徑流和軸流LNG潛液泵使用壽命研究

張兵強 孔 云 程 浩 陳喬丹 徐夢茹

1.西南石油大學，四川 成都 610500

2.中國石油西南油氣田公司，四川 成都 610051

3.中國石油青海油田公司天然氣開發公司，青海 格爾木 816000

4.中原石油勘探局工程建設總公司，河南 濮陽 457000

5.中國石油新疆油田公司油氣儲運分公司，新疆 克拉瑪依 834000

0 前言

液化天然氣作為一種優質潔凈能源，在工業化的各個領域得到廣泛的應用。隨著人類對能源需求的日益增長，液化天然氣技術已成為一門新興的技術。液化天然氣的轉移、輸送都離不開LNG泵，LNG泵作為液化天然氣系統的關鍵設備，主要用于液化天然氣的裝卸、輸送、增壓等［1～3］。 液化天然氣屬于典型的低溫、易燃、易爆物質，因此對LNG泵的要求極為苛刻，目前LNG潛液泵以安全高效、使用壽命長等優點得到了廣泛使用［4～5］。但國內在該領域的研究尚處于起步階段，目前使用的一些大型LNG潛液泵大多為進口。因此通過學習研究國外成熟的LNG潛液泵技術［6～7］，經過消化吸收再創新來推進國內LNG潛液泵技術的發展具有現實意義。

1 實驗方法

采用2個3級LNG潛液泵（一個軸向導葉，一個徑向導葉）進行實驗測試，通過測試徑流和軸流LNG潛液泵的泵軸位移曲線以及兩種形式LNG潛液泵的流量-壓頭曲線，研究兩種形式導葉潛液泵的使用壽命和檢修周期等問題，以便為液化天然氣生產部門選擇LNG潛液泵和制定檢修周期提供理論依據。

1.1 LNG潛液泵泵軸位移軌跡測試

實驗測試溫度為LNG本身溫度 （約-162℃），測試對象為3級LNG潛液泵，將實驗測試的LNG潛液泵（見圖1）放入LNG儲罐泵井內，將2個微孔位移探針［8～10］以 90°的夾角安裝在潛液泵泵軸附近，并連接到數據采集系統，然后啟動LNG潛液泵，使測試流量從0m3/h變化到260m3/h，分別測出流量遞增和遞減情況下的流量-壓頭變化情況，測試數據記錄間隔為10 m3/h。在每個記錄點，將記錄泵的出口壓力、進口壓力、輸入電流、輸入功率和電壓、軸位移以及軸位移變化的數據。其中軸的位移軌跡由安裝在軸附近的2個微孔位移探針測得，徑流LGN潛液泵和軸流LNG潛液泵微孔位移探針的安裝位置見圖2、3，實驗記錄的流量-壓頭記錄數據見表1，流量-壓頭特性曲線見圖4、5。

1.2 LNG潛液泵軸襯疲勞磨損測試

在完成LNG潛液泵泵軸軌跡測試后，保持LNG潛液泵高效點30%流量下工作一段時間，評估泵在小流量情況下軸流LNG潛液泵和徑流LNG潛液泵的使用壽命。實驗主要測試LNG潛液泵在測試前后級間軸襯和軸之間的間隙變化量，以評估LNG潛液泵泵軸、軸承及軸襯使用壽命。

圖1 軸流LNG潛液泵剖面

圖2 徑流LNG潛液泵位移探針安裝示意

圖3 軸流LNG潛液泵位移探針安裝示意

表1 徑流和軸流LNG潛液泵流量-壓頭數據

2 實驗結果分析

2.1 泵特性曲線及泵軸位移軌跡測試分析

由表1和圖4、5可看出軸流LNG潛液泵的特性曲線上有很多小的不穩定區域，并在流量遞增和遞減情況下的流量-壓頭特性曲線波動范圍較大。而徑流LNG潛液泵的特性曲線不管是流量遞增還是遞減，流量-壓頭曲線都十分平穩，沒有不穩定區域。

圖4 軸流LNG潛液泵的流量-壓頭特性曲線

圖5 徑流LNG潛液泵的流量-壓頭特性曲線

根據流量-壓頭特性曲線可知，徑流LNG潛液泵的運行穩定性較好，如果工作條件下由于某種擾動因素而偏離泵的高效流量點，此時泵提供的壓頭會隨管路所需壓頭相應調整，使潛液泵工作在高效區域；軸流LNG潛液泵當工作流量受到擾動時由于特性曲線的不穩定區域存在，使得工作點偏離高效工作區域時，不能自動恢復到原來的工作高效點附近，導致LNG潛液泵形成不穩定工況，引起LNG潛液泵的周期性振蕩工況，此時泵性能變差，必須采取措施避免不穩定工況的產生。因此從整體上來講徑流LNG潛液泵比軸流LNG潛液泵工作性能更穩定、適應性更廣、操作更方便。

