磁力偶合器在海洋石油FPSO隔艙傳動裝置中的應用分析

秦兆剛，曹玉林，董建兵

（中海石油（中國）有限公司秦皇島32-6作業公司，天津 300459）

某海洋石油浮式生產儲油裝置FPSO共有10臺三軸穿艙泵，用于原油和生產水工藝處理流程。因防爆要求，泵和電機分別安裝在泵艙和機艙，隔艙傳動裝置通過定位銷和螺栓固定在艙壁上，泵和電機通過中間隔艙傳動裝置和兩組膜片式聯軸器進行連接，如圖1所示。

圖1 泵、電機、隔艙傳動裝置連接示意圖

1 隔艙傳動裝置結構及故障分析

隔艙傳動裝置是一種應用于運送原油及石油用品、化學品船的軸系以及其他通過機艙水密艙壁處軸系的常用設備，該裝置具有結構簡單、噪音低、使用壽命長、維修方便等特點。該裝置軸兩端通過聯軸器，與相應的驅動軸和從動軸聯接。安裝時，其同軸度公差不應超出所選聯軸器的允許誤差，裝置運轉不應有振動、發熱等異常現象，如圖2所示。

圖2 隔艙傳動裝置結構原理圖

但是，在該海洋石油浮式生產儲油裝置FPSO現場實際使用中，由于隔艙傳動裝置安裝工況和使用環境的特殊性，該裝置頻頻出現運行振動大、溫度高的故障。隔艙傳動裝置故障頻發一直是困擾油田現場的難題，給現場帶來了大量的人力和物力消耗，同時嚴重影響了油田的正常生產。如圖3是隔艙傳動裝置故障統計和原因分析表。

圖3 故障頻率及故障原因統計圖

經過分析發現，由于隔艙傳動裝置固定于隔離艙壁鋼板上，泵底座與隔艙傳動裝置、電機底座不在同一個橇塊上，導致對中精度很難調整。同時，受船體搖晃導致艙壁變形、船體甲板變形及泵進出口管線應力變形等影響，在設備運行時兩端聯軸器對中值發生變化，超出標準要求。因此，隔艙傳動裝置故障頻發。

綜上，由于膜片聯軸器對中要求高，而磁力偶合器對中要求非常低。因此，針對該問題，提出采用磁力偶合器替換現有膜片聯軸器的方案。

2 磁力偶合器結構原理及特點

如圖4所示，磁力偶合器結構簡圖，電機通過聯軸節與磁力偶合器連接，驅動銅轉子旋轉，銅環切割永磁體磁力線產生感應渦流，形成渦流磁場與永磁體磁場相互作用生成轉矩帶動永磁體盤旋轉，驅動從動設備運轉，實現電機到從動機的功率傳遞。

圖4 磁力偶合器組成結構圖

磁力偶合器適用于電機與水泵、風機等負載之間的扭矩傳動，它可在電機輸入轉速恒定條件下，使電機功率通過磁力偶合器平穩而無沖擊地傳遞給從動機。

2.1 磁力偶合器特點

（1）消除主動機和從動機之間的振動傳遞，有效隔振，延長傳動系統的使用壽命。

（2）功率損失小，運行安全可靠。

（3）具備過載保護功能。

（4）具有柔性啟動功能，減小啟動沖擊。

（5）允許較大的對中誤差，安裝方便。

（6）適用潮濕、油污、高溫、低溫等惡劣工況。

（7）純機械產品，結構簡單，免維護，壽命長。

2.2 膜片聯軸器和磁力偶合器的特點對比

圖5 磁力偶合器和膜片聯軸器優缺點對比

由上磁力偶合器的結構原理分析，以及磁力偶合器和膜片聯軸器的對比可以看出：磁力偶合器通過氣隙傳遞磁力，從而實現扭矩傳遞，為非接觸式傳遞，因沒有接觸，所以不傳導振動。磁力聯軸器可以最大限度地允許對中誤差，對中要求低，尤其適用于船上設備等對中條件不好，且設備底座變形大不滿足普通聯軸器使用條件的工況。

由此分析，將原有的膜片聯軸器更換為磁力偶合器，可以解決現有不對中導致隔艙傳動裝置故障頻發的問題。

3 對稱型磁力偶合器安裝

為適應現場安裝條件，滿足海洋石油使用標準，設計采用對稱型磁力偶合器，通過對電機、隔艙傳動裝置、泵進行改造，在機艙側和泵艙側分別安裝一套標準型磁力偶合器，標準型磁力偶合器結構如圖6所示。

圖6 磁力偶合器結構示意圖

驅動端和從動端分別安裝一個聯軸節，然后再與磁力偶合器本體進行連接，此種結構磁力偶合器易拆卸，后期更換維修方便；安裝溫度探頭，將磁力偶合器溫度傳輸至中控系統實時監控；在磁力偶合器外部根據現有結構制作防護罩，防止人員誤傷害；安裝結構如圖7所示。

圖7 磁力偶合器安裝示意圖

4 改造后測試驗證

磁力偶合器在海洋石油操作環境中應用和同一旋轉設備系統中兩個磁力偶合器串聯使用均屬首次，為確認該項應用效果。在磁力偶合器安裝完成后，從以下幾個方面對電機、隔艙傳動裝置、泵進行檢查測量：電機振動、電流、溫度；隔艙傳動裝置振動、溫度；泵振動、溫度、排量、出口壓力；經過兩級磁力偶合器后電機與泵的轉速差；對周邊環境的影響；設備可操作性、可監控性、安全性等。

經過檢查測量，發現設備運行參數正常，同時改造后具有以下優點。

（1）延長設備使用壽命。原來隔艙傳動裝置故障頻繁，一年平均檢修3次以上，更換為磁力偶合器后，運轉測試一年設備狀態良好。

（2）維修方便。原來聯軸器的跳動允許偏差為小于0.1～0.15mm，需要激光對中儀分別在機艙測和泵艙測進行兩次對中調整。磁力偶合器的對中偏差則為2mm，只需簡單的對中檢查即可，維修工作量大大降低。

（3）不受船體和甲板變形影響。由于磁力偶合器的允許對中偏差大，輕微的結構變形造成的對中值變化不影響設備的運轉，徹底地消除了原先設備故障的根源。

（4）減小振動傳遞。由于采用非接觸式的傳遞扭矩，電機、隔艙傳動裝置裝置、泵之間沒有直接接觸，振動傳遞被有效的消除。

由上驗證可以得出，磁力偶合器的安裝解決了由于結構變形造成設備不對中的問題。

5 應用前景

通過長期運轉證明，磁力偶合器在該環境和結構下運行狀態良好，滿足海洋石油工況使用要求。海洋石油開采行業許多旋轉設備都需要驅動端和從動端分開布置或者對中偏差較大。而磁力偶合器可以很好地解決對中偏差大、振動傳導等問題，降低設備的故障率。因此，該型式的磁力偶合器聯軸器可以應用到海洋石油FPSO其他類似的設備中。