LNG 船液貨泵維修調(diào)試與液貨系統(tǒng)運行分析

詹顯正

（友聯(lián)船廠（蛇口）有限公司，廣東深圳 518054）

0 引言

液化天然氣（LNG）是一種無色無味的液體，由天然氣經(jīng)過脫除酸氣、水分、其他雜質(zhì)和重金屬后液化而成，其主要成分是甲烷、乙烷，少量的丙烷、丁烷和惰性氣體（如氮氣）。同等質(zhì)量的天然氣液化后的體積是其原來體積1/600 左右，由于其氣液體積的巨大差異，液化天然氣可以采用專用LNG 運輸船（車）進行運輸[1]。

在LNG 運輸船裝卸、運輸中進行穩(wěn)態(tài)保持的重要設(shè)備是LNG 液貨艙里的液貨泵。如果液貨泵出現(xiàn)故障，將導致貨艙失去工作能力，甚至引起液貨劇烈蒸發(fā)，進而產(chǎn)生爆炸等風險。良好的運營、保養(yǎng)、監(jiān)控是避免風險的關(guān)鍵。

1 液貨艙液貨泵分類和結(jié)構(gòu)

液貨泵按種類和功能可分為液貨泵、噴淋泵、應(yīng)急液貨泵。液貨泵用于裝載/卸載液態(tài)LNG。在LNG 船運載貨物航行中，噴淋泵將液態(tài)LNG 運輸?shù)揭贺浥擁敳?，并通過噴淋管向液貨艙內(nèi)噴淋液態(tài)LNG，達到降溫、減少LNG 氣化蒸發(fā)從而穩(wěn)定LNG 狀況的目的。應(yīng)急泵用于應(yīng)急排放部分LNG 以確保整個貨艙安全的作用。

圖1 和圖2 分別為液貨泵和噴淋泵的剖面結(jié)構(gòu)。液貨泵和噴淋泵的底部均有螺旋誘導葉輪，螺旋誘導葉輪將LNG 從泵底部吸入泵體，并沿軸方向螺旋流動，這一級與軸流泵結(jié)構(gòu)、工作原理類似。接下來LNG 在第二級葉輪驅(qū)動下進行二次增壓，分兩路由下向上經(jīng)泵體內(nèi)腔輸送，這一段與離心泵結(jié)構(gòu)、工作原理類似。在泵的上方出口處，兩路泵腔匯合，輸出增壓LNG。液貨泵與噴淋泵不同之處在于：液貨泵出口比噴淋泵出口直徑大，液貨泵出口有一定弧度，而噴淋泵出口豎直向上。

圖1 液貨泵結(jié)構(gòu)

圖2 噴淋泵結(jié)構(gòu)

液貨泵和噴淋泵的驅(qū)動電機均裝在腔內(nèi)部，驅(qū)動電機的外壁即為LNG 流動腔的內(nèi)壁，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計保證了電機與-169 ℃的液態(tài)天然氣相隔絕，進而可以正常工作，但電機的定子繞組外側(cè)仍包有耐寒層以保護定子繞組。

液貨泵電機的工作原理與三相鼠籠式異步電機相同，異步電機的轉(zhuǎn)子與定子的三相繞組線圈來保證實現(xiàn)電能和機械能的轉(zhuǎn)換。定子線圈安裝在圓柱形型定子槽內(nèi)，定子槽安裝在電機外壁凹槽處。電機與泵共用1軸、2 軸承。在底部軸承外側(cè)有一套推力平衡機構(gòu)維持泵的穩(wěn)定運行。為電機供電的電纜經(jīng)接線箱引入液貨泵電機定子繞組，因工作時電纜和接線箱均被LNG 浸沒，故該接線箱與泵體管路及電纜應(yīng)達到最高密封等級。

