多級(jí)離心泵滑動(dòng)軸承巴氏合金頻繁剝落的根源分析與對(duì)策

王新柱，劉帥，李明海(中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

某海上采油平臺(tái)，地層注水采用三套串聯(lián)離心泵組，每套泵組均為一臺(tái)前置注水增壓泵及一臺(tái)注水泵組成，注水水源為上游提供的納濾海水，經(jīng)過兩級(jí)增壓后注入各注水單井補(bǔ)充地層能量，避免因地層壓力下降，導(dǎo)致原油產(chǎn)量的衰減。其中前置注水增壓泵采用安裝有三級(jí)葉輪的轉(zhuǎn)子，首級(jí)為雙吸式，第二、三級(jí)為單吸式。且第二、三級(jí)葉輪對(duì)稱布置，中間使用密封軸套隔開，兩端使用滑動(dòng)軸承支撐，并在尾端使用一對(duì)背靠背安裝的圓錐滾子軸承定位。兩端軸承箱內(nèi)的滑動(dòng)軸承及定位軸承采用甩油環(huán)進(jìn)行油浴潤(rùn)滑。注水增壓泵轉(zhuǎn)子部件圖如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子部件圖

最早投用的兩套前置注水增壓泵在使用4年后，先后出現(xiàn)了泵組整體振動(dòng)值高的情況，對(duì)其軸承箱進(jìn)行了多次拆檢，振動(dòng)高的問題未得到根本性解決。這一現(xiàn)象在1#注水增壓泵泵組尤為嚴(yán)重，其非驅(qū)動(dòng)端軸承箱內(nèi)部的滑動(dòng)軸承巴氏合金多次出現(xiàn)剝落。該情況初次出現(xiàn)于2020年初，后續(xù)短期內(nèi)又累計(jì)發(fā)生四次，且每次故障間隔時(shí)間明顯縮短，滑動(dòng)軸承內(nèi)部的巴氏合金每次起始剝落的位置相同，位于上瓦的同一側(cè)，巴氏合金剝落情況如圖2所示。

圖2 巴氏合金剝落

因外部檢修無法根治，遂對(duì)其進(jìn)行解體排除。在解體大修時(shí)發(fā)現(xiàn)如下情況：(1)首級(jí)雙吸葉輪的葉片邊緣存在局部蜂窩狀氣蝕情況；(2)轉(zhuǎn)子總成彎曲嚴(yán)重；(3)部分葉輪耐磨環(huán)與殼體耐磨環(huán)接觸摩擦；(4)葉輪耐磨環(huán)騎縫螺釘腐蝕脫落；(5)二、三級(jí)葉輪輪轂出現(xiàn)開裂松動(dòng)及點(diǎn)蝕情況。

伴隨該井口平臺(tái)的不斷開發(fā)，注水需求逐年增加，在水源充足的情況下，保障離心水泵連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，成為平臺(tái)完成注水與生產(chǎn)任務(wù)的關(guān)鍵。

1 巴氏合金剝落的根源分析

經(jīng)核實(shí)確認(rèn)滑動(dòng)軸承失效形式為內(nèi)襯巴氏合金剝落，造成該失效的主要原因?yàn)檗D(zhuǎn)子總成傳遞到軸承端的振動(dòng)過大，泵軸在滑動(dòng)軸承內(nèi)部劇烈跳動(dòng)，由于泵軸與上瓦存在間隙，必然導(dǎo)致泵軸對(duì)滑動(dòng)軸承的撞擊，在交變載荷的反復(fù)作用下，軸承表面出現(xiàn)與滑動(dòng)方向垂直的疲勞裂紋，擴(kuò)展后造成巴士合金逐步剝落[1]。脫落的巴士合金一方面會(huì)進(jìn)一步造成泵軸與滑動(dòng)軸承配合間隙的減小，使得泵軸與滑動(dòng)軸承撞擊加劇，陷入惡性循環(huán)；另一方面泵軸與滑動(dòng)軸承形成的油膜同樣會(huì)遭到破壞，引起潤(rùn)滑不良，導(dǎo)致黏著磨損以及燒瓦的情況。此根源在解體大修時(shí)也予以驗(yàn)證，由于葉輪耐磨環(huán)及殼體耐磨環(huán)接觸摩擦、轉(zhuǎn)子總成嚴(yán)重彎曲、首級(jí)葉輪葉片外緣存在長(zhǎng)期的輕微氣蝕、第二、三級(jí)葉輪輪轂出現(xiàn)開裂和點(diǎn)蝕等多個(gè)原因，造成轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡失效，長(zhǎng)期失衡運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子總成彎曲變形。轉(zhuǎn)子振動(dòng)值劇增，泵軸在滑動(dòng)軸承內(nèi)部劇烈跳動(dòng)并與滑動(dòng)軸承上部碰撞摩擦，形成反復(fù)作用力，最終導(dǎo)致了巴氏合金的剝落。

