海上風電安裝平臺沖樁系統故障維修

黃移典

摘 要：海上風電安裝平臺拔樁時利用沖樁系統沖洗樁靴減少樁靴出泥阻力，沖樁系統是平臺提升系統的重要組成，其可靠性直接影響到平臺安全性，在平臺海試時發現的沖樁系統控制柜軟啟動器燒壞、沖樁泵震動、電機發熱等故障需要深入調查并尋找對應措施以確保平臺安全運營。本文通過分析故障現象產生的根本原因，尋找最優的整改方案，這對平臺運營維護以及后續平臺的設計建造具有一定的參考借鑒意義。

關鍵詞：風電安裝平臺 沖樁系統 離心泵 軟啟動器 軸功率曲線

中圖分類號：TE95 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（b）-0024-02

根據技術規格書要求該平臺共配備4根樁腿，每根樁腿設置1臺沖樁泵及1臺軟啟動器，同時每根樁腿的樁靴底面和頂面設置各8個噴嘴，供拔樁時噴沖使用。單樁流量120m?/h，壓力：5MPa，連續沖樁。供應商據此要求選用臥式多級離心泵，級數為12級，額定揚程500m，額定軸功率315kW，額定流量120m?/h。依據試驗大綱在做沖樁試驗過程中出現了電氣控制3臺軟啟動器燒壞、沖樁泵震動、電機過熱等情況。本文通過分析故障、比選多種解決方案最終確定選用減少1級葉輪（由12級降至11級葉輪），實際揚程和流量滿足設計及使用要求，最終解決了軟啟動器燒損等故障。

1 故障現象

（1）海試期間完成樁腿提升后做拔樁試驗，依據試驗大綱要求記錄泵出口壓力5MPa時的電流如表1，由表中1可見4臺沖樁泵的實際電流均超過額定電流、泵組震動較大、電機發熱。根據公式：功率=1.732×I×U*cosφ（功率因數取0.9），實測電流及對應功率見表1。

（2）依據試驗大綱要求“在4～5MPa的出口壓力下，泵組運行30min”，試驗人員將出口閥開到最大，準備啟動泵組后關閉閥門調整壓力至5MPa，但在這一過程中4臺泵組里出現3臺軟啟動燒壞，僅NO.2號沖樁泵完成了相關試驗。

2 原因分析

離心泵具有轉速高、體積小、效率高、流量大、結構簡單、輸液無脈動、性能平穩、容易操作和維修方便等特點。在一定轉速下，通過實驗可測得揚程、功率和效率與流量的變化曲線作為泵在該轉速下的特性曲線。通過特性曲線可知在出口閥開啟最大角度時流量，最大揚程最低，電流最高；在出口閥關閉時流量為零，揚程最大，電流最小[1]。

2.1 操作問題

造成此次試驗故障的直接原因是由于試驗各方參與人員均未能充分理解該沖樁泵為大功率多級離心泵，與操作普通離心泵的經驗不同，因而沒有采取必要的防范措施。大型離心泵應該關小出口閥，啟動后再慢慢打開，以降低啟動電流，然后開閥至使用額定揚程要求的工況，過程中要注意軟啟動器中的電流顯示。

2.2 設備問題

（1）從圖1中可以看出該泵的關死點揚程超額定揚程達到33%（666/500=133%），超過了API610[2]標準要求較多（標準為20%），泵功率余量過大，無法在最高效率下工作，易造成汽蝕震動。

（2）最高軸功率為321.1kW，電機額定功率為315kW，額定電流310A。依據API610標準，軸功率>55kW時電機功率應為額定軸功率1.1倍，因此該設計未能滿足電機功率需大于354kW的要求。

（3）從試驗數據可知泵的實際揚程和實際功率超過特性曲線，性能偏差達較大，而API610中規定揚程>300m時泵性能允許偏差的要求是正負5%。

（4）軟啟動器設備說明書要求屬于重載啟動時應該選用比額定電機功率大一個規格的軟啟動器，過載保護等級需設置為30。而本設備的軟啟動未按照大一個規格原則和相應保護等級選用軟啟動器，因此極易造成過載燒壞，。

2.3 整改方案比選

（1）增加節流孔板。增加節流孔板后，相應的流量會隨之降低，揚程增大，電流降低。實際試驗中得知控制量程在570m時，電流310A，功率316kW，流量118m?/h，滿足設計要求。

（2）電機無過載設計。即能在最大揚程到最小揚程范圍內任何工況點運行時，均不發生過載或因過載而燒壞電機及軟啟動，包括以下方法：①由于原配PSTX370軟啟動器改為內接方式可承受640A，無需改為大一級的軟啟動器，僅更換大功率電機及接線方式即可做到電機滿足泵在最大揚程及最低揚程間的最大電流；②改用變頻電機及變頻器，通過變頻控制流量。這兩種方法可以徹底解決過高揚程的問題，適應了拔樁時復雜地形的要求，為復雜條件下沖樁出泥提供了可操作余地。

（3）切削葉片或減少葉輪級數。減小葉輪直徑可以降低揚程及軸功率，使其接近額定工況點，但該方法需要施工工藝復雜，不適用現場修改。減少葉輪級數，該泵為臥式12級離心泵，若減少一級葉輪，可將揚程降為當前楊程的11/12，揚程降低，軸功率降低，電流降低。在原葉輪位置改為軸套，安裝過程中需控制動平衡及震動滿足API610的要求見圖2。

2.4 方案比選確定

（1）程過低、電流過載。缺點是依據流體力學原理，節流孔板后的壓力降低可能造成沖樁困難，無法確保順利從泥中拔出。

（2）更換大功率電機，且更換為內接方式，保留了較大揚程有利于沖樁效果，防止了過電流造成的設備故障。缺點是需更換電機及電路改造，成本較高周期較長。

（3）切削葉片，可兼顧水泵和電機的工作效率，但是在平臺上無法修改，必須拆解出倉回廠修改，且工藝復雜。拆除末端一級葉輪，揚程降低、流量不變，使泵的揚程和流量也滿足實際使用要求，現場施工方便周期短，且不必改變原有結構和管路，且該不破壞泵結構，修改可復原，從經濟性、時效性、風險控制等方面比選該方案都是最佳的。

3 結語

在發現試驗故障后積極調查、研究解決方案，鑒于平臺很快要投入風機吊裝的運營工作，為不影響平臺插拔樁腿，確保沖樁系統有效噴沖樁靴海泥，處理方案中應當以施工周期短、施工簡單、施工費用低等為第一選擇，因此選用拆除一級葉輪來使沖樁泵滿足工作工況。鑒于此次設備故障排除可以學習到以下內容，為后續的其他船舶設計建造、設備調試提供參考。

（1）對于新建項目中的新設備，設計人員及試驗人員應當深入了解其工作原理及性能。

（2）設計中不同專業的設計部門應當加強學習溝通，避免出現電氣設計與輪機設計不吻合。

（3）此次供應商所供產品與提供的產品性能指數試驗報告不吻合，相關部門需加強對供應商考核。

參考文獻

[1] 李秀芹，王喜坤.離心泵特性曲線的測定及分析[J].科技與中外企業家，2012（12）：88-89.

[2] 全國泵標準化技術委員會編譯.GB/T 3215-2007，石油重化學和天然氣工業用離心泵[S].中國標準出版社，2008.endprint