潛水電泵正壓補水裝置在海上油田的應用

向波

（中海油（海南）新能源有限公司，海南 ?？?570100）

潛水電機是為在水下使用而專門開發的一種電動機，它與電泵直接相聯，并在水中運轉。潛水電機為各種類型的潛水泵配套，與泵組構成一體，長期潛入各種水質中運行。海洋平臺的海水提升泵和電動消防泵一般選用潛水電機，這類電機受泵護管的管徑限制，電機的外徑受到一定限制，所以采用細長的結構。海洋平臺潛水電機一般采用耐水絕緣方式，電機內部充滿著水，主要起到散熱和潤滑的作用。本文通過正壓補水裝置結合預防性和預測性維修策略，來改善潛水電機的絕緣故障，當潛水電機出現密封失效時，正壓補水裝置能持續提供軟水至電機腔室內，使電機內部始終對外界的海水保持正壓的狀態，避免海水侵蝕電機內部轉子和定子而損壞電機絕緣以及其他動部件。

1 應用背景概述

潛海水電泵在海洋石油平臺裝置應用廣泛，是平臺的關鍵設備，按海洋石油平臺設備完整性管理要求，對設備采取預防性和預測性維修相結合的維修策略。

海上石油平臺使用的電動消防泵，海水提升泵這類設備是常用且必備的消防設備之一，且故障類型比較集中，檢修維保工作內容基本不變，主要針對電機維保，防海生物陽極消耗品的更換。其中電機維保出現的故障主要就是腐蝕導致繞組絕緣低的問題為主，致使啟動后電機繞組燒壞而無法使用。提泵換電機也就變成是唯一的解決方式，但提泵檢修，從陸地人員備件動員到出海維修更換，最快也要花費10 天的時間，大大消耗了人力物力成本，同時嚴重威脅了海上平臺油氣的安全生產。所以為了延緩甚至解決電機外殼被海水腐蝕穿孔，影響繞組絕緣，提出了這種裝置設備，利用淡水補壓阻隔海水介質保護潛海水電機。

對潛水電機增加正壓補水裝置，打破了海上平臺海水提升泵，電動消防泵該類設備的常規結構，經過長時間的維保情況發現，加裝潛海水電泵正壓補水裝置與不加裝的對比，電機表面腐蝕情況及繞組絕緣明顯好于不加裝的潛海水泵電機，其連續工作時長超出常規電機的2.2 倍有余。同時，如果有一用一備的海水泵機組，切換機組時長也大大提高，避免頻繁切換機組導致啟動電流對電網的沖擊影響，目前，該裝置將普遍性的推廣到新建設的油田平臺，此裝置投用將大大降低設備維保費及故障檢修費的后期高成本投入，幫助海上油田更加安全地投入生產工作中。

2 改造方案應用

2.1 潛水電機概述

潛水電機是潛沒在水中運轉的電動機，電機與水泵通過筒式聯軸器直聯，電機軸上端設有可靠的軸封裝置，能有效地防止電動機內的冷卻水/液與所抽送的介質之間的交換，保證水泵長期安全可靠地運行。電動機繞組為尼龍護套聚乙烯耐水電磁線，導軸承采用水潤滑軸承。電機下部設有能承受水泵上下軸向力的止推軸承。電機一般可分為充油式、充水式、干式、屏蔽式四種。

（1）充油式電機。潛水電機內部充滿機械油，兩端用滾動軸承支撐，上部采用硬質合金作為機械密封，它能在含泥砂較大場合使用，同時也可供傾斜、水平使用。

（2）充水式電機。分為普通型潛水電機和特種潛水電機其主要耐磨部位采用進口材質（導軸承、止推軸承等），它具有能承受高推力及高耐磨性等特點。

（3）干式潛水電動機。干式結構的電動機，內腔充滿空氣，與陸用電動機相似，結構簡單。

（4）屏蔽式潛水電動機。電動機定子由非磁性不銹鋼制作的薄壁屏蔽套、端環和機殼組成的密封室嚴密封閉，內充填固體填充物。其結構是在定子內側設置了極薄的圓筒稱為屏蔽套，為的是保護電機的電氣部分，它與水的絕緣靠電機外殼和屏蔽套來定成，而耐熱絕緣由在其內部充入的環氧樹脂等絕緣材料承擔，這種電機的電氣部分與水不直接接觸。在這一類型的電機中，一般使用普通的漆包線作為繞組線，而屏蔽套采用厚度較薄的奧式體不銹鋼材料，以降低屏蔽套內的渦流損耗，由于屏蔽套的存在，這種電機氣隙比其他類型的電機氣隙要大，因此功率因數一般較低。

（5）充水式潛水電機的內部一般充以軟化淡水，起到為電機散熱以及給電機內軸承潤滑的作用。被廣泛用于深井提水，煤礦排水，一般上水管道，建筑設備內的抽水裝置以及海洋平臺消防供水系統中。這種電機的獨特之處在于它的絕緣方法和軸承形式。

2.2 潛水電機常見的問題

目前海洋平臺潛海水電泵的常見的運行方式為一用一備和兩用一備的方式，維護方式為定期提泵檢修。運行檢修數據顯示：潛海水泵電機的主要故障為止推軸承磨損、絕緣損壞，其中絕緣損壞較多。

對于提泵檢修過程以及故障現象看，存在絕緣故障的電機又分為兩種故障形式：內部絕緣措施不良導致絕緣擊穿，內部均侵入了海水導致硅鋼片腐蝕磨損繞組。

潛海水電泵作為海上平臺的關鍵設備，其檢修作業是一項常規作業，作業人員已能熟練、專業地處理潛海水電機的接線端子的絕緣處理。檢修規程也有完善的詳細要求和流程進行控制，做完絕緣處理后，應由電氣班組負責人進行二次測量確認。所以，由電機內部接線處絕緣措施不良導致電機絕緣擊穿的比例較小，大多是電機進海水導致的絕緣故障。從大量的潛海水電泵檢修結果，也印證了這一結論。海上平臺故障種類如表1 所示。