1.1 葉輪耐磨環(huán)及殼體耐磨環(huán)接觸摩擦

導(dǎo)致葉輪耐磨環(huán)與殼體耐磨環(huán)接觸摩擦的直接原因有兩個(gè)：(1)拆檢發(fā)現(xiàn)緊固葉輪耐磨環(huán)的所有騎縫螺釘，均存在不同程度的腐蝕并伴有脫落的情況，同時(shí)部分葉輪耐磨環(huán)有松動(dòng)歪斜情況。經(jīng)核實(shí)確認(rèn)騎縫螺釘為304不銹鋼材質(zhì)，因該材質(zhì)耐納濾海水腐蝕能力有限，導(dǎo)致了上述情況的發(fā)生。松動(dòng)歪斜的葉輪耐磨環(huán)與殼體耐磨環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)間隙必然會(huì)小于正常值，即使輕微振動(dòng)也會(huì)引起二者的接觸摩擦；(2)轉(zhuǎn)子總成失衡彎曲后，二者運(yùn)轉(zhuǎn)間隙進(jìn)一步變小，同樣加劇了接觸摩擦故障。

1.2 首級(jí)葉輪葉片外緣氣蝕

拆檢時(shí)發(fā)現(xiàn)，在首級(jí)雙吸葉輪葉片外緣表面顯現(xiàn)蜂窩狀，嚴(yán)重部位存在穿孔的情況，大多數(shù)坑槽與金屬表面垂直，破壞表面的形狀與鑄造氣孔、沖刷磨損、腐蝕等造成金屬表面的形狀不同，經(jīng)觀察確認(rèn)主要為長(zhǎng)期輕微氣蝕造成[2]。首級(jí)葉輪氣蝕情況如圖3所示。

圖3 首級(jí)葉輪氣蝕嚴(yán)重

引發(fā)首級(jí)雙吸葉輪的輕微氣蝕的主要原因?yàn)樽⑺鰤罕抿?qū)動(dòng)電機(jī)為定頻電機(jī)，額定功率220 kW，當(dāng)增壓泵出口壓力為3.35 MPa時(shí)，額定排量為120 m3/h，其中一部分根據(jù)需要供給到下游注水泵，余下部分則回流至注水緩沖罐內(nèi)。而實(shí)際上，經(jīng)排查注水增壓泵出口回流閥未打開，未排出的液體會(huì)經(jīng)過葉輪與殼體耐磨環(huán)間隙以及葉輪與泵殼間隙回流至注水增壓泵進(jìn)口端，造成增壓泵內(nèi)泄增大，同時(shí)水溫會(huì)急劇升高，從而最終導(dǎo)致增壓泵首級(jí)葉輪處氣蝕的發(fā)生。

1.3 第二、三級(jí)葉輪輪轂開裂及點(diǎn)蝕

第二、三級(jí)葉輪為鑄造全封閉式葉輪，后經(jīng)車削加工而成，采用316L不銹鋼材質(zhì)。解體檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)第二、三級(jí)葉輪輪轂均出現(xiàn)軸向開裂，同時(shí)輪轂外圓與殼體耐磨環(huán)有明顯摩擦發(fā)熱變色痕跡，另外葉輪表面存在多處點(diǎn)蝕的情況。輪轂開裂的直接原因：葉輪輪轂開裂斷口為脆性斷裂而非塑性變形，可判斷為應(yīng)力腐蝕造成的。高速旋轉(zhuǎn)的葉輪輪轂與殼體耐磨環(huán)摩擦，在摩擦區(qū)域產(chǎn)生局部高溫，而輸送介質(zhì)溫度較低僅有35～40 ℃，即等同于反復(fù)加熱與淬火，隨著重復(fù)高溫加熱次數(shù)增加，氧化脫碳、變形開裂傾向都會(huì)增加，隨著摩擦區(qū)域輪轂材質(zhì)機(jī)械性能的下降，在應(yīng)力腐蝕的作用下最終產(chǎn)生脆性斷裂。間接原因：(1)轉(zhuǎn)子彎曲變形；(2)泵實(shí)際工作流量較額定流量偏差過大，在偏流量下葉輪因徑向力產(chǎn)生一定的撓性變形。兩種原因疊加導(dǎo)致了葉輪與殼體耐磨環(huán)間半徑間隙小于要求的最小值，最終導(dǎo)致了二者摩擦[3]。葉輪表面點(diǎn)蝕的原因：316L不銹鋼在海水中，當(dāng)腐蝕電位達(dá)到點(diǎn)蝕電位，鈍化膜局部破壞，引起了不銹鋼點(diǎn)蝕；葉輪輪轂開裂及點(diǎn)蝕情況如圖4所示。

