淺析單級離心泵改造換型的方法

侯玉杰

（中海石油（中國）有限公司天津分公司渤南作業(yè)公司，天津 300459）

0 引言

生產(chǎn)水處理系統(tǒng)是石油平臺(tái)重要的生產(chǎn)流程之一。隨著平臺(tái)油井開采年限的增加，采出率逐年遞減，含水量逐年上升。為了補(bǔ)充足夠的地層壓力，做好水驅(qū)油工作，而且根據(jù)油田滾動(dòng)開發(fā)計(jì)劃，后期注水量將會(huì)遞增，注水任務(wù)日益增大，海上平臺(tái)具備完善的生產(chǎn)水處理流程十分必要。流程上的任何設(shè)備異常都將影響生產(chǎn)水的正常回注。平臺(tái)核桃殼供給泵是單級離心泵，屬于散泵范疇，但是在水處理流程中，其重要性和注水泵處于同等位置。

核桃殼供給泵頻繁出現(xiàn)斷軸現(xiàn)象，不僅不能保障生產(chǎn)水處理系統(tǒng)的有效運(yùn)行，而且對油田年度生產(chǎn)指標(biāo)的完成產(chǎn)生巨大威脅。

根據(jù)現(xiàn)場流程的實(shí)際情況、設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及斷軸的剖面分析得出，該泵頻繁斷軸的原因是泵體選型和流程實(shí)際需求存在偏差，額定排量高于介質(zhì)實(shí)際的輸送量，致使泵軸長期承受交變載荷。針對故障原因，通過進(jìn)行相關(guān)理論測算制定改造方案，最終通過減小葉輪尺寸、降低泵的額定排量、降低交變載荷對泵軸的影響來滿足現(xiàn)場工況的需求。改造后該泵各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定，再?zèng)]出現(xiàn)過泵軸斷裂的現(xiàn)象，保證了平臺(tái)注水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

1 故障分析

針對核桃殼供給泵的頻繁斷軸現(xiàn)象，利用根本原因分析法尋根究底，從最簡單的原因入手，對可能導(dǎo)致泵軸斷裂的原因進(jìn)行逐項(xiàng)分析，用最簡便快捷的方法最終解決問題。

首先懷疑是由于核桃殼供給泵的泵軸材料問題導(dǎo)致泵軸多次斷裂，通過查閱資料表明該泵軸材料滿足現(xiàn)場使用要求，且其他類型的單級離心泵泵軸為同樣材料而沒有出現(xiàn)過斷軸現(xiàn)象。斷軸后經(jīng)過多次更換而未能根本解決此問題。其次，對采購的新泵軸加工精度進(jìn)行測量，配合面的尺寸精度均在誤差允許范圍內(nèi)，經(jīng)V 鐵及百分表測量泵軸不存在彎曲現(xiàn)象，排除了由于加工問題導(dǎo)致斷軸的原因。最后，對泵軸安裝的全過程進(jìn)行復(fù)盤，安裝步驟完全滿足操作要求，并無不合規(guī)及野蠻操作現(xiàn)象。

通過設(shè)備現(xiàn)場使用情況發(fā)現(xiàn)泵的實(shí)際工況與額定工況不符，運(yùn)行參數(shù)達(dá)不到額定參數(shù)。經(jīng)測算，該泵實(shí)際輸送介質(zhì)流量為290 m3/h 左右，而其額定排量為375 m3/h，運(yùn)行效率遠(yuǎn)低于額定值，相當(dāng)于該泵一直處于“吃不飽”的狀態(tài)，加上流程設(shè)備高度差、內(nèi)部存在氣體沖擊及液體流量交替變化等情況，導(dǎo)致泵體出口流量變化較大，對葉輪不斷沖擊，導(dǎo)致泵軸長期承受交變載荷，致使泵軸出現(xiàn)疲勞斷裂。而泵軸斷面（圖1）與典型疲勞斷面（圖2）非常相似，進(jìn)一步印證了最初的故障原因判斷。

圖1 泵軸斷面

圖2 典型疲勞斷面

2 制定方案

確定核桃殼供給泵頻繁斷軸的最根本原因后，決定從泵流程調(diào)整、降低泵體的額定出口排量兩個(gè)方面入手解決問題，使流程實(shí)際所需流量和泵體排量盡量接近，減少泵體出口回流至泵體進(jìn)口的介質(zhì)，降低泵軸所承受的交變載荷，保證設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行。

2.1 解決方案

2.1.1 調(diào)整流程

出現(xiàn)斷軸問題以后，油田嘗試通過泵出口回流管線的流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行回流控制。但是由于流程水量偏小，在氣浮罐單罐運(yùn)行的情況下，流程波動(dòng)過大，無法滿足流程平穩(wěn)運(yùn)行的需求，因此只能通過泵出口的壓力調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)流量的控制。這樣即使?jié)M足了現(xiàn)場額定流量指標(biāo)，但泵軸承受交變載荷的問題仍然沒有解決。

