生的熱量，避免電機頂端介質因電機發熱產生汽化的現象［8～10］。

如圖6 所示，運行中泵的軸向力通過平衡盤與特殊設計的末級葉輪之間間隙的變化來平衡［11～15］。 由于推力平衡機構的上部磨損環直徑大于下部磨損環直徑，因此泵工作過程中受到豎直向上的液壓合力，使轉子向上移動，導致推力平衡機構和靜態止推片之間的軸向間隙減小，平衡腔的壓力增大。 當平衡腔的壓力增大到大于液壓合力時，轉子部件又向下移動，推力平衡機構和靜態止推片之間的軸向間隙增大，平衡腔壓力減小。 經過推力平衡機構反復連續地自調節可以使泵的軸向力完全平衡［16，17］。

圖6 泵軸向力平衡機構示意圖

4 故障分析

針對P-1401A 高壓泵的具體情況，對泵進行解體維修，發現以下問題：

a. 泵與電機間軸承嚴重損壞；

b. 平衡盤嚴重磨損，軸承滾珠掉入到平衡盤內部；

c. 末級葉輪嚴重磨損，背側蓋板已經融化；

d. 泵與電機間軸承位置泵軸磨損嚴重，有寬30mm、深5mm 的溝槽；

e. 除第8 級外，其余各級葉輪密封環都比殼體密封環突出1cm；

f. 整個轉子存在下沉現象；

g. 泵平衡盤與電機之間節流套磨損嚴重。

綜合P-1401A 高壓泵運行中其他因素均未出現明顯異常，僅流量、壓力和液位出現波動，而未能采集到功率和電流， 無法對比泵特性曲線，以判斷P-1401A 泵在15：55～16：10 是否偏離了泵正常特性。從結果判斷，P-1401A 泵在15：55 時可能已經損壞， 從而使之后的流量和液位波動，直至最后泵抱死造成連鎖停車。 根據以往經驗，高壓泵液位波動的主要原因是入口過濾器堵塞導致泵井頂部壓力較低，無法使頂部閃蒸氣順暢地排向再冷凝器，同時引起再冷凝器波動。 另外，軸向力平衡不完全，使軸承在軸向力不平衡狀態下運轉，導致軸承過度疲勞損壞，破壞了轉子動平衡，造成轉子整體下沉。

基于P-1401A 高壓泵拆解檢查結果，判斷故障根源為：P-1401A 泵頻繁啟停和啟動過程中出口流量達不到泵設計最小流量造成軸向力平衡機構失效，使軸承承受軸向力，導致中間軸承嚴重磨損損壞，使得整個轉子支撐被破壞，轉子大幅度下移，造成平衡盤和末級葉輪嚴重磨損，軸、軸承襯套等處摩擦副接觸、摩擦，最終葉輪口環與殼體口環粘連在一起抱死。

5 結束語

LNG 高壓泵頻繁啟停過程中產生的軸向力對泵整體支撐造成巨大沖擊，是泵在運行中突然發生故障的根源，LNG 高壓泵最小流量無法滿足泵啟動條件造成的驟停產生的軸向力也對泵的支撐造成巨大沖擊。 為此，支撐軸承應設計成能承受一定軸向力的推力軸承，以平衡啟停時的部分軸向力； 泵振動監測應增加頻譜反饋模塊，以便根據振動頻譜分析振動超差的根源，推斷泵是否出現早期故障； 泵故障的發生不是偶然現象，它會伴隨其他異常情況出現，如：流量和壓力異常、聲音異常及功率異常等，加強巡檢力度，并結合振動頻譜提前預判異常現象，避免設備產生停機故障。