圖4 二、三級(jí)葉輪輪轂出現(xiàn)開裂及點(diǎn)蝕

1.4 轉(zhuǎn)子總成彎曲變形

解體后發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子多個(gè)部位與殼體耐磨環(huán)發(fā)生過接觸摩擦，通過百分表測(cè)量轉(zhuǎn)子總成徑向跳動(dòng)，所有部位的徑向跳動(dòng)均超過標(biāo)準(zhǔn)值，最大值達(dá)到0.34 mm，遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)要求的0.06 mm。轉(zhuǎn)子總成徑向跳動(dòng)的超標(biāo)一方面會(huì)造成配合部件的運(yùn)轉(zhuǎn)間隙變小，增加了轉(zhuǎn)子耐磨環(huán)與殼體耐磨環(huán)接觸摩擦的可能性。同時(shí)彎曲的轉(zhuǎn)子會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的動(dòng)不平衡，導(dǎo)致泵體振動(dòng)上升。根本原因是轉(zhuǎn)子總成的泵軸采用奧氏體不銹鋼316L材質(zhì)，該材質(zhì)的強(qiáng)度較低。各轉(zhuǎn)子部件故障導(dǎo)致失衡后，泵軸在長(zhǎng)期交變載荷運(yùn)行工況下發(fā)生了彎曲變形。其存在選材與設(shè)計(jì)方面的缺陷；另外不銹鋼316L長(zhǎng)期在海水介質(zhì)中耐腐蝕能力有限，造成本體腐蝕和鍍鉻層脫落。

2 解決措施

2.1 葉輪進(jìn)口端耐磨環(huán)由騎縫螺釘固定改為點(diǎn)焊固定

葉輪進(jìn)口端耐磨環(huán)密封方式由騎縫螺釘固定改為點(diǎn)焊固定，有效避免了因騎縫螺釘腐蝕松動(dòng)導(dǎo)致耐磨環(huán)松動(dòng)。且采用點(diǎn)焊固定，大幅簡(jiǎn)化了葉輪與密封環(huán)安裝、調(diào)整和處理等一系列工藝，葉輪耐磨環(huán)固定形式改變?nèi)鐖D5所示。

圖5 葉輪耐磨環(huán)固定形式改為點(diǎn)焊

2.2 工藝優(yōu)化與葉輪升級(jí)

針對(duì)首級(jí)雙吸葉輪氣蝕的情況，分別從工藝流程、葉輪材質(zhì)及防腐三個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化延長(zhǎng)葉輪使用壽命。(1)調(diào)整工藝流程，利用回流管線中自力式調(diào)節(jié)閥自動(dòng)控制，防止泵組運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)憋泵內(nèi)泄嚴(yán)重，有效避免氣蝕的發(fā)生；(2)新葉輪采用金相組織致密的抗氣蝕材料，由316L不銹鋼升級(jí)為D2優(yōu)質(zhì)雙相不銹鋼[4]；(3)利用聚胺脂對(duì)葉輪進(jìn)行表面涂敷處理，涂層厚度1.5～2.0 mm，進(jìn)一步抗氣蝕。

2.3 第二、三級(jí)葉輪材質(zhì)升級(jí)、調(diào)整熱處理工藝和安裝工藝

第二、三級(jí)葉輪由316L不銹鋼材質(zhì)改為D2優(yōu)質(zhì)雙相不銹鋼，一方面提高其整體強(qiáng)度，另一方面為避免不同材質(zhì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。同時(shí)調(diào)整其熱處理工藝，提升其表面淬火硬度以及回火質(zhì)量。加工完成后整體探傷排除內(nèi)部潛在的裂紋。另外安裝時(shí)嚴(yán)格控制輪轂處與殼體密封環(huán)的間隙值，確保符合要求。

2.4 泵軸材質(zhì)優(yōu)化升級(jí)

原泵體結(jié)構(gòu)由D2優(yōu)質(zhì)雙相不銹鋼材質(zhì)整體鑄造而成，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)注水需求及耐腐蝕要求。為了最大限度地減小設(shè)備整體改動(dòng)帶來的高額費(fèi)用，最終選擇保留泵殼及原有轉(zhuǎn)子總成設(shè)計(jì)思路，僅從泵軸材質(zhì)方面進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)。

由強(qiáng)度計(jì)算公式可知：

式中：N為軸心拉力或軸心壓力；An為構(gòu)件的凈截面面積；σ為構(gòu)件受力強(qiáng)度；σmax為材料最大許用應(yīng)力。

在無法改變受力N和截面積An的情況下，選擇最大許用應(yīng)力σmax更高的材質(zhì)，同樣可滿足要求。通過查詢API-610《石油、石油化工和天然氣工業(yè)用離心泵 》，最終決定泵軸材質(zhì)采用D2優(yōu)質(zhì)雙相不銹鋼，其強(qiáng)度(785 MPa)遠(yuǎn)高于316L不銹鋼(565 MPa)，經(jīng)驗(yàn)證可滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

3 結(jié)語

注水增壓泵經(jīng)一系列的適應(yīng)性改造，泵組劇烈振動(dòng)問題得到全面解決并消除滑動(dòng)軸承巴氏合金剝落的故障，故障率顯著下降。由于各項(xiàng)性能的明顯提升，檢修周期得到大幅延長(zhǎng)，有效保證了注水任務(wù)的完成。同時(shí)每年間接影響注水產(chǎn)量約數(shù)十萬立方米，效益十分顯著。