径流和轴流LNG潜液泵使用寿命研究

张兵强 孔 云 程 浩 陈乔丹 徐梦茹

1.西南石油大学，四川 成都 610500

2.中国石油西南油气田公司，四川 成都 610051

3.中国石油青海油田公司天然气开发公司，青海 格尔木 816000

4.中原石油勘探局工程建设总公司，河南 濮阳 457000

5.中国石油新疆油田公司油气储运分公司，新疆 克拉玛依 834000

0 前言

液化天然气作为一种优质洁净能源，在工业化的各个领域得到广泛的应用。随着人类对能源需求的日益增长，液化天然气技术已成为一门新兴的技术。液化天然气的转移、输送都离不开LNG泵，LNG泵作为液化天然气系统的关键设备，主要用于液化天然气的装卸、输送、增压等［1～3］。 液化天然气属于典型的低温、易燃、易爆物质，因此对LNG泵的要求极为苛刻，目前LNG潜液泵以安全高效、使用寿命长等优点得到了广泛使用［4～5］。但国内在该领域的研究尚处于起步阶段，目前使用的一些大型LNG潜液泵大多为进口。因此通过学习研究国外成熟的LNG潜液泵技术［6～7］，经过消化吸收再创新来推进国内LNG潜液泵技术的发展具有现实意义。

1 实验方法

采用2个3级LNG潜液泵（一个轴向导叶，一个径向导叶）进行实验测试，通过测试径流和轴流LNG潜液泵的泵轴位移曲线以及两种形式LNG潜液泵的流量-压头曲线，研究两种形式导叶潜液泵的使用寿命和检修周期等问题，以便为液化天然气生产部门选择LNG潜液泵和制定检修周期提供理论依据。

1.1 LNG潜液泵泵轴位移轨迹测试

实验测试温度为LNG本身温度 （约-162℃），测试对象为3级LNG潜液泵，将实验测试的LNG潜液泵（见图1）放入LNG储罐泵井内，将2个微孔位移探针［8～10］以 90°的夹角安装在潜液泵泵轴附近，并连接到数据采集系统，然后启动LNG潜液泵，使测试流量从0m3/h变化到260m3/h，分别测出流量递增和递减情况下的流量-压头变化情况，测试数据记录间隔为10 m3/h。在每个记录点，将记录泵的出口压力、进口压力、输入电流、输入功率和电压、轴位移以及轴位移变化的数据。其中轴的位移轨迹由安装在轴附近的2个微孔位移探针测得，径流LGN潜液泵和轴流LNG潜液泵微孔位移探针的安装位置见图2、3，实验记录的流量-压头记录数据见表1，流量-压头特性曲线见图4、5。

1.2 LNG潜液泵轴衬疲劳磨损测试

在完成LNG潜液泵泵轴轨迹测试后，保持LNG潜液泵高效点30%流量下工作一段时间，评估泵在小流量情况下轴流LNG潜液泵和径流LNG潜液泵的使用寿命。实验主要测试LNG潜液泵在测试前后级间轴衬和轴之间的间隙变化量，以评估LNG潜液泵泵轴、轴承及轴衬使用寿命。

图1 轴流LNG潜液泵剖面

图2 径流LNG潜液泵位移探针安装示意

图3 轴流LNG潜液泵位移探针安装示意

表1 径流和轴流LNG潜液泵流量-压头数据

2 实验结果分析

2.1 泵特性曲线及泵轴位移轨迹测试分析

由表1和图4、5可看出轴流LNG潜液泵的特性曲线上有很多小的不稳定区域，并在流量递增和递减情况下的流量-压头特性曲线波动范围较大。而径流LNG潜液泵的特性曲线不管是流量递增还是递减，流量-压头曲线都十分平稳，没有不稳定区域。

图4 轴流LNG潜液泵的流量-压头特性曲线

图5 径流LNG潜液泵的流量-压头特性曲线

根据流量-压头特性曲线可知，径流LNG潜液泵的运行稳定性较好，如果工作条件下由于某种扰动因素而偏离泵的高效流量点，此时泵提供的压头会随管路所需压头相应调整，使潜液泵工作在高效区域；轴流LNG潜液泵当工作流量受到扰动时由于特性曲线的不稳定区域存在，使得工作点偏离高效工作区域时，不能自动恢复到原来的工作高效点附近，导致LNG潜液泵形成不稳定工况，引起LNG潜液泵的周期性振荡工况，此时泵性能变差，必须采取措施避免不稳定工况的产生。因此从整体上来讲径流LNG潜液泵比轴流LNG潜液泵工作性能更稳定、适应性更广、操作更方便。

图6 轴流LNG潜液泵轴轨迹曲线

图6 a）为轴流LNG潜液泵在泵的高效点（BEP）即流量210m3/h下轴轨迹曲线，LNG潜液泵的轨道形状为环状；图7 a）为径流LNG潜液泵在泵高效点流量210m3/h下轴轨迹曲线。对比图6 a）和图7 a）得出径向导叶LNG潜液泵的泵轴轨迹比轴向导叶LNG潜液泵的泵轴轨迹小260%左右。