2.1.2 降低離心泵排量

降低離心泵排量的主要方法有：降低旋轉(zhuǎn)速度、更換型號與現(xiàn)場需求相匹配的單級離心泵或?qū)υ摫眠M(jìn)行改造換型。

（1）降低離心泵的轉(zhuǎn)速最直接的方法就是降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。為驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝變頻器，可實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行，能夠滿足此需求。

（2）更換與現(xiàn)場實(shí)際需求相匹配的單級離心泵。需要根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況進(jìn)行綜合分析研判并進(jìn)行整體離心泵的重新定做，不僅工作量大，而且費(fèi)用高、持續(xù)時(shí)間長。

（3）離心泵進(jìn)行改造換型。此方法可以在原有設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，通過縮小葉輪直徑尺寸來達(dá)到降低排量的目的。

2.2 方案對比

通過對基于2 個(gè)方面的4 種解決方案進(jìn)行對比、綜合研判，選擇最優(yōu)化的技術(shù)方案。

（1）生產(chǎn)流程改造。通過對生產(chǎn)流程進(jìn)行改造實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)水的有效回流，以達(dá)到現(xiàn)場的實(shí)際運(yùn)行情況與泵額定排量相匹配，保證介質(zhì)的正常輸送。

特點(diǎn)：對生產(chǎn)水流程進(jìn)行有效改造費(fèi)用高、施工周期長、過程復(fù)雜，且現(xiàn)場使用空間無法滿足這一要求，需要外委完成。

（2）電機(jī)安裝變頻器，實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行。減小離心泵的排量，可以通過降低葉輪的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，然而降低葉輪的轉(zhuǎn)速也就意味著降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。可以通過安裝變頻器，根據(jù)實(shí)際流量的變化調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)離心泵速度變化，以降低離心泵實(shí)際排量。

特點(diǎn)：需要采購與現(xiàn)場3 臺(tái)泵相匹配的變頻器并進(jìn)行外委安裝，總體改造費(fèi)用高，變頻器的安裝占用現(xiàn)場的有效空間且短時(shí)間內(nèi)難以完成，施工量大，需要外委完成。

（3）更換與現(xiàn)場實(shí)際需求相匹配的單級離心泵。通過對原有的單級離心泵進(jìn)行更換來滿足現(xiàn)場的實(shí)際需求，需要根據(jù)原始的技術(shù)資料及現(xiàn)場的實(shí)際情況進(jìn)行綜合研判，保證更換后的設(shè)備能夠與現(xiàn)場安裝位置相匹配。

特點(diǎn)：3 臺(tái)泵總體的更換費(fèi)用高，設(shè)備調(diào)研、設(shè)計(jì)、制作周期長，短時(shí)間內(nèi)難以完成。

（4）對原有離心泵進(jìn)行改造換型。為了達(dá)到有效降低離心泵排量的目的，通過對離心泵進(jìn)行改造換型最基本的方法就是對葉輪進(jìn)行改造。

根據(jù)離心泵的工作原理，通過減小泵體的葉輪尺寸，并重新設(shè)計(jì)優(yōu)化葉輪的流道，在電機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，做功減小，機(jī)械效率降低，可以實(shí)現(xiàn)降低離心泵額定排量。

特點(diǎn)：該改造方案無需對泵撬、進(jìn)出口處管線等進(jìn)行改動(dòng)，簡單易行、成本低，可根據(jù)后期流程工況靈活調(diào)整。

通過對比發(fā)現(xiàn)，更換葉輪及相關(guān)配套備件，一次性消耗費(fèi)用少，可以通過現(xiàn)場人員自檢自修短時(shí)間內(nèi)完成。

通過對4 種方案進(jìn)行綜合對比，對原始的離心泵進(jìn)行改造換型（降低離心泵葉輪直徑）的方案無需對泵撬、進(jìn)出口處管線等進(jìn)行改造，且該方案簡單易行、成本低、改造周期短，同時(shí)可根據(jù)后期流程工況靈活調(diào)整。

