LNG 船液货泵维修调试与液货系统运行分析

詹显正

（友联船厂（蛇口）有限公司，广东深圳 518054）

0 引言

液化天然气（LNG）是一种无色无味的液体，由天然气经过脱除酸气、水分、其他杂质和重金属后液化而成，其主要成分是甲烷、乙烷，少量的丙烷、丁烷和惰性气体（如氮气）。同等质量的天然气液化后的体积是其原来体积1/600 左右，由于其气液体积的巨大差异，液化天然气可以采用专用LNG 运输船（车）进行运输[1]。

在LNG 运输船装卸、运输中进行稳态保持的重要设备是LNG 液货舱里的液货泵。如果液货泵出现故障，将导致货舱失去工作能力，甚至引起液货剧烈蒸发，进而产生爆炸等风险。良好的运营、保养、监控是避免风险的关键。

1 液货舱液货泵分类和结构

液货泵按种类和功能可分为液货泵、喷淋泵、应急液货泵。液货泵用于装载/卸载液态LNG。在LNG 船运载货物航行中，喷淋泵将液态LNG 运输到液货舱顶部，并通过喷淋管向液货舱内喷淋液态LNG，达到降温、减少LNG 气化蒸发从而稳定LNG 状况的目的。应急泵用于应急排放部分LNG 以确保整个货舱安全的作用。

图1 和图2 分别为液货泵和喷淋泵的剖面结构。液货泵和喷淋泵的底部均有螺旋诱导叶轮，螺旋诱导叶轮将LNG 从泵底部吸入泵体，并沿轴方向螺旋流动，这一级与轴流泵结构、工作原理类似。接下来LNG 在第二级叶轮驱动下进行二次增压，分两路由下向上经泵体内腔输送，这一段与离心泵结构、工作原理类似。在泵的上方出口处，两路泵腔汇合，输出增压LNG。液货泵与喷淋泵不同之处在于：液货泵出口比喷淋泵出口直径大，液货泵出口有一定弧度，而喷淋泵出口竖直向上。

图1 液货泵结构

图2 喷淋泵结构

液货泵和喷淋泵的驱动电机均装在腔内部，驱动电机的外壁即为LNG 流动腔的内壁，这种结构设计保证了电机与-169 ℃的液态天然气相隔绝，进而可以正常工作，但电机的定子绕组外侧仍包有耐寒层以保护定子绕组。

液货泵电机的工作原理与三相鼠笼式异步电机相同，异步电机的转子与定子的三相绕组线圈来保证实现电能和机械能的转换。定子线圈安装在圆柱形型定子槽内，定子槽安装在电机外壁凹槽处。电机与泵共用1轴、2 轴承。在底部轴承外侧有一套推力平衡机构维持泵的稳定运行。为电机供电的电缆经接线箱引入液货泵电机定子绕组，因工作时电缆和接线箱均被LNG 浸没，故该接线箱与泵体管路及电缆应达到最高密封等级。

2 液货舱与液货泵进出舱程序

根据液货泵生产厂家的作业指导书，液货泵累计运行8000 h或者随船运营2～2.5 年时应进行拆检维修[2]。这样规定，既考虑到设备维护保养的需要，同时又能兼顾船东运营收益最大化。维护保养需要先进行复杂、耗时的清空货舱操作，这与船东的运营需要存在一定矛盾性。为了确保舱室和设备的安全、稳定，以及装、卸货效率，LNG 船舶在每次卸货时并不会将所有货舱里的液货全部清除，而是每舱保留10%～20%液货。又因世界各地不同天然气矿区产出的天然气成分不同，出于安全原因，船东在装货前必须考虑这一因素，故船东更倾向于相对固定运输某一固定矿区产的LNG，至少也要保证上一批LNG底货与新装货兼容。

鉴于前述原因，LNG 船舶在进入船厂进行维修液货泵前需进行排净液货舱货物、液货舱升温、液货舱气体置换、除气干燥等操作。早期LNG 船型货舱为304 波纹不锈钢，目前主流LNG货舱为殷瓦钢薄膜型货舱，因殷瓦钢遇到少量水汽即会产生锈蚀而报废，故应严格按照相关程序操作。

进舱程序：在锚地取得测爆证书后，船员操作从甲板惰性气体（IG）管路到液货舱的相关阀件，用除湿机通过IG 管向液货舱通风，然后打开液体穹顶道门进行通风；穹顶道门通风后应将与穹顶道门相通的下方液货舱顶部空舱通风测爆；液货舱顶部空舱通风后可以放下铝梯打开货舱盖子，打开盖子时应在盖子正面和螺栓上做标记，回装时需用扭力扳手按顺序打紧；打开盖子后需将盖子下方泡沫塞取出，然后取出货舱塞子；货舱盖、塞子取出后需放在干燥三合板上并用防雨布包好；然后吊运经过设计与穹顶道门相匹配并能够通过液货泵的穹顶房（Dome House）对液货舱进行密封，并在穹顶房周围搭建全密封防雨棚，至此开舱程序结束[3]。

在完成液货泵低俗运转试验及全部舱内工程后可以关闭液货舱，关闭时按照反向顺序操作。严格检查、控制人员进出，确保进入人员达到入舱标准。

3 液货泵与液货泵轴解体步骤及注意事项

起吊液货泵前应先将液货泵与其固定结构分开，并妥善保管连接螺栓；将液货泵接线盒与电缆拆除，然后使用合适葫芦、钢丝绳将液货泵起吊出舱；液货泵起吊出舱后应立即进行密封包装，避免受潮。液货泵的解体拆检应在恒温（20 ℃）无尘密闭车间内进行；车间应配备除湿机、空调等设备，且车间进入空气需进行过滤，除去空气中的杂质污染物。