图7 径流LNG潜液泵轴轨迹曲线

图6 b）为轴流LNG潜液泵在约70%的高效点流量下测试的泵轴轨迹曲线，从图6 b）可看出泵轴轨迹仍是环形轨道，但轨道的中心开始偏离轴中心线。测试结果表明在该流量下泵轴开始不稳定，泵流量-压头曲线上表现为不稳定的流量区域，主要与LNG潜液泵级间轴衬内径磨损变化有关。由图7 b）可看出径流LNG潜液泵在30%高效点流量下，泵轴轨迹半径有所增加，但仍没偏离轴中心线，并且轨迹比轴流LNG潜液泵的泵轴轨迹小250%左右。

当轴流LNG潜液泵流量为高效点流量的30%时，泵轴的轨道开始变形，见图6 c）。此时轴流LNG泵轴主要依靠扩散器的轴衬维持泵轴的稳定，同时泵轴轴衬的磨损急剧增加，泵的轴承、轴衬等部件的寿命也相应降低。图7c）为径流LNG潜液泵泵轴在流量为0的极端条件下轨迹曲线，曲线显示表面轴轨迹不再是圆环，且无规律，但轨迹仍保持在泵轴中心线附近，径流LNG潜液泵轨迹比轴流LNG潜液泵轨迹小235%左右。

2.2 LNG潜液泵轴衬疲劳磨损测试分析

在完成以上各种测试后，分别对轴流LNG潜液泵和径流LNG潜液泵的轴衬疲劳磨损进行了定量测试。两种LNG潜液泵在小流量（30%BEP）情况下工作4 h，然后将泵拆开测试泵轴和轴衬间的间隙变化量，测试结果见表2、3。

表2可以看出在LNG潜液泵在小流量区域工作时轴衬磨损较大，并且1级轴衬磨损最大，3级轴衬磨损几乎为0。表3可以看出径向LNG潜液泵的各级轴衬磨损都很小，几乎检测不到。综上所述，径流LNG潜液泵在不同的工作条件下工况都相对稳定，运动部件磨损相对较小。

表2 轴流LNG潜液泵轴衬磨损测试表

表3 径流LNG潜液泵轴衬磨损测试表

3 结论

a）轴流LNG潜液泵在小流量下工作 （高效流量以下）时，泵工作在流量-压头特性曲线的不稳定区域，并且此时泵轴衬的磨损加剧，并随着轴级数的降低磨损急剧增大，导致LNG潜液泵寿命缩短，维修成本增加。

b）径流LNG潜液泵在各个工作流量下泵轴轨迹都相对稳定，同时泵特性曲线比较平滑，无不稳定区域。

c）LNG潜液泵的径向导叶和轴向导叶相比，径向导叶可增加潜液泵的稳定性，同时径向扩散器装置可以给泵轴提供额外的液压支架，减少级间轴衬对泵轴支撑依赖和轴衬的磨损。

d）测试结果表明，径流LNG潜液泵的级间轴衬、叶轮耐磨环以及泵轴在整个运行期间的磨损轻微，几乎检测不到。

e）LNG潜液泵的大修周期主要依据泵推力轴承、轴衬及泵轴的寿命。实验结果表明，径流LNG潜液泵的级间轴衬、叶轮耐磨环、扩散器耐磨环及泵轴的磨损较小，可延长大修周期，减少泵磨损部件的更换频率，减低泵的维修成本。

［1］Steve Rush，Kimmel E H.Magnetically Coupled Submerged Cryogenic Pumps and Expanders for Ammonia Applications［C］.Canada.AIChE“AmmoniaSafetySymposium”，2009.4-6.

［2］Coyle A D，Patel V，Houston，et al.Processes and Pump Servicesin the Lng Industry ［J］.Proceedingsof the Twenty-second InternationalPump UsersSymposium，2005.181-183.

［3］魏立新，刘 扬，赵洪激.油田地面管网系统站内泵的优选方法［J］.天然气与石油，2002，20（3）：8-9.

［4］Sitaram N，Lakshm inarayana B，Ravindranath A.Conventionalprobes for the Relative Flow Measurement in a Rotor Bladepassage ［J］.ASME Journal of Engineering for Power，1981，103（2）：406-414.

［5］梁 骞，厉彦忠，谭宏博，等.潜液式LN G泵的结构特点及其应用优势［J］.天然气工业，2008，28（2）：123-125.

［6］曾忠刚，温秀荷，索杏兰，等.叶轮切割技术在磁力离心泵中的应用［J］.天然气与石油，2011，29（6）：7-9.

［7］孙晓玲，刘忠明，张 燕.液化天然气潜液泵的研制［J］.低温工程，2010，174（2）：20-22.

［8］张德胜，李通通，施卫东，等.轴流泵叶轮出口轴面速度和环量的试验研究［J］.农业工程学报，2012，28（7）：73-74.

［9］孔繁余，蒋万明，王文廷，等.低温高速屏蔽泵汽蚀性能的流热耦合分析［J］.华中科技大学学报，2012，40（5）：24-26.

［10］Zierke W C，StrakaW A，Taylor PD.An Experimental Investigation of the Flow Through an Axial-Flow Pump ［J］.Journal of Fluids Engineering，1995，117：485-490.