LNG離心泵故障原因與對策研究

李延春

陜西延長石油（集團）有限責任公司天然氣股份有限公司 陜西 延安 716000

離心泵故障按照成因可以進一步劃分成泵、管道以及機械故障等問題形成的故障，使泵在實際運行中產(chǎn)生異常噪音和振動等問題，為此需要密切結(jié)合具體工程案例，針對離心泵故障開展系統(tǒng)分析，形成合理應(yīng)對策略，保障整個離心泵系統(tǒng)的穩(wěn)定持續(xù)運行。

1 離心泵分析

1.1 組成結(jié)構(gòu)

離心泵主要包括泵殼、葉輪、軸、軸承以及軸封裝置等部分構(gòu)成，泵殼作為整個離心泵中的核心元件，泵殼內(nèi)部主要是一種螺旋液道形式，第一種功能是可以對葉輪內(nèi)甩出液體實施全面收集，進一步成為液體流通通道，第二種是逐步擴大蝸殼通道，充當基礎(chǔ)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。泵主要是利用葉輪針對液體做功，葉輪主要包括開式、閉式、半開式三類形式。其中閉式葉輪適用于傳輸各種干凈液體，具有較高傳輸效率。半閉形式葉輪能夠支持傳輸具有固體懸浮物液體以及漿料，整體傳輸效率較低。開式葉輪適用于傳輸包含固體顆粒液體懸浮物，整體傳輸效相對較低。軸與軸承方面，泵軸一端主要用于對葉輪進行固定，一側(cè)裝設(shè)聯(lián)軸器。聯(lián)系整個泵大小，可以選擇滑動軸承和滾動軸承。軸承裝置在使用中可以預(yù)防泵殼中的高壓液體順著軸四周泄漏，同時還可以預(yù)防空氣滲入泵殼[1]。

1.2 運行原理

離心泵正式運行前，需要將液體灌滿泵體，原動機牽引下進一步引導(dǎo)葉輪和泵軸轉(zhuǎn)動，在葉輪轉(zhuǎn)動中會帶攜帶液體運動，液體通過葉輪得到動能和壓力能。在泵殼中流入液體后，因為蝸形泵殼內(nèi)流道持續(xù)擴大，進一步降低整體流速，其中某些動能轉(zhuǎn)化成靜壓能，為此基于較大壓力下壓出液體。葉輪中心變成真空狀態(tài)，貯槽液面上層壓強超出葉輪中心，吸入管部位液體處于壓差影響下流入泵中，對液體排出部位進行有效填補，持續(xù)吸入液體，同時按照相應(yīng)壓力排出，在葉輪持續(xù)轉(zhuǎn)動中，液體進行持續(xù)壓出或吸入[2]。

1.3 常見故障和解決對策

離心泵常見問題主要包括無法正常啟動、異常振動、停止排液、功耗擴大、軸承發(fā)熱、排液后中斷以及流量不足等問題，為此需要針對上述問題進行有效處理，對于泵無法正常啟動的現(xiàn)象，需要對原動機和電源進行檢測，判斷泵是否產(chǎn)生卡滯，必要條件下可以實施解體檢測。如果是平衡管不暢，可以對整個平衡管進行全面疏通，對于排除閥關(guān)閉問題需要進行重新啟動。對于泵不排液的現(xiàn)象，通常是灌泵不足導(dǎo)致的，為此可以進行重新管泵，檢車泵轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，疏通濾網(wǎng)，減少雜物。對于泵排液后中斷問題，如果是吸入管漏氣，需要對吸入一端的管道連接節(jié)點進行細致檢測，判斷填料函密封性，管泵中未能徹底排放吸入側(cè)氣體，為此需要進行重新灌泵。對于管道內(nèi)部流量不足的問題，需要對系統(tǒng)壓力以及液體高度進行細致檢查，擴大阻力損失。對止逆閥以及管路等障礙進行仔細檢測，有效控制葉輪、殼體磨損，為此可以對葉輪以及耐磨環(huán)進行及時修理更換。對于軸承發(fā)熱現(xiàn)象，需要對各個模塊連接精度進行細致檢測，及時涂抹潤滑油[3]。

2 LNG 離心泵故障案例分析

2.1 故障分析

LNG離心泵屬于LNG行業(yè)中應(yīng)用較為頻繁的設(shè)備之一，聯(lián)系設(shè)備安裝位置差異可以進一步分成外置離心泵和潛液離心泵，其中潛液離心泵在實際運行中不需要實施預(yù)冷處理，系統(tǒng)保持穩(wěn)定運行但需要投入較高成本。LNG儲罐外部主要以外置離心泵為主，在正式啟動運行前需要針對系統(tǒng)設(shè)備實施預(yù)冷處理，整個設(shè)備安裝便利，成本造價相對較低，廣泛應(yīng)用于加注站、小型儲罐等設(shè)備當中，需要重點關(guān)注相關(guān)工藝計算、管道布置以及工藝流程設(shè)計，不然便會影響系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定運行。