2 液貨艙與液貨泵進出艙程序

根據(jù)液貨泵生產(chǎn)廠家的作業(yè)指導書，液貨泵累計運行8000 h或者隨船運營2～2.5 年時應(yīng)進行拆檢維修[2]。這樣規(guī)定，既考慮到設(shè)備維護保養(yǎng)的需要，同時又能兼顧船東運營收益最大化。維護保養(yǎng)需要先進行復雜、耗時的清空貨艙操作，這與船東的運營需要存在一定矛盾性。為了確保艙室和設(shè)備的安全、穩(wěn)定，以及裝、卸貨效率，LNG 船舶在每次卸貨時并不會將所有貨艙里的液貨全部清除，而是每艙保留10%～20%液貨。又因世界各地不同天然氣礦區(qū)產(chǎn)出的天然氣成分不同，出于安全原因，船東在裝貨前必須考慮這一因素，故船東更傾向于相對固定運輸某一固定礦區(qū)產(chǎn)的LNG，至少也要保證上一批LNG底貨與新裝貨兼容。

鑒于前述原因，LNG 船舶在進入船廠進行維修液貨泵前需進行排凈液貨艙貨物、液貨艙升溫、液貨艙氣體置換、除氣干燥等操作。早期LNG 船型貨艙為304 波紋不銹鋼，目前主流LNG貨艙為殷瓦鋼薄膜型貨艙，因殷瓦鋼遇到少量水汽即會產(chǎn)生銹蝕而報廢，故應(yīng)嚴格按照相關(guān)程序操作。

進艙程序：在錨地取得測爆證書后，船員操作從甲板惰性氣體（IG）管路到液貨艙的相關(guān)閥件，用除濕機通過IG 管向液貨艙通風，然后打開液體穹頂?shù)篱T進行通風；穹頂?shù)篱T通風后應(yīng)將與穹頂?shù)篱T相通的下方液貨艙頂部空艙通風測爆；液貨艙頂部空艙通風后可以放下鋁梯打開貨艙蓋子，打開蓋子時應(yīng)在蓋子正面和螺栓上做標記，回裝時需用扭力扳手按順序打緊；打開蓋子后需將蓋子下方泡沫塞取出，然后取出貨艙塞子；貨艙蓋、塞子取出后需放在干燥三合板上并用防雨布包好；然后吊運經(jīng)過設(shè)計與穹頂?shù)篱T相匹配并能夠通過液貨泵的穹頂房（Dome House）對液貨艙進行密封，并在穹頂房周圍搭建全密封防雨棚，至此開艙程序結(jié)束[3]。

在完成液貨泵低俗運轉(zhuǎn)試驗及全部艙內(nèi)工程后可以關(guān)閉液貨艙，關(guān)閉時按照反向順序操作。嚴格檢查、控制人員進出，確保進入人員達到入艙標準。

3 液貨泵與液貨泵軸解體步驟及注意事項

起吊液貨泵前應(yīng)先將液貨泵與其固定結(jié)構(gòu)分開，并妥善保管連接螺栓；將液貨泵接線盒與電纜拆除，然后使用合適葫蘆、鋼絲繩將液貨泵起吊出艙；液貨泵起吊出艙后應(yīng)立即進行密封包裝，避免受潮。液貨泵的解體拆檢應(yīng)在恒溫（20 ℃）無塵密閉車間內(nèi)進行；車間應(yīng)配備除濕機、空調(diào)等設(shè)備，且車間進入空氣需進行過濾，除去空氣中的雜質(zhì)污染物。

在LNG 車間內(nèi)即可開始液貨泵拆檢。拆檢時，應(yīng)將液貨泵出口處向下放在干燥清潔的木板上，此時泵與正常使用時相反，為方便說明，按正常使用狀態(tài)時的上下方向進行敘述。拆除分為液貨泵拆解和液貨泵轉(zhuǎn)子軸承拆解。

3.1 液貨泵拆解順序

（1）將吸入濾器47A 與47B 固定的上部M8 螺絲拆除，然后移走濾器47，再將濾器47B 底部螺栓3 拆除后移走濾器47B。

（2）先后拆除卡環(huán)、誘導輪螺母、誘導輪。

（3）拆除M16 吸口蓋螺絲后拆下吸口蓋。

（4）取走葉輪下方環(huán)形鍵后將二級葉輪拆除。

（5）將液貨泵外部框架和泵體相連接的M16 螺絲拆去，然后將液貨泵外部框架和泵體外圍的保護器取走。

（6）移開泵體，取走轉(zhuǎn)子軸套。

（7）將轉(zhuǎn)子下軸承架M16 螺栓拆除后，在液貨泵轉(zhuǎn)子靠近下軸承架端裝配起吊螺栓，將液貨泵轉(zhuǎn)子及附屬件吊出液貨泵本體。

3.2 轉(zhuǎn)子拆解順序

（1）先拆除轉(zhuǎn)子下方軸承蓋螺絲再拆除對應(yīng)軸承蓋。判斷理由：由液貨泵裝配圖可知，液貨泵底部有緊鄰的1 個螺旋導向葉輪和離心葉輪，與軸右側(cè)的2 個鍵孔相符。

