某海上采油平臺注水泵軸故障分析

王平

（中海石油（中國）有限公司天津分公司遼東作業公司，天津 300459）

1 背景

某采油平臺注水泵為徑向剖分的節段式多級離心泵。軸向力由平衡鼓和平衡盤聯合機構平衡，徑向力由每一級導葉平衡，軸承箱內裝配有甩油環潤滑的滑動軸承，非驅動端還裝配一對推力球軸承，軸承為風冷，泵裝配有整裝式平衡型機械密封。泵和電機間采用膜片聯軸器連接。在注水泵正常運轉過程中中控上位機報故障關斷，現場控制盤顯示泵和電機兩端軸承溫度正常，振動監測模塊有報警，確認泵因為高振動關斷，兩小時巡檢記錄泵非驅動端軸承溫度為49℃、驅動端溫度軸承27℃，非驅動端振動值為5.0mm/s、驅動端振動值為2.5mm/s。經過現場檢查確認泵軸斷裂。

2 故障原因排查

2.1 在線監測系統振動排查

檢查在線監測系統曲線趨勢，從趨勢圖看出，啟泵后到停泵之前運轉平穩，兩端振動值和溫度值比較平穩，各項參數均正常。但是在當日21:10～21:30振動曲線有上漲趨勢，最高振動值驅動端11.36mm/s，非驅動端在6.1mm/s，見圖1。

圖1 注水泵振動趨勢

該泵在斷軸前驅動端振動趨勢增加，現場控制盤高振動報警和關斷值分別為：12.8mm/s、14.2mm/s，現場因為高振動停泵，說明泵斷軸瞬間機組振動值高于14mm/s，而在線檢測系統數值雖然趨勢上有所變化，但是檢測值低于泵本身數值，判斷在線監測系統存在傳輸數據的采集誤差，在最高值時未能監測到相關數據。

2.2 對生產流程進行排查

根據中控上位機記錄以及人員調查，還原了當時中控對停泵前后的處理情況，并對中控上位機泵入口壓力曲線進行分析。中控上位機報“P-352A-SHUTDOWN”，緊接著報“PIC-6335 HI HI”，（注水泵入口高壓）中控崗通知現場確認，準備備用泵，同時注水泵入口壓力瞬間上漲至1540kPa,中控崗手動全關供水閥PV-6333，注水泵入口壓力逐步下降至309kPa，見圖2。

圖2 生產流程壓力變化趨勢

階段1：注水泵A關斷前入口壓力較為穩定，在500～600kPa之間，正常范圍內波動。當時平臺僅注水泵A泵運轉，所以當21：39注水泵A關斷，注水泵入口壓力瞬間上漲至1540kPa，供水閥PV-6333開度42%；

階段2：注水泵關斷后，注水泵入口壓力上漲至1540KPa,是由于注水增壓泵出口靜壓所致，中控手動關閉PV-6333,注水泵入口壓力下降至309KPa；

階段3：由于PV-6333關閉后由于調節閥存在內漏，注水泵入口壓力上漲至1540kPa,屬于正常現象；

階段4：注水泵B準備好，中控崗將供水閥手動開至30%，啟動備用注水泵B。

2.3 對流程附件進行檢查

海上平臺管道阻力損失對離心泵運行汽蝕余量有較大影響,離心泵管道阻力損失中,濾器所引起的局部阻力損失約占70%,因此入口濾器及管道其他附件的狀態會影響注水泵穩定運行。對入口濾器及其他流程附件進行檢查確認，濾器沒有明顯雜質，對泵出口閥門進行試驗，出口球閥、截止閥和單向閥均沒有泄露。

3 故障原因分析

3.1 可能的原因—流程波動

生產流程波動造成入口壓力波動、汽蝕等，引發泵振動加劇、泵軸受沖擊力影響造成疲勞斷裂，但是通過對中控上位機泵入口壓力曲線分析，入口壓力在停泵前一直比較平穩，沒有明顯波動，并且在巡檢中也未發現該泵有異常，故可以排除此原因。