某LNG企業(yè)從投運后經(jīng)常會遇到LNG離心泵無法正常啟動，系統(tǒng)異常等問題，影響了LNG裝車運輸?shù)恼２僮鳎谠O(shè)備故障較為嚴重情況下會無法正常運輸儲罐中儲藏的LNG，阻礙生產(chǎn)。針對該種問題需要進一步強化現(xiàn)場監(jiān)測，加強數(shù)據(jù)采集，深入調(diào)查研究，明確故障成因，聯(lián)系故障問題設(shè)計有效的整改方案，幫助LNG離心泵順利消除各種故障問題。

某個LNG企業(yè)中設(shè)置了一個10000m3單包容LNG儲罐，額外設(shè)置三個LNG離心泵，LNG儲罐對應(yīng)出液管主要分布在側(cè)壁部位，LNG離心泵主要分布在儲罐防火堤中，結(jié)合現(xiàn)場系統(tǒng)運行工況分析，發(fā)現(xiàn)主要存在無法順利預(yù)冷、啟動反常以及達不到額定運行工況等問題。結(jié)合LNG離心泵相關(guān)標準文件手冊分析，LNG離心泵處于預(yù)冷操作中，整體降溫速度應(yīng)該小于30℃/min，預(yù)冷時間大于30min。但在設(shè)備運行中，SDV1以及NB1在聯(lián)鎖后，設(shè)備呈現(xiàn)出全開形態(tài)，開啟V1、V2兩個閥門，導(dǎo)通泵入口管路。對泵前的管路預(yù)冷閥門進行全面啟動，等待10min后將V5閥關(guān)閉，開啟V3預(yù)冷閥，TE1溫度緩慢提升，按照2℃/min進行了長達2個小時的預(yù)冷操作。啟動方面結(jié)合標準文件分析，LNG離心泵對應(yīng)液位是1.2m，但在運行實踐中，LNG離心泵相關(guān)啟動液位超出7m，即便處于該種條件下，依然需要進行預(yù)冷、啟動、預(yù)冷等多次反復(fù)操作后才能順利啟動。在正式啟動LNG離心泵后便可以實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定運行，到管內(nèi)液位達到1m及時停車。運行工況方面，在開啟LNG離心泵后，對應(yīng)輸出流量是每小時40m3，電機電流達到27.6A，頻率是70HZ，出口壓力是0.37MPa，泵相關(guān)運行壓力以及流量均未達到額定值（見圖1）。

圖1 LNG離心泵工藝流程

解析出現(xiàn)上述故障成因，對LNG離心泵進行汽蝕分析，判斷設(shè)備選型以及管道設(shè)置方面產(chǎn)生問題。在啟動LNG離心泵中，將罐內(nèi)部壓力限制于109kPa，對應(yīng)大氣壓是89kPa，啟泵設(shè)計液位是1.2m，對應(yīng)出液管道的接口壓力達到114.4kPa。LNG離心泵產(chǎn)生汽蝕問題主要是葉輪進口對應(yīng)介質(zhì)壓力低于入口溫度相關(guān)飽和蒸汽壓形成的。儲罐內(nèi)對于常溫液體，液相和氣相達到某種氣液平衡，儲罐內(nèi)氣相壓力是液體飽和蒸氣壓，流經(jīng)泵管路中液體不會產(chǎn)生任何溫度變化，相關(guān)飽和蒸氣壓也不會產(chǎn)生變化。從低溫介質(zhì)層面分析，特別是LNG溫度相對較低，管道內(nèi)部流通中隨著吸收各種熱量出現(xiàn)升溫現(xiàn)象。此次案例中，LNG于管道中流通，并在管道外部應(yīng)用保冷技術(shù)，但依然存在熱量傳入，促進LNG升溫。特別是儲罐和管道連接部位，為預(yù)防儲罐和管道因為溫度變化應(yīng)力導(dǎo)致管壁變形，通過波紋管充當連接段，同時外管壁不能有效承受低溫，如果對波紋管實施保冷處理，容易使波紋管對應(yīng)管壁置于低溫環(huán)境內(nèi)，為此波紋管管段也成為最高冷量損失節(jié)點。

預(yù)冷流程存在較高阻力，此企業(yè)LNG離心泵主要通過LNG離心泵相關(guān)入口管道引導(dǎo)LNG傳輸至泵前，同時在泵出口止回閥后安裝預(yù)冷線，在現(xiàn)場運行操作中預(yù)冷速度相對較慢，由于預(yù)冷管道存在較高阻力，進一步降低了LNG流動速度。結(jié)合相關(guān)設(shè)計資料，泵后止回閥屬于軸流止回閥，啟動壓力是10kPa，等同于2.3mLNG液柱。該企業(yè)相關(guān)設(shè)計啟泵液位是1.2m，泵入口擁有3.96m的液柱高度，拋除止回閥開啟壓力后僅存在1.66m壓差，LNG相關(guān)流動驅(qū)動力較小，延緩泵預(yù)冷過程。