圖6 軸流LNG潛液泵軸軌跡曲線

圖6 a）為軸流LNG潛液泵在泵的高效點（BEP）即流量210m3/h下軸軌跡曲線，LNG潛液泵的軌道形狀為環狀；圖7 a）為徑流LNG潛液泵在泵高效點流量210m3/h下軸軌跡曲線。對比圖6 a）和圖7 a）得出徑向導葉LNG潛液泵的泵軸軌跡比軸向導葉LNG潛液泵的泵軸軌跡小260%左右。

圖7 徑流LNG潛液泵軸軌跡曲線

圖6 b）為軸流LNG潛液泵在約70%的高效點流量下測試的泵軸軌跡曲線，從圖6 b）可看出泵軸軌跡仍是環形軌道，但軌道的中心開始偏離軸中心線。測試結果表明在該流量下泵軸開始不穩定，泵流量-壓頭曲線上表現為不穩定的流量區域，主要與LNG潛液泵級間軸襯內徑磨損變化有關。由圖7 b）可看出徑流LNG潛液泵在30%高效點流量下，泵軸軌跡半徑有所增加，但仍沒偏離軸中心線，并且軌跡比軸流LNG潛液泵的泵軸軌跡小250%左右。

當軸流LNG潛液泵流量為高效點流量的30%時，泵軸的軌道開始變形，見圖6 c）。此時軸流LNG泵軸主要依靠擴散器的軸襯維持泵軸的穩定，同時泵軸軸襯的磨損急劇增加，泵的軸承、軸襯等部件的壽命也相應降低。圖7c）為徑流LNG潛液泵泵軸在流量為0的極端條件下軌跡曲線，曲線顯示表面軸軌跡不再是圓環，且無規律，但軌跡仍保持在泵軸中心線附近，徑流LNG潛液泵軌跡比軸流LNG潛液泵軌跡小235%左右。

2.2 LNG潛液泵軸襯疲勞磨損測試分析

在完成以上各種測試后，分別對軸流LNG潛液泵和徑流LNG潛液泵的軸襯疲勞磨損進行了定量測試。兩種LNG潛液泵在小流量（30%BEP）情況下工作4 h，然后將泵拆開測試泵軸和軸襯間的間隙變化量，測試結果見表2、3。

表2可以看出在LNG潛液泵在小流量區域工作時軸襯磨損較大，并且1級軸襯磨損最大，3級軸襯磨損幾乎為0。表3可以看出徑向LNG潛液泵的各級軸襯磨損都很小，幾乎檢測不到。綜上所述，徑流LNG潛液泵在不同的工作條件下工況都相對穩定，運動部件磨損相對較小。

表2 軸流LNG潛液泵軸襯磨損測試表

表3 徑流LNG潛液泵軸襯磨損測試表

3 結論

a）軸流LNG潛液泵在小流量下工作 （高效流量以下）時，泵工作在流量-壓頭特性曲線的不穩定區域，并且此時泵軸襯的磨損加劇，并隨著軸級數的降低磨損急劇增大，導致LNG潛液泵壽命縮短，維修成本增加。

b）徑流LNG潛液泵在各個工作流量下泵軸軌跡都相對穩定，同時泵特性曲線比較平滑，無不穩定區域。

c）LNG潛液泵的徑向導葉和軸向導葉相比，徑向導葉可增加潛液泵的穩定性，同時徑向擴散器裝置可以給泵軸提供額外的液壓支架，減少級間軸襯對泵軸支撐依賴和軸襯的磨損。

d）測試結果表明，徑流LNG潛液泵的級間軸襯、葉輪耐磨環以及泵軸在整個運行期間的磨損輕微，幾乎檢測不到。

e）LNG潛液泵的大修周期主要依據泵推力軸承、軸襯及泵軸的壽命。實驗結果表明，徑流LNG潛液泵的級間軸襯、葉輪耐磨環、擴散器耐磨環及泵軸的磨損較小，可延長大修周期，減少泵磨損部件的更換頻率，減低泵的維修成本。

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