3.2 可能的原因—生產流程缺陷

注水系統流程存在缺陷，造成泵運行中存在搶液現象，從下圖可以看出注水流程主管線直接分配到注水泵A/B/C，三臺泵位置較為緊湊，流程管線不長，而且當時平臺只有注水泵A運轉，不存在搶液現象，故可以排除此原因。

3.3 可能的原因—泵超負荷運轉

過大的扭矩和徑向載荷，使泵軸工作超負荷狀態，導致泵軸裂紋產生。根據泵當時運行工況，入口壓力0.45MPa，出口壓力11.6MPa，通過查詢注水泵的標準性能曲線，可以看出，當時工況下泵軸功率為720kW，并未超過泵設計軸功率，并且通過查詢電機電流變化曲線，未發現斷軸前有明顯變化，故該故障可以排除。

3.4 可能的原因—泵軸設計缺陷與汽蝕產生的缺陷

經過對泵解體檢查，泵軸斷口位置呈現2個截然不同的區域，一部分斷面較為光滑，另一部分斷面較為粗糙，并且光滑區較大。光滑區是泵軸在一定交變載荷作用下，軸上薄弱處或是較薄弱處，沿最大剪切應力方向形成的滑移帶，滑移帶開裂形成微觀裂紋，隨著循環次數的增加，分散的微觀裂紋經過匯聚溝通，形成宏觀裂紋。宏觀裂紋在持續交變力的作用下不斷的擴展，軸的截面逐步被削弱，這樣就由裂紋擴展成了斷面的光滑區。

當裂紋擴展到臨界尺寸時，泵軸突然發生脆性斷裂，形成了端口的粗糙區，見圖3。

由此可以判斷泵軸斷裂的主要原因：斷軸現象與泵的設計，泵軸的設計有關，該泵的設計為分段式多級離心泵，其軸向力全部是由平衡轂與平衡套端面間隙來控制，平衡轂與泵軸的連接是由兩個卡瓣定位連接，泵軸通徑為φ85，卡瓣連接處的泵軸軸頸為φ70，此部位也是承受軸向及徑向載荷最大的部位，其軸頸細也是薄弱點，也是整根泵軸應力最為集中的部位，也是最容易斷裂的地方。

圖3 泵軸斷裂面

3.5 可能的原因—汽蝕導致泵軸局部缺陷

汽蝕的原因會造成泵軸缺陷，在驅動端節流環處的泵軸有條寬4mm×深3mm環槽，對應的泵體機封腔室部位被氣蝕深7mm，寬6mm深溝；泵軸非驅動端平衡轂背面泵軸處同樣也有氣蝕坑點，該兩處為低壓部位，其中一處位于首級葉輪處，在首級葉輪入口吸力面處壓力最低,故最易發生汽蝕現象：隨著流量增加,多級泵的揚程逐漸降低,流道內產生的漩渦逐漸減小。當設備內部產生氣蝕，氣蝕的爆破點會在低壓端顯現，會造成泵軸及殼體的蜂窩狀氣蝕坑，當氣蝕產生后對轉子部件損傷的同時會引起設備的振動，造成震動后，應力全部會集中在整根泵軸的最為薄弱地方（φ70軸頸處），也會產生泵軸的斷裂。可以判斷汽蝕造成的缺陷是本次泵軸斷裂的間接原因。

4 結語

綜上分析，該注水泵斷軸故障并非因某一種情況而發生，而是由于多重原因而導致。針對該泵原廠泵軸設計在平衡轂卡瓣處軸頸較細，為了增加其強度，后續可改造將卡瓣處軸頸加粗，降低斷軸的可能性。另外對注水泵等關鍵設備進行預防性維修，及時解決在拆檢過程中存在的問題，同時建立泵類大修標準化管理程序，在大修期間對關鍵節點的質量進行控制，避免出現影響設備利用率的情況。