海上平臺注水增壓泵高速振動原因分析及減振改造

陳鉑川，徐 林

(中海石油(中國)有限公司秦皇島32-6作業公司 天津300453)

0 引 言

海上油氣生產平臺工藝流程復雜，設備繁多，都布局在平臺甲板上。受限于海上特殊環境，一般針對海上平臺泵類設備振動高的故障，主要采用以下3種方法進行處理：對中調整；基座甲板加強；設備大修檢查。第1種方法簡單方便，但往往不能夠解決根本性問題；第2和第3種方法，耗費成本費用較多，施工過程復雜。鑒于這種情況，考慮將設備與甲板由基座硬連接改為軟連接，借此緩沖振動，以到達減輕注水增壓泵高速振動的目的。

1 機組概況

4#注水增壓泵是海上油氣生產平臺的關鍵設備，一般為電壓等級380V低壓電機驅動的單級離心泵，剛性底座，18mm鋼甲板承載，作用是為地層高壓注水泵(出口壓力10MPa)提供低壓水(出口壓力1.8MPa)，全天候24h運行，以保證海上油氣生產平臺注水流程的穩定。該機組主要技術參數如下。

①泵型號規格：KCC150X100-450(四川日機CM1B-085-E070-BOVGF機械密封；無錫創明TD6-470-75x140/60x100x200聯軸器)；揚程184m；額定流量300m3/h；入口壓力40kPaG；操作壓力1800kPaG；設計壓力5000kPaG；軸中心高425mm。

②電機型號規格：YX3355L1-2H/2975rpm/280kW/380V/50-HZIP56，F級(佳木斯船用電機；帶空間加熱器，滾動軸承)。

2 故障現象及檢測結果

自2014年安裝投用以來，經現場監測，其電機、離心泵的振動速度一直處于較高的狀態(機組振動速度大于10mm/s)，同時檢測到整個機組撬塊振動速度也偏高。整個機組撬塊的高速振動，導致電機和離心泵的軸承磨損加劇，平均半年時間就必須分別更換電機驅動端與非驅動端軸承(其軸承型號：驅動端為滾動軸承NU317C3NSK，非驅動端為滾動軸承6317-2ZGB/T 276)。如此既增加了現場備件成本，還需耗費大量的維修工時，同時影響油氣生產流程的穩定運行。

振動值檢測位置示意圖如圖1，檢測結果如表1。

圖1 離心泵機組振動值監測位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of vibration monitoring position of centrifugal pump unit

表1 離心泵機組振動檢測值Tab.1 Vibration detection value of centrifugal pump unit

此離心泵軸中心高300mm，運行功率280kW，撓性聯軸節，其振動值最大達到11.1mm/s，依據ISO 10816—3《振動監測的評估標準》，4#注水增壓泵振動值偏高，為不合格。

讀取4#注水增壓泵的振動頻譜如圖2所示。

總體可以看出，機組速度總值較高，水平方向振動明顯，頻譜中以工頻為主，時域近似正弦波形。由此判斷機組對中不良，導致高振動。

3 原因分析及改造效果

3.1 原因分析

造成離心泵對中不良的原因一般是安裝誤差、管道應變影響(由于流程不穩導致管線應力變形)、基礎不牢產生共振等。為了排除對中不良的影響，海上油氣生產平臺現場通常采用以下幾種方法：調整泵和電機的對中值，減小裝配誤差；調節介質流量使泵在性能曲線上的最佳工作范圍；減弱承載甲板振動對機組運行的影響。

圖2 離心泵機組振動頻譜Fig.2 Vibration spectrum of centrifugal pump unit

3.2 解決辦法

3.2.1 對中校準

使用SKF TKSA 40型號激光對中儀對4#注水增壓泵進行對中校準，校準后泵與電機的對中值如下：聯軸器形式為膜片式，徑向偏差0.03mm，端面偏差0.01mm，符合海上平臺離心泵對中要求。

3.2.2 工況調整

對于4#注水增壓泵的工況進行調整，生產現場通過工藝流程調節，使泵進口壓力為50kPa，同時清潔進口過濾器，使過濾器前后壓差基本為0kPa，有效防止泵氣蝕；另外，全開泵的出口閥門，使出口壓力穩定在1800～1840kPa，出口流量為290～300m/h，參考KCC150X100-450型號離心泵性能曲線(圖3)，可以得出4#注水站增壓泵基本處于高效率運行工況，運行狀態良好。

3.2.3 機組減振

針對承載甲板振動對泵的影響，考慮選用合適的彈簧減振器來支撐機組撬塊底座，理論預計整個機組的振動速度降幅達95%，結合該目標對彈簧減振器進行優選，并運用現有機組參數進行驗證，振動降幅可達95%以上，即彈簧減振器符合現場要求。根據彈簧減振器選型規范，設備總質量大于1t，應選6個以上的彈簧減振器，同時考慮到改造成本，故首先考慮加裝6個彈簧減振器，并選擇雙彈簧型式，以增加設備穩定性。

4#注水增壓泵轉速：2975r/min，機組運行質量3300kg，考慮1.3倍設備擾力體系計算總質量為

3300kg×1.3＝4329kg。1臺設備選用6只彈簧減振器：4329/6＝721.5kg/只(即單只載荷)，由此選用低頻阻尼彈簧鋼減振器JA-2-700(彈簧剛度為145N/mm，彈簧質量為0.78kg)。

設備干擾頻率f＝2980/60＝49.6Hz

減振器固有頻率f0：

圖3 工況調整后離心泵性能曲線Fig.3 Performance curve of centrifugal pump after adjustment of working condition

式中，k為彈簧剛度，m為彈簧質量。

隔振效率TR：

減振效率：

所以，選用的JA-2-700減振器，減振效果可達95%以上，符合現場減振要求。

現場通過施工改造，在泵撬底部安裝6 個JA-2-700型低頻阻尼雙彈簧減振器，如圖4。

圖4 彈簧減振器安裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of spring shock absorber installation

3.3 改造效果

改造后的4#注水增壓泵由原先的剛性連接底座變為彈性連接，投入運行后，整個泵撬機組的振動值明顯降低，改造前后在相同工況條件下，對泵橇做了數據采集，通過對比幾個典型測量點的振動數據，如表2所示。

表2 改造前后機組振動速度Tab.2 Vibration Speed of Unit before and after Revamping

改造前的測試數據水平方向振動普遍偏高，垂直方向偏高，改造后振動速度整體下降，基本達到預計的降幅50%水平，尤其是原振動峰值較高的點位，降幅達到80%以上，而且改造后各點位振動值整體比較平均，處于一個較低水平，運行狀態良好。

3.4 獲得效益

通過此次改造，徹底解決了4#注水增壓泵振動速度高的問題，機組改造完成后已連續運行超過3000h，運行振動速度值依舊維持在較低水平，最大不超過4mm/s。排除了機組因為高振動故障停機給平臺注水流程造成的影響，同時節約了更換軸承等備件費用及現場檢修耗費的人工時，改造成果顯著。

4 結 論

通過振動檢測，對頻譜圖進行分析，為確定注水增壓泵高振動的原因提供了分析方向和理論依據。為避免泵撬和甲板產生共振，應針對設備自身結構特點，根據方便、實效的原則確定改造方案。在海上油氣生產平臺，由甲板承載的動設備、底座采用彈性連接比剛性連接能達到更好的減振效果。