FPSO的海水提升泵可靠性提升改造方案及實施效果

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 是海上浮式生產儲油輪，主要進行海洋中原油、天燃氣等資源的開發、生產、儲運和外運，它以海水提升泵作為生產流程的主要水源供應設備。海水提升泵運行的穩定性直接影響到整個工藝流程和下游需要海水熱交換的設備，如透平發電機、儀表空壓機、液壓裝置、生活區中央空調等等設備的正常運行。隨著泵使用時間的逐年增加，海水提升泵出現機械密封頻繁破壞、水泵振動超常等問題，直接影響泵的穩定運行。

本文以 FPSO 海水提升泵改造項目為背景，從該泵的機械密封改造、軸承失效分析、工藝流程調整等幾個方面進行分析，解決問題，以提升整泵可靠性。

1 泵機械密封改造

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中，海水系統簡明流程如圖1所示。船艙外的海水分別經過高位和低位海底門后引入海水總管網，A/B/C/D 4臺海水提升泵單獨從海水管網將海水泵送至海水粗濾器并經初始過濾后輸送給下游用戶，是整個 FPSO 海水介質壓力的最初來源，是海水系統的關鍵設備。

圖1 海水系統流程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，接著通過啟動電機使液體隨泵的葉輪高速旋轉，液體在離心力的作用下由低壓區被甩至葉輪外沿的高壓區，然后經蝸形泵殼的內流道進入水泵的高壓水環路。由于液體在離心力的作用下被甩掉后形成了真空區，泵吸入口的液體便在大氣壓的作用下被壓入泵殼內，而葉輪通過不停地旋轉，使泵內介質不斷地進入和排出，從而實現了連續輸出液體的目的。

該FPSO近幾年的運行數據顯示海水泵頻繁出現機封漏水和軸承高溫故障，平均運轉1 000 h左右機封漏水即逐步增大，此泵是立式離心泵，機封泄漏水會通過軸進入軸承腔室而導致軸承失效。由于FPSO艙室空間比較緊湊，多數水泵都選取了立式離心泵，故每次對泵進行維修都需要把泵體上方的電機單獨拆卸。廠家為了在不提整泵的情況下更換機封，將其設計成全剖分式的機械密封。目前離心泵所配備的常規機械密封設計主要解決3個泄漏點，即動環與軸之間、靜環與壓蓋之間、動環與靜環摩擦副的接觸面，前兩者所使用密封圈等彈性介質作為補償量基本為靜密封。機封泄漏的主要位置是動靜環接觸面之間的動密封，而全剖式機械密封為整體分半式結構，分半式零部件分型面之間也存在諸多泄漏點，這樣密封的泄漏點大量增多，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是機械密封的靜環和靜環座，靜環座安裝在泵殼上，其摩擦副部分為圖中兩片半圓的碳環，主要材質為石墨，利用了石墨自潤滑性好且耐腐蝕的特點。圖3是機械密封的動環，其摩擦副部分是兩片半圓的氧化鋁陶瓷，與金屬的動環座通過兩個金屬定位銷固定。圖4為動環安裝到泵軸后的效果圖。2個半開的動環預先固定到動環座，然后通過沉孔螺栓固定抱緊到軸上并與軸一起旋轉。動環固定好后摩擦副部分端面的裂縫收縮到最小。圖2的靜環座倒扣后安裝在動環上，并通過4個螺栓固定在泵殼上，最后通過調整靜環座上的彈性補償量來實現壓緊動靜環摩擦副，起到密封作用。

圖2 機械密封靜環Fig.2 Mechanical seal stationary ring

圖3 機械密封動環Fig.3 Mechanical seal moving ring

圖4 動環安裝后實物圖Fig.4 Actual picture after installation of moving ring

現場拆檢后發現靜環的兩半圓對接的密封端面處已經出現破損，導致此處密封失效。靜環的圓周密封面出現偏磨。動環雖材質硬度較高，但也出現輕微磨痕。另外，機封壓蓋補償彈簧有輕微變形，機封壓蓋橡膠墊片損壞。由于原裝的機械密封每次安裝都要在現場裝配，可是立式泵維修空間通常比較狹小，加之艙底機械設備震動較大，故維修人員很難在現場手動保持動靜環裝配質量。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，很容易導致材質脆性較大的靜環報廢。根據以往的安裝經驗，在不采取機封換型的前提下，通過嘗試單獨使用整裝式密封圈來減少部分漏點，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致機封漏水。這給維修工作既帶來了技術難度又增加了不確定性。

1.2 機封失效原因分析

經不斷探索和分析逐步發現機封頻繁損壞的原因。首先，機封動環的耐磨強度已不滿足現場實際工況。在設備投產初期，海水提升泵處于設備運轉周期浴盆曲線穩定期，隨著設備運轉周期增長，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了允許公差臨界點，狀態大不如前。雖然經過了大修修復，但還是很難恢復到原始配合精度。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腐蝕都會存在不同程度的內漏現象。由于現在流程需要海水量1 600 m3/h，單臺泵的排量為925 m3/h，需要至少2臺海水泵并列運行。當其并列運行時，泵效好的出口壓力相對高，泵出口單流閥內漏會導附近泵效相對差的泵出現憋壓現象，長期憋壓的運行工況導致泵葉輪軸向受力平衡被破壞，泵的軸向竄動量增大，加劇了機封偏磨和軸承高溫。另外，因機封還是按照原廠設計工況要求制造，機封彈性補償量相對較小，根據現場實際情況分析已不能滿足需求。綜上，改造機械密封型式是提升泵穩定性的關鍵途徑。

