張澤京，王樹利，萬 川，王啟航

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300450）

1 具體設(shè)備故障背景信息

渤海地區(qū)某海上采油平臺(tái)注水系統(tǒng)的注水泵采用的是十級(jí)臥式多級(jí)離心泵，該泵流量達(dá)到160 m/h，額定壓力達(dá)15 MPaG，軸功率911.7 kW。同時(shí)該泵配備了型號(hào)為Y710S1-2H的隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)，由于海上平臺(tái)的特殊環(huán)境，配備的電機(jī)防護(hù)等級(jí)為IP56。該電動(dòng)機(jī)的額定電壓為10.5 kV，采用的是IC511的全封閉自扇冷的冷卻形式。

該泵平時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定，但是進(jìn)入盛夏，多次出現(xiàn)泵驅(qū)動(dòng)端軸承高溫報(bào)警、停機(jī)的故障，對(duì)注水流程的穩(wěn)定性造成了一定的影響。設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的溫度數(shù)據(jù)如圖1所示，其中泵體軸承溫度報(bào)警值為70℃、停機(jī)值為80℃，正常溫度下驅(qū)動(dòng)端軸溫略高于非驅(qū)動(dòng)端軸溫，但均處于70℃以內(nèi)，運(yùn)行無異常。盛夏高溫時(shí)段，當(dāng)驅(qū)動(dòng)端軸承溫度超過70℃時(shí)，設(shè)備就會(huì)出現(xiàn)如圖2所示的報(bào)警情況。

圖1 注水泵正常運(yùn)行時(shí)各溫度數(shù)據(jù)

圖2 高溫時(shí)段泵體驅(qū)動(dòng)端軸承高溫導(dǎo)致報(bào)警

2 設(shè)備故障原因分析

通過平臺(tái)維修人員對(duì)該設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)調(diào)閱比對(duì)，以及對(duì)該泵驅(qū)動(dòng)端軸承進(jìn)行拆檢、驅(qū)動(dòng)端軸承室滑油取樣分析等，排除了設(shè)備質(zhì)量缺陷、軸承自身故障等問題。初步判斷為設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境因素導(dǎo)致的高溫報(bào)警。原因分析如下。

與陸地油田較為寬闊的空間相比，海上油田的特殊環(huán)境帶來的建造難度以及經(jīng)濟(jì)性考量，使得海上采油平臺(tái)各層甲板面積相對(duì)較小。要在有限的空間內(nèi)完成各流程管線、設(shè)備、儲(chǔ)罐等的排布，不可避免會(huì)造成設(shè)備排布緊湊、間距狹小。各儲(chǔ)罐、流程管線內(nèi)介質(zhì)溫度也均遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度，會(huì)不斷地散發(fā)熱量，同時(shí)大部分設(shè)備在運(yùn)行過程中均會(huì)產(chǎn)熱散熱。在各儲(chǔ)罐、流程管線、設(shè)備的散熱影響下共同提升了周圍的環(huán)境溫度。海上平臺(tái)甲板各設(shè)備的排布實(shí)況如圖3所示，海上平臺(tái)各罐體、流程管線的排布狀況圖4所示。

圖3 海上平臺(tái)各設(shè)備的排布實(shí)況

圖4 海上平臺(tái)各儲(chǔ)罐、流程管線的排布狀況

渤海地區(qū)進(jìn)入冬季后，寒風(fēng)、寒流來襲時(shí)溫度的驟降也在很大程度上影響了設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。為保證各流程、設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，通常會(huì)在平臺(tái)各層甲板外側(cè)安裝擋風(fēng)墻減小寒風(fēng)、寒流的影響。但是擋風(fēng)墻在進(jìn)入盛夏后也會(huì)影響各層甲板的通風(fēng)情況，通風(fēng)不良在一定程度上也導(dǎo)致設(shè)備散熱后的熱氣流無法外散，熱量聚集進(jìn)一步提升了各層甲板設(shè)備運(yùn)行的外部環(huán)境溫度。海上平臺(tái)各層甲板的擋風(fēng)墻外部視角如圖5所示，海上平臺(tái)各層甲板的擋風(fēng)墻內(nèi)部視角如圖6所示，可以看出擋風(fēng)墻能夠抵擋寒風(fēng)，但是也在很大程度上影響了各層甲板內(nèi)部的空氣流通。

圖5 海上平臺(tái)各層甲板擋風(fēng)墻實(shí)況

圖6 海上平臺(tái)各層甲板擋風(fēng)墻內(nèi)部視角

海上采油平臺(tái)注水驅(qū)油采用的注水泵多為大型臥式多級(jí)離心泵，通常情況下設(shè)備需24 h不間斷連續(xù)運(yùn)行，泵送的介質(zhì)溫度一般在70～80℃，較高的介質(zhì)溫度在提高泵殼及泵內(nèi)各部件的溫度的同時(shí)也會(huì)影響到設(shè)備摩擦件的散熱情況。如圖7所示，注水介質(zhì)的溫度可達(dá)70～80℃。

圖7 注水系統(tǒng)介質(zhì)溫度數(shù)據(jù)

通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)注水設(shè)備進(jìn)行觀察以及查閱設(shè)備資料，發(fā)現(xiàn)為注水泵配備的電機(jī)的冷卻方式為IC511的全封閉自扇冷的冷卻形式，這種散熱形式能夠很好地解決大型電機(jī)的內(nèi)部散熱問題，但是散熱后的熱氣流會(huì)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)端的四圈環(huán)管將熱氣流吹出。由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)端距離注水泵驅(qū)動(dòng)端較近，故電機(jī)端散熱后的熱氣流會(huì)直接吹送至泵體驅(qū)動(dòng)端。不僅使得注水泵驅(qū)動(dòng)端環(huán)境溫度升高，同時(shí)吹出的熱風(fēng)形成一層熱罩，影響了驅(qū)動(dòng)端軸承散熱，嚴(yán)重時(shí)則會(huì)導(dǎo)致軸承內(nèi)部高溫，影響設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