（2）拆除轉(zhuǎn)子下方框架端蓋M10 螺栓和框架端蓋。

（3）拆除轉(zhuǎn)子下方軸承后再拆除與該軸承配合的軸承座。

（4）依次拆除轉(zhuǎn)子上方卡環(huán)、環(huán)形套管螺栓、平衡套管、球軸承。至此，轉(zhuǎn)子部分解體完畢。

3.3 液貨泵剩余泵體解體方法

（1）拆除液貨泵泄放端蓋與外部泵體的連接螺栓，然后移走液貨泵泄放端蓋。

（2）先拆除上軸承位M12 螺栓，再拆除上軸承座。

（3）移除過濾原件墊片后拆除過濾原件。

所有液貨泵拆除元件均應(yīng)分類包裝，避免遺失或損壞，并置于LNG 維修恒溫無塵車間。當將泵倒轉(zhuǎn)立起時，應(yīng)將與泵連接的排放側(cè)法蘭和螺栓取下；移出泵軸轉(zhuǎn)子時，應(yīng)避免轉(zhuǎn)子刮傷定子線圈繞組。從轉(zhuǎn)子上移除軸承時應(yīng)避免損傷或彎曲轉(zhuǎn)軸。轉(zhuǎn)子上的軸承架容易變形，應(yīng)小心操作。

組裝順序與解體順序相反。

3.4 注意事項

泵的軸承在運行8000 h 或經(jīng)過2.5 年時間后應(yīng)該換新，這與泵拆檢時間相符，換新軸承時應(yīng)用電磁感應(yīng)將新軸承均勻加熱至100 ℃以上再套裝軸上。組裝后應(yīng)更換泵的全部濾器，并對運動部件用手輕輕搖動進行檢驗，看是否有卡死、振動、磨擦等異常，如有必須排除。

在完成組裝后，檢查泵體外側(cè)螺栓是否已按規(guī)定進行打扭力并在每兩個螺栓之間加裝防低溫脫落扭力不銹鋼絲。電氣方面應(yīng)檢查內(nèi)部引出線在接線盒內(nèi)接線相序與絕緣是否合格。完成組裝后對泵進行測量的過程中應(yīng)確保泵體垂直于地面。完成以上工作后方可進行初步調(diào)試。

4 液貨泵檢修項目

拆檢時應(yīng)測量液貨泵口形環(huán)（螺旋片配合腔）、布司和平衡套筒之間的間隙，超過標準要求換新備件；如果這三者有明顯劃痕、磨損、裂紋，亦應(yīng)換新備件。解體拆檢后應(yīng)使用專用清潔劑清潔拆檢部件。

拆解的泵箱、吸口蓋應(yīng)檢查其內(nèi)外表面是否有明顯缺陷、裂紋。螺旋誘導葉輪和離心葉輪應(yīng)檢查其與軸滑動接觸面和與LNG 接觸面是否有明顯缺陷、裂紋?？谛苇h(huán)、布司和平衡套筒應(yīng)檢查其內(nèi)外表面是否有明顯缺陷、裂紋。對于上下兩側(cè)泵體端蓋，應(yīng)檢查其外表是否有缺陷或裂紋。檢查泵軸時，應(yīng)檢查軸的剛度，彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸變形是否超差，軸表面是否有明顯損壞。對于自凈濾器，應(yīng)檢查其內(nèi)外兩側(cè)是否出現(xiàn)裂痕、劃傷、變形。轉(zhuǎn)子鐵芯和定子鐵芯應(yīng)分別檢測它們的接觸部分和非接觸部分是否有裂紋、磨損。對在定子鐵芯槽內(nèi)的線圈繞組應(yīng)測量其絕緣是否老化、損壞或夾雜非絕緣物資，檢查其外表是否有磨損、燒蝕。對于滾珠軸承位套筒應(yīng)檢查其表面狀況、與軸承配合間隙，并視情況修復或換新。滾珠軸承在每次拆檢后均應(yīng)換新。內(nèi)外側(cè)泵體和泵泄放處端蓋應(yīng)檢查其內(nèi)外表面是否有缺陷、裂紋等損壞。液貨泵轉(zhuǎn)子軸應(yīng)進行動平衡試驗，如果軸發(fā)生變形則應(yīng)進行校軸處理，重點檢查軸的臺階部位、與定子接觸部位、鍵槽位等應(yīng)力集中部位，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)進行修復。