表1 海上平臺故障種類

2.3 正壓補水裝置的工作原理及應用改造

補水水箱設置于高于海平面19m 的平臺甲板面，通過軟管與電機內部連通，根據不同平臺潛水電機下潛深度的不同，在水箱內充裝一定容量的水后，能使電機內部形成1 ～3bar 的壓力。當電機軸承機封的密封失效時，補水系統、電機、電機外部海水隨即連通，形成連通器。而補水系統高于海平面19m，對電機內產生的水壓也高1.9bar，這個壓力便可阻止海水進入電機內部。電機密封失效時，正壓補水系統的存在將電機內部淡水與外部海水之間原本互流的狀態，改變成內部淡水單方面外流的狀態。操作者則可以在不提泵檢修的前提下，通過往水箱內加水的簡單操作來確保電機內部長時間保持淡水環境。

正壓補水裝置安裝技術情況如下：（1）出廠前應進行水壓耐壓測試，試壓壓力不低于1MPa；（2）供水回水管線應使用316L 材質固定卡固定在揚水管上；（3）供水回水管線在穿過井口法蘭，導流罩（如有）時應配備格蘭保護；（4）支撐腳為碳鋼材質，刷RAL7037 油漆。

2.4 方案改造步驟

（1）根據潛水電機使用環境水壓和內部設計水壓需求（潛水電機內部設計水壓大于使用環境水壓1Bar之3Bar 之間即可），選擇壓力相匹配的正壓防水結構主體，確保水箱安裝高度位置所形成的壓力能可以滿足潛水電機內部設計水壓需求。同時，潛水電機內部的動密封、靜密封等部件在耐壓能力選擇上，需確保能夠在電機內部設計水壓環境下正常使用；（2）通過螺栓連接或底座焊接方式使正壓防水結構主體安裝固定；（3）正壓防水結構主體通過補水管線和放氣管線與潛水電機本體分別連接；（4）潛水電機連同管線進行整體水壓測試，試驗壓力為潛水電機內部設計水壓的1.1 倍，確保系統保壓15 分鐘無壓降；（5）潛水電機設備安裝就位：潛水電機設備在水面上完成組裝，然后緩慢入水。設備安裝就位后，需確保補水管線和放氣管線固定牢靠，且無外力擠壓導致扭曲或變形；（6）往正壓防水結構主體內灌水，潛水電機設備連續運行24 小時，觀察液位計數值無明顯變化確認正壓補水裝置正常投用。以表2 為潛水電機一般使用環境情況。

表2 潛水電機一般使用環境情況

該系統的正壓補水結構主體連接有放氣支管和補水支管，其放氣閥門和補水閥門為常開狀態，底部配置有泄放閥門，頂部配置有透氣孔。該系統在運行過程中，會持續向潛水電機內部提供軟水，保證其內部軟水壓力高于外界海水壓力，從而避免海水侵入電機內部造成損壞。當正壓補水水箱液位下降到低位時，會觸發傳感器發出報警信號，提示維護人員及時補充軟水并進行潛水電泵的檢修作業。同時，液位計可以幫助維護人員觀察正壓補水結構主體內部淡水的消耗量。這些設計都能有效減小潛水電機密封面的過壓損壞的風險。

3 應用推廣及效益情況

3.1 海上實際應用機組故障率情況

鑒于潛海水電泵機組在其他海上平臺的應用及故障檢修案例情況，某海上平臺提出了采用上述正壓補水裝置，以提高潛水電機工作穩定性和可靠性的方案。通過長期的運行監測，海水電泵機組運行平穩，電流三項電流平衡，切換機組后測量電機絕緣數據良好，數據優于無正壓補水裝置的海水泵組。如表3 所示，某海上油田機組與該投用該裝置的海上海水泵機組對比。

表3 某海上油田機組與海上海水泵機組對比

3.2 項目取得的客觀經濟效益

該裝置的投用，不僅提高潛水電機可靠性和絕緣性能，還大大降低設備維修成本，減少因設備故障關停造成的經濟損失。經過實際應用，對比其他平臺無正壓補水裝置的維修記錄和成本情況，每年故障率均0.5 次，其它人員維修成本節省約20 萬元人民幣，機組更換設備成本費用節約均45 萬人民幣；改造后做好正常的補水系統參數檢測，保障設備的正常維保使用即可。

3.3 海水泵組正壓補水裝置投用情況

正壓補水裝置適用于海上所有的海水泵組系統，目前已在新投產的文昌13-2 油田投入使用，后續新平臺建設中，將陸續投入使用，幫助海水泵電機在海水系統中得到良好保護，減少故障率，為油田的降本增效、創新創效提供突出貢獻。

4 結語

本文主要介紹了海洋平臺上潛水電泵常見故障之一，電機絕緣損壞的原因，以及通過應用正壓補水裝置的方案來解決這一問題。通過正壓補水裝置的持續補水，電機內部始終保持正壓狀態，避免海水侵蝕電機內部轉子和定子而損壞電機絕緣以及其他動部件。同時，利用水箱液位下降趨勢來預測維護時間，有效延緩電機內部零部件的腐蝕速率。實際應用結果表明，正壓補水裝置能夠顯著降低海洋平臺潛水電泵的故障率，取得了良好的經濟效益。因此，正壓補水裝置應用在海洋平臺潛水電泵上具有廣泛的推廣和應用前景。