3 改造實(shí)施

經(jīng)過技術(shù)方案的制定、分析、對比，決定通過變更葉輪規(guī)格縮小葉輪直徑尺寸并配備新的軸套、泵軸等配件來實(shí)現(xiàn)泵況與現(xiàn)場實(shí)際工況的匹配。核桃殼供給泵型號為HTH200-150-400，升級改造前泵的排量：375 m3/h，葉輪直徑：400 mm，葉輪流道數(shù)量：7，揚(yáng)程：50 m，轉(zhuǎn)速：2980 r/min。離心泵的切割定律表明，在同一轉(zhuǎn)速下，離心泵葉輪切割前后的外徑與對應(yīng)工況點(diǎn)的流量、揚(yáng)程、之間存在一定的關(guān)系。通過離心泵的切割定律計(jì)算式：（H1：H2）2=D1：D2；Q1：Q2=D1：D2，可知在轉(zhuǎn)速不變的情況下，減小葉輪外徑將使泵的性能曲線下降；并且葉輪切割前后揚(yáng)程及排量和葉輪直徑的比例關(guān)系不變，即揚(yáng)程的平方和葉輪的直徑成正比，排量和葉輪的直徑成正比的關(guān)系不變，這種關(guān)系稱為切割拋物線。葉輪的切割量不能太大，否則切割定律失效，并使泵效率明顯降低。經(jīng)過計(jì)算，泵升級改造后的主要參數(shù)，排量：290 m3/h，葉輪直徑：310 mm，葉輪流道數(shù)量：6，揚(yáng)程：44 m，轉(zhuǎn)速：2980 r/min（圖3）。

圖3 改造后的葉輪

改造后的葉輪需要通過靜平衡試驗(yàn)。首先設(shè)置平衡架，在靜平衡試驗(yàn)的臺(tái)架上裝設(shè)兩條平行的軌道，軌道上端需加工成刀口狀，且刀口上應(yīng)保持平整光滑。將泵軸架設(shè)在V 鐵上，用百分表測量并保證泵軸沒有彎曲。然后將改造后的葉輪安裝泵軸并架設(shè)在平衡架的刀口上，調(diào)整兩個(gè)平衡架在同一個(gè)平面上，用手搬動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)2～3 次，若每次葉輪停止時(shí)在同一位置，說明葉輪在此位置最低處存在不平衡，用夾子在最下面和最上面夾住并且在最上面添加一塊已知重量的鐵片后再次進(jìn)行搬動(dòng)，若葉輪停止的位置與原來的位置相同則表明添加鐵片的重量不夠，若相反則表明添加的鐵片重量過大，需進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，直到每次停止的位置不同為止。

靜平衡試驗(yàn)后將葉輪、泵軸、軸套及鎖母組裝成轉(zhuǎn)子，需在動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)上采用去重法做動(dòng)平衡試驗(yàn)。將改造后的轉(zhuǎn)子總成放在平衡機(jī)上，通過高速旋轉(zhuǎn)，動(dòng)平衡機(jī)會(huì)根據(jù)偏重離心力計(jì)算出不平衡量及偏重的位置，并顯示在平衡機(jī)的屏幕上，然后通過打磨機(jī)把葉輪偏重的地方去重后再次進(jìn)行動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)。反復(fù)試驗(yàn)后實(shí)現(xiàn)誤差在允許范圍內(nèi)，以滿足現(xiàn)場的使用需求。

對與泵軸配套的軸套進(jìn)行測量、精加工，使二者配合滿足使用要求，對轉(zhuǎn)子組裝完畢安裝至泵殼上進(jìn)行對中后投入生產(chǎn)流程試運(yùn)行。經(jīng)現(xiàn)場多次試驗(yàn)、測算，升級改造后泵的排量為295 m3/h，與現(xiàn)場的實(shí)際需求290 m3/h 非常相近。試驗(yàn)結(jié)果表明，換型后的單級離心泵完全能夠滿足現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)流程的需要，且設(shè)備運(yùn)行正常，生產(chǎn)流程運(yùn)行平穩(wěn)。

將自行改造、組裝、調(diào)試后的核桃殼供給泵安裝至流程。通過試運(yùn)轉(zhuǎn)至今，該泵的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)比較穩(wěn)定，完全滿足油田水流程處理需求，且泵軸沒有再出現(xiàn)過斷軸現(xiàn)象（圖4）。

圖4 改造后的離心泵

4 改造效果

設(shè)備故障之后查找原因是必須的，但是查找的思路要遵循由易到繁、由簡入難這一總體原則，避免走彎路。此更換葉輪尺寸的舉措不僅使設(shè)備滿足了現(xiàn)場實(shí)際需求，而且相比改造生產(chǎn)流程，增加變頻器和更換整體單級離心泵簡單易行、成本低廉，可根據(jù)后期流程工況靈活調(diào)整葉輪尺寸來滿足實(shí)際需求。經(jīng)改造之后的單級離心泵在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中再無出現(xiàn)斷軸現(xiàn)象，不僅降低了設(shè)備的檢修頻率，而且節(jié)省了大量的備件費(fèi)用、檢修費(fèi)用，保證生產(chǎn)流程的穩(wěn)定運(yùn)行，為其他油田類似故障處理提供了良好的借鑒。