5 液貨泵調(diào)試

液貨泵產(chǎn)品在首次出廠前應(yīng)進行如下實驗：

（1）啟動試驗。

（2）流量表現(xiàn)試驗。

（3）工作中推力軸承溫升試驗。

（4）NPSH 試驗。

（5）長期運行試驗和長期運行中電機繞組溫升試驗。

（6）螺旋試驗。

維修保養(yǎng)后的液貨泵應(yīng)參照出廠時的試驗項目進行試驗，在維修理因貨艙為空艙以及修理船廠條件限制，一般進行（1）（3）（5）項試驗，不可用普通液體，如水，代替液貨泵試驗專用液體。

泵完成組裝并吊回貨艙安裝后，應(yīng)進行低電壓啟動調(diào)試，啟動電壓從0 V 開始增加到泵開始轉(zhuǎn)動，記錄啟動電壓和啟動電流，并檢驗轉(zhuǎn)動方向是否正確，確認轉(zhuǎn)動方向正確后即可斷電。接下來高速常溫下運行較長時間，此時液貨艙仍為空艙。在船舶維修期間，貨艙內(nèi)未解體修理的泵如經(jīng)手工操作，能正常轉(zhuǎn)動則無需試驗，否則應(yīng)進行空載低速、高速試驗。前述試驗啟動電壓標準最小值為26 V，13 A，若啟動試驗數(shù)據(jù)小于標準值，應(yīng)查找原因并進行處理。

進行試驗項目（2）（4）（6）時，需要使用液態(tài)氮氣作為試驗流體，并將液貨泵浸入一個裝有足夠液態(tài)氮的有進出口的罐艙內(nèi)進行。

試驗項目（4）為泵所需的汽蝕余量測量試驗，測試條件為流速67 m3/h、200 m3/h、333 m3/h、400 m3/h，泵所需的汽蝕余量應(yīng)顯示為從誘導輪葉片入口端到測量水平的垂直距離。

圖3 冷卻液貨管路流向

圖4 液貨艙卸貨管路流向

試驗項目（6）為在泵以排放流量333 m3/h 連續(xù)工作15 min的過程中，測量排放流速與排出液體溫度、排放壓力、吸口壓力和溫度、馬達輸入功率、馬達電壓電流以及實際工作頻率、流量計處流體溫度。

6 LNG 液貨艙裝、卸貨流程

LNG 船液貨艙裝、卸貨步驟如下：

（1）貨艙通干燥空氣。

（2）貨艙通入CO2。

（3）吹掃甲烷。

（4）通入液態(tài)和氣態(tài)甲烷冷卻貨艙。

（5）裝載LNG。

（6）運輸中處理蒸發(fā)氣化甲烷，部分用作燃料，部分冷卻再液化。

（7）到達目的地完成90%卸貨。

（8）抽干貨艙剩余液貨。

（9）分兩次加熱貨艙通風。

（10）充入CO2完成貨艙關(guān)閉。

至此完成貨艙的一次作業(yè)循環(huán)。

選擇其中冷卻液貨和卸貨2 個步驟進行說明。如圖3 所示，先由LNG 貨源向貨艙內(nèi)噴淋管輸入液態(tài)LNG 進行冷卻（圖中淺色箭頭），冷卻過程中產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)船舶壓縮機管路壓縮后循環(huán)回岸上（圖中深色箭頭）。裝載中氣態(tài)液態(tài)甲烷流向與圖4 卸貨方向相反，圖4 中淺色箭頭代表液態(tài)LNG，深色代表氣態(tài)LNG。限于篇幅，其他步驟液態(tài)、氣態(tài)貨物管路走向不再列舉。