泵前管路產(chǎn)生氣阻現(xiàn)象，結(jié)合相關(guān)工藝流程分析，LNG儲罐中設(shè)置有φ273×8mm的出液主管，中部通過心異徑接頭實施全面連接，使得出液主管上層無法正常灌滿液體。除此之外，對現(xiàn)場的LNG離心泵實際分布狀況進行觀察可以發(fā)現(xiàn)前支管存在10m長水平管道，并在管道中設(shè)置有兩個支架，在地面中進行直接固定，沒有獨立基礎(chǔ)，獨立基礎(chǔ)中設(shè)置離心泵。因為地面沉降，使泵前管道工程A字型，氣體全面匯集于管道高點，產(chǎn)生氣阻，見圖2。

圖2 泵前管道

泵前汽蝕問題，LNG離心泵在產(chǎn)生汽蝕后，除了會使泵體產(chǎn)生機械損傷之外，還會導(dǎo)致泵流量大幅度下降，電機電流也會相繼降低，導(dǎo)致產(chǎn)生空載問題。結(jié)合研究分析發(fā)現(xiàn)，LNG離心泵通常是泵前管道氣阻導(dǎo)致汽蝕問題，影響LNG流速，無法迅速傳輸至泵入口，導(dǎo)致泵入口壓力下降，低于LNG飽和蒸汽壓，產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。

2.2 解決措施

結(jié)合現(xiàn)場實際運行問題和問題成因分析，在保障系統(tǒng)設(shè)備安全運行基礎(chǔ)上按照方便實施、少用料以及低動火的基礎(chǔ)原則合理設(shè)計整改措施。進一步優(yōu)化健全各項工藝流程，對LNG離心泵中的出液主管氣阻以及長時間預(yù)冷問題進行有效處理，第一是對LNG離心泵相關(guān)后管道排氣閥、預(yù)冷BOG回氣主管進行全面連接，促進預(yù)冷流程和LNG離心泵相關(guān)出口止回閥有效隔離開來，進一步降低LNG離心泵預(yù)冷流程中的管道阻力。通過管道取代出液主管根部各個閥間設(shè)置的膨脹安全閥，原本的膨脹安全閥需要對前后閥門開度進行合理調(diào)整，變成50%開度后進一步鎖開，可以預(yù)防閥門關(guān)斷后相關(guān)出液主管產(chǎn)生超壓問題，發(fā)揮出良好的排氣功能。LNG離心泵相關(guān)設(shè)計泵業(yè)位是1.2米，存在汽蝕余量不足的問題，最少應(yīng)該在泵入口預(yù)留0.6m裕量，為此可以針對LNG離心泵相關(guān)啟泵液位實施合理調(diào)節(jié)，提升到1.63m。管道布置調(diào)節(jié)中，最初只是在地面設(shè)置LNG離心泵的管道支架，隨著地面沉降，進一步降低管道標高，對于該類問題，可以針對管道支架創(chuàng)建獨立基礎(chǔ)，對管道水平進行合理調(diào)節(jié)，可以適當超出離心泵入口，在LNG離心泵相關(guān)前管道設(shè)計中形成一定坡度，坡向泵吸入口。結(jié)合有效的整改調(diào)節(jié)，進一步減少了LNG離心泵的預(yù)冷操作時間，結(jié)合設(shè)備操作手冊對TE溫降速率進行合理調(diào)控，將其限制在每分鐘6度以下，維持30分鐘的預(yù)冷處理。LNG離心泵基于1.63米液位之上能夠支持正常啟動，比如此次中的LNG離心泵，相關(guān)管路流量FT是每小時32984kg，換算成體積流量是每小時78m3，具體轉(zhuǎn)速是每分鐘3159轉(zhuǎn)，電機電流是39.1A，運行頻率是51.8赫茲，和設(shè)計能力較為接近，符合現(xiàn)場系統(tǒng)運行現(xiàn)實需求[4]。

3 結(jié)束語

綜上所述，LNG離心泵運維檢修中，除了需要針對泵相關(guān)機械故障實施綜合檢測之外，還需要立足于整個工藝系統(tǒng)視角檢測整個泵，準確判斷工藝系統(tǒng)變化，尋找設(shè)備故障成因，并提出有效解決策略，保障離心泵的穩(wěn)定持續(xù)運行，減少設(shè)備運行中的故障停工問題，提升生產(chǎn)安全性。