海上平台注水增压泵高速振动原因分析及减振改造

陈铂川，徐 林

(中海石油(中国)有限公司秦皇岛32-6作业公司 天津300453)

0 引 言

海上油气生产平台工艺流程复杂，设备繁多，都布局在平台甲板上。受限于海上特殊环境，一般针对海上平台泵类设备振动高的故障，主要采用以下3种方法进行处理：对中调整；基座甲板加强；设备大修检查。第1种方法简单方便，但往往不能够解决根本性问题；第2和第3种方法，耗费成本费用较多，施工过程复杂。鉴于这种情况，考虑将设备与甲板由基座硬连接改为软连接，借此缓冲振动，以到达减轻注水增压泵高速振动的目的。

1 机组概况

4#注水增压泵是海上油气生产平台的关键设备，一般为电压等级380V低压电机驱动的单级离心泵，刚性底座，18mm钢甲板承载，作用是为地层高压注水泵(出口压力10MPa)提供低压水(出口压力1.8MPa)，全天候24h运行，以保证海上油气生产平台注水流程的稳定。该机组主要技术参数如下。

①泵型号规格：KCC150X100-450(四川日机CM1B-085-E070-BOVGF机械密封；无锡创明TD6-470-75x140/60x100x200联轴器)；扬程184m；额定流量300m3/h；入口压力40kPaG；操作压力1800kPaG；设计压力5000kPaG；轴中心高425mm。

②电机型号规格：YX3355L1-2H/2975rpm/280kW/380V/50-HZIP56，F级(佳木斯船用电机；带空间加热器，滚动轴承)。

2 故障现象及检测结果

自2014年安装投用以来，经现场监测，其电机、离心泵的振动速度一直处于较高的状态(机组振动速度大于10mm/s)，同时检测到整个机组撬块振动速度也偏高。整个机组撬块的高速振动，导致电机和离心泵的轴承磨损加剧，平均半年时间就必须分别更换电机驱动端与非驱动端轴承(其轴承型号：驱动端为滚动轴承NU317C3NSK，非驱动端为滚动轴承6317-2ZGB/T 276)。如此既增加了现场备件成本，还需耗费大量的维修工时，同时影响油气生产流程的稳定运行。

振动值检测位置示意图如图1，检测结果如表1。

图1 离心泵机组振动值监测位置示意图Fig.1 Schematic diagram of vibration monitoring position of centrifugal pump unit

表1 离心泵机组振动检测值Tab.1 Vibration detection value of centrifugal pump unit

此离心泵轴中心高300mm，运行功率280kW，挠性联轴节，其振动值最大达到11.1mm/s，依据ISO 10816—3《振动监测的评估标准》，4#注水增压泵振动值偏高，为不合格。

读取4#注水增压泵的振动频谱如图2所示。

总体可以看出，机组速度总值较高，水平方向振动明显，频谱中以工频为主，时域近似正弦波形。由此判断机组对中不良，导致高振动。

3 原因分析及改造效果

3.1 原因分析

造成离心泵对中不良的原因一般是安装误差、管道应变影响(由于流程不稳导致管线应力变形)、基础不牢产生共振等。为了排除对中不良的影响，海上油气生产平台现场通常采用以下几种方法：调整泵和电机的对中值，减小装配误差；调节介质流量使泵在性能曲线上的最佳工作范围；减弱承载甲板振动对机组运行的影响。

图2 离心泵机组振动频谱Fig.2 Vibration spectrum of centrifugal pump unit

3.2 解决办法

3.2.1 对中校准

使用SKF TKSA 40型号激光对中仪对4#注水增压泵进行对中校准，校准后泵与电机的对中值如下：联轴器形式为膜片式，径向偏差0.03mm，端面偏差0.01mm，符合海上平台离心泵对中要求。

3.2.2 工况调整

对于4#注水增压泵的工况进行调整，生产现场通过工艺流程调节，使泵进口压力为50kPa，同时清洁进口过滤器，使过滤器前后压差基本为0kPa，有效防止泵气蚀；另外，全开泵的出口阀门，使出口压力稳定在1800～1840kPa，出口流量为290～300m/h，参考KCC150X100-450型号离心泵性能曲线(图3)，可以得出4#注水站增压泵基本处于高效率运行工况，运行状态良好。

3.2.3 机组减振

针对承载甲板振动对泵的影响，考虑选用合适的弹簧减振器来支撑机组撬块底座，理论预计整个机组的振动速度降幅达95%，结合该目标对弹簧减振器进行优选，并运用现有机组参数进行验证，振动降幅可达95%以上，即弹簧减振器符合现场要求。根据弹簧减振器选型规范，设备总质量大于1t，应选6个以上的弹簧减振器，同时考虑到改造成本，故首先考虑加装6个弹簧减振器，并选择双弹簧型式，以增加设备稳定性。

4#注水增压泵转速：2975r/min，机组运行质量3300kg，考虑1.3倍设备扰力体系计算总质量为

3300kg×1.3＝4329kg。1台设备选用6只弹簧减振器：4329/6＝721.5kg/只(即单只载荷)，由此选用低频阻尼弹簧钢减振器JA-2-700(弹簧刚度为145N/mm，弹簧质量为0.78kg)。

设备干扰频率f＝2980/60＝49.6Hz

减振器固有频率f0：

图3 工况调整后离心泵性能曲线Fig.3 Performance curve of centrifugal pump after adjustment of working condition

式中，k为弹簧刚度，m为弹簧质量。

隔振效率TR：

减振效率：

所以，选用的JA-2-700减振器，减振效果可达95%以上，符合现场减振要求。

现场通过施工改造，在泵撬底部安装6 个JA-2-700型低频阻尼双弹簧减振器，如图4。

图4 弹簧减振器安装示意图Fig.4 Schematic diagram of spring shock absorber installation

3.3 改造效果

改造后的4#注水增压泵由原先的刚性连接底座变为弹性连接，投入运行后，整个泵撬机组的振动值明显降低，改造前后在相同工况条件下，对泵橇做了数据采集，通过对比几个典型测量点的振动数据，如表2所示。

表2 改造前后机组振动速度Tab.2 Vibration Speed of Unit before and after Revamping

改造前的测试数据水平方向振动普遍偏高，垂直方向偏高，改造后振动速度整体下降，基本达到预计的降幅50%水平，尤其是原振动峰值较高的点位，降幅达到80%以上，而且改造后各点位振动值整体比较平均，处于一个较低水平，运行状态良好。

3.4 获得效益

通过此次改造，彻底解决了4#注水增压泵振动速度高的问题，机组改造完成后已连续运行超过3000h，运行振动速度值依旧维持在较低水平，最大不超过4mm/s。排除了机组因为高振动故障停机给平台注水流程造成的影响，同时节约了更换轴承等备件费用及现场检修耗费的人工时，改造成果显著。

4 结 论

通过振动检测，对频谱图进行分析，为确定注水增压泵高振动的原因提供了分析方向和理论依据。为避免泵撬和甲板产生共振，应针对设备自身结构特点，根据方便、实效的原则确定改造方案。在海上油气生产平台，由甲板承载的动设备、底座采用弹性连接比刚性连接能达到更好的减振效果。