1.3 機封換型方案

基于以上分析，我們決定把泵原來配備的剖分式機封換成整體式機械密封進行試驗。剖分式機械密封與整體式機械密封的區別主要體現在安裝方式上，即將一般的整體式密封環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。與整體式密封結構相比，剖分式機械密封具有拆裝方便、速度快及停工時間短的特點，但存在密封效果較差的問題。因此，改進其缺點，研究新型的剖分式密封具有一定的現實意義［2］。雖然原廠剖分式機械密封拆裝方便，不用吊泵就可以更換機械密封，但它在現場應用中存在的缺點也顯而易見，即對組裝要求比較高，同時現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。換成整裝式機械密封后，經過試泵運轉7 000 h效果突出，解決了機封頻繁漏水故障問題。

2 軸承防水改造

2.1 軸承故障現象

從FPSO中控設備運行記錄統計出海水泵近期運轉不到2 000 h，其驅動端和非驅動端的軸承溫度頻繁上升，直到高溫停機。泵驅動端軸承是2個代號為7 324的角接觸球軸承背靠背安裝，非驅動端軸承為代號為NU328止推軸承。在泵大修后運轉1 760 h發現驅動端軸承溫度超過80 ℃，并且溫度還在緩慢上升，經過現場操作人員確認，溫度最終穩定在90 ℃后停機檢查。經過拆檢發現驅動端軸承外圈、內圈有嚴重的磨損痕跡，軸承表面內側的滾道處有過熱現象，所使用的潤滑脂為EP2極壓抗磨潤滑脂也出現了結焦的現象。

2.2 軸承高溫原因分析

首先經對軸承內外圈拆檢后進行數據測量分析，測出葉輪的進口口環間隙值為0.62 mm，泵出口端口環間隙值為0.60 mm。通過參照SHS 01001—2004石油化工設備維護檢修規程和海水提升泵使用維修手冊，得知拆檢的進出口口環間磨損量符合要求。通過對軸承外徑和軸承座內徑測量后得出軸承與軸承座配合間隙過大，且在運轉時存在軸承跑外圓的痕跡。軸承外圈與軸承座應該為過盈配合，但此時異常松動產生的相對運動摩擦導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運動，考慮到海上平臺的現有維修條件，本次采用了對舊軸承座二次加工的方式進行維修：首先，對于軸承座內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，使用高強度軸承緊固膠來補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，同時兼具鎖固和密封的作用，對于一般強度的軸承外圈位移能夠起到良好的固定作用。軸承鎖固膠方便實用，拆下時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。經過回裝測試，現場操作人員對該泵進行狀態監測，泵軸承的振動數據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象，節約了維修備件，也為現場泵緊急維修沒有備件的情況提供了可行途徑。

該泵的非驅動端軸承是2個NU328止推軸承，背靠背安裝方式能夠承受較大的軸向負荷。由于機械密封頻繁漏水且非驅動端軸承位置更接近機械密封，經過現場分析發現，在機封漏水的前提下，非驅動端軸承運行不久便也會失效，運轉不足500 h就會高溫停機，并伴有軸承溫度繼續上升的現象。經過拆檢發現軸承磨損嚴重，潤滑脂已經明顯乳化變質。經過分析認為：當機封漏水時，水會沿著垂直方向的泵軸上竄到軸承腔室內，部分水霧也會被卷入軸承腔室，導致軸承腔室內部的潤滑脂與海水混合后變質，失去了原本的潤滑作用，加速了軸承異常磨損，導致了軸承高溫。考慮到海水提升泵為海上工藝流程重要的設備，該 FPSO 的 4臺海水泵平日為三用一備狀態，如果每當機械密封小程度漏水就提泵維修，這樣的維修頻率勢必會導致下線維修的海水泵過多，對于生產工藝流程來說是不可接受的，無法滿足現場實際使用。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致軸承損壞，我們經過現場試驗，手工加工了一套擋水盤，安裝在機封和軸承腔室之間，增加了防止軸承腔室進水的屏障，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 個尼龍橡膠板加工后拼接而成，設計圖紙如圖5所示。擋水盤安裝在泵軸上，位于非驅動端軸承和機械密封之間，隨泵軸一同旋轉。設計成半開式以便安裝和維護。在擋水盤內孔處加裝了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。把擋水環裝配到泵軸上進行試運轉，監測顯示即便機封漏水時，由于被擋水盤阻隔也無法沿著泵軸方向上竄，有效地防止了水進入軸承腔室，在機封漏水且沒有備用泵的情況下，防止了軸承室進水，保證了軸承正常運轉。

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

3 結 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用廣泛。本文對該類泵常見問題如振動高、機械密封失效進行了原因剖析，從現場實際運維的角度提出如何在備用泵不充足的條件下應急維修，提出了經濟可行的解決方案。■