該電機(jī)左視圖圖紙如圖8所示，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況如圖9所示。該冷卻形式下電機(jī)周緣有四圈散熱孔管，電機(jī)冷卻后的熱氣流從管孔吹出，熱氣流呈環(huán)狀直接吹送至泵驅(qū)動(dòng)端，增加了其周邊溫度，同時(shí)環(huán)狀熱氣流也影響了驅(qū)動(dòng)端軸承室的散熱情況。

圖8 電機(jī)左視圖圖紙

圖9 注水泵現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況

3 隔熱導(dǎo)流屏設(shè)計(jì)的探索與應(yīng)用

根據(jù)上述的原因分析，對(duì)各影響因素造成的溫升進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)采集對(duì)比，第四條電機(jī)散熱情況所帶來的影響最大。同時(shí)對(duì)各個(gè)影響因素進(jìn)行可行性整改分析調(diào)研，第四條整改的可行性比較高，其整改亟待解決。在隨后的可行性研究分析中得出，需要在泵及電機(jī)兩者之間進(jìn)行有效的物理隔離。將電機(jī)驅(qū)動(dòng)端散熱后的熱氣流進(jìn)行隔離，降低其對(duì)注水泵驅(qū)動(dòng)端散熱影響，同時(shí)最好能將熱氣流導(dǎo)通至周邊，進(jìn)一步降低設(shè)備運(yùn)行環(huán)境溫度。平臺(tái)維修人員通過資料查閱、模擬實(shí)驗(yàn)等探索設(shè)計(jì)了一種安裝在泵及電機(jī)間的隔熱導(dǎo)流屏，具體如下。

在原有聯(lián)軸器防護(hù)罩的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了可快速插拔安裝的隔熱導(dǎo)流防護(hù)屏，便于操作安裝，高溫天氣下可以及時(shí)進(jìn)行安裝。聯(lián)軸器護(hù)罩的具體設(shè)計(jì)三維視圖如圖10所示，側(cè)面2個(gè)條狀槽孔條是在常規(guī)的聯(lián)軸器護(hù)罩上設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備通過焊接制作的插槽。設(shè)計(jì)的隔熱導(dǎo)流屏如圖11所示，其內(nèi)部有與聯(lián)軸器護(hù)罩匹配安裝的插條。

圖10 新設(shè)計(jì)的聯(lián)軸器護(hù)罩

圖11 設(shè)計(jì)的隔熱導(dǎo)流屏

隔熱導(dǎo)流屏與聯(lián)軸器護(hù)罩之間采用插條、插槽進(jìn)行快速連接。同時(shí)隔熱導(dǎo)流屏根據(jù)電機(jī)尺寸大小設(shè)計(jì)成兩側(cè)為45°角斜面，頂部為45°角錐面的屏障形式，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)端吹出的熱氣流進(jìn)行阻擋。

隔熱屏的尾端設(shè)計(jì)為弧形流線的導(dǎo)流尾翼，通過流線尾翼將電機(jī)端熱氣流導(dǎo)通至設(shè)備周邊與周圍常溫大氣混合，降低高溫氣流帶來的不利影響。

表1數(shù)據(jù)是針對(duì)同一臺(tái)泵在不同環(huán)境溫度下，監(jiān)測(cè)到的加裝隔熱導(dǎo)流屏前后泵體驅(qū)動(dòng)端及非驅(qū)動(dòng)端軸承溫度數(shù)據(jù)情況。數(shù)據(jù)表內(nèi)各軸承溫度為軸承內(nèi)部度，數(shù)據(jù)取自機(jī)組自身的溫度探頭數(shù)據(jù)。依照數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)記錄，本設(shè)計(jì)對(duì)泵體驅(qū)動(dòng)端軸承散熱影響較大，安裝前后溫差在6℃左右。

表1 加裝隔熱導(dǎo)流屏前后泵體驅(qū)動(dòng)端及非驅(qū)動(dòng)端軸承溫度（單位：℃）

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)對(duì)該大型臥式多級(jí)離心泵驅(qū)動(dòng)端軸承室的散熱改善效果較大，避免了電機(jī)端熱氣流的直吹，降低了驅(qū)動(dòng)端軸承運(yùn)行的環(huán)境溫度，同時(shí)解決了環(huán)形熱氣流對(duì)驅(qū)動(dòng)端軸承室散熱的不利影響，為設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。同時(shí)也使得遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)能夠正常檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行的真實(shí)溫度數(shù)據(jù)，能夠更加真實(shí)全面地反饋設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)也減少了環(huán)境因素影響下的高溫報(bào)警導(dǎo)致的現(xiàn)場(chǎng)維修人員對(duì)報(bào)警信息排查、設(shè)備拆檢等煩瑣步驟。通過在該海上采油平臺(tái)注水泵與電機(jī)之間安裝隔熱導(dǎo)流屏后，該泵驅(qū)動(dòng)端軸承運(yùn)行溫度下降至合理范圍內(nèi)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性大幅提高，極大減少了驅(qū)動(dòng)端軸承高溫導(dǎo)致的報(bào)警、停機(jī)次數(shù)，為平臺(tái)注水設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。