在LNG 车间内即可开始液货泵拆检。拆检时，应将液货泵出口处向下放在干燥清洁的木板上，此时泵与正常使用时相反，为方便说明，按正常使用状态时的上下方向进行叙述。拆除分为液货泵拆解和液货泵转子轴承拆解。

3.1 液货泵拆解顺序

（1）将吸入滤器47A 与47B 固定的上部M8 螺丝拆除，然后移走滤器47，再将滤器47B 底部螺栓3 拆除后移走滤器47B。

（2）先后拆除卡环、诱导轮螺母、诱导轮。

（3）拆除M16 吸口盖螺丝后拆下吸口盖。

（4）取走叶轮下方环形键后将二级叶轮拆除。

（5）将液货泵外部框架和泵体相连接的M16 螺丝拆去，然后将液货泵外部框架和泵体外围的保护器取走。

（6）移开泵体，取走转子轴套。

（7）将转子下轴承架M16 螺栓拆除后，在液货泵转子靠近下轴承架端装配起吊螺栓，将液货泵转子及附属件吊出液货泵本体。

3.2 转子拆解顺序

（1）先拆除转子下方轴承盖螺丝再拆除对应轴承盖。判断理由：由液货泵装配图可知，液货泵底部有紧邻的1 个螺旋导向叶轮和离心叶轮，与轴右侧的2 个键孔相符。

（2）拆除转子下方框架端盖M10 螺栓和框架端盖。

（3）拆除转子下方轴承后再拆除与该轴承配合的轴承座。

（4）依次拆除转子上方卡环、环形套管螺栓、平衡套管、球轴承。至此，转子部分解体完毕。

3.3 液货泵剩余泵体解体方法

（1）拆除液货泵泄放端盖与外部泵体的连接螺栓，然后移走液货泵泄放端盖。

（2）先拆除上轴承位M12 螺栓，再拆除上轴承座。

（3）移除过滤原件垫片后拆除过滤原件。

所有液货泵拆除元件均应分类包装，避免遗失或损坏，并置于LNG 维修恒温无尘车间。当将泵倒转立起时，应将与泵连接的排放侧法兰和螺栓取下；移出泵轴转子时，应避免转子刮伤定子线圈绕组。从转子上移除轴承时应避免损伤或弯曲转轴。转子上的轴承架容易变形，应小心操作。

组装顺序与解体顺序相反。

3.4 注意事项

泵的轴承在运行8000 h 或经过2.5 年时间后应该换新，这与泵拆检时间相符，换新轴承时应用电磁感应将新轴承均匀加热至100 ℃以上再套装轴上。组装后应更换泵的全部滤器，并对运动部件用手轻轻摇动进行检验，看是否有卡死、振动、磨擦等异常，如有必须排除。

在完成组装后，检查泵体外侧螺栓是否已按规定进行打扭力并在每两个螺栓之间加装防低温脱落扭力不锈钢丝。电气方面应检查内部引出线在接线盒内接线相序与绝缘是否合格。完成组装后对泵进行测量的过程中应确保泵体垂直于地面。完成以上工作后方可进行初步调试。

4 液货泵检修项目

拆检时应测量液货泵口形环（螺旋片配合腔）、布司和平衡套筒之间的间隙，超过标准要求换新备件；如果这三者有明显划痕、磨损、裂纹，亦应换新备件。解体拆检后应使用专用清洁剂清洁拆检部件。

拆解的泵箱、吸口盖应检查其内外表面是否有明显缺陷、裂纹。螺旋诱导叶轮和离心叶轮应检查其与轴滑动接触面和与LNG 接触面是否有明显缺陷、裂纹。口形环、布司和平衡套筒应检查其内外表面是否有明显缺陷、裂纹。对于上下两侧泵体端盖，应检查其外表是否有缺陷或裂纹。检查泵轴时，应检查轴的刚度，弯曲、扭转、拉伸变形是否超差，轴表面是否有明显损坏。对于自净滤器，应检查其内外两侧是否出现裂痕、划伤、变形。转子铁芯和定子铁芯应分别检测它们的接触部分和非接触部分是否有裂纹、磨损。对在定子铁芯槽内的线圈绕组应测量其绝缘是否老化、损坏或夹杂非绝缘物资，检查其外表是否有磨损、烧蚀。对于滚珠轴承位套筒应检查其表面状况、与轴承配合间隙，并视情况修复或换新。滚珠轴承在每次拆检后均应换新。内外侧泵体和泵泄放处端盖应检查其内外表面是否有缺陷、裂纹等损坏。液货泵转子轴应进行动平衡试验，如果轴发生变形则应进行校轴处理，重点检查轴的台阶部位、与定子接触部位、键槽位等应力集中部位，发现问题应进行修复。

5 液货泵调试

液货泵产品在首次出厂前应进行如下实验：

（1）启动试验。

（2）流量表现试验。

（3）工作中推力轴承温升试验。

（4）NPSH 试验。

（5）长期运行试验和长期运行中电机绕组温升试验。

（6）螺旋试验。

维修保养后的液货泵应参照出厂时的试验项目进行试验，在维修理因货舱为空舱以及修理船厂条件限制，一般进行（1）（3）（5）项试验，不可用普通液体，如水，代替液货泵试验专用液体。

泵完成组装并吊回货舱安装后，应进行低电压启动调试，启动电压从0 V 开始增加到泵开始转动，记录启动电压和启动电流，并检验转动方向是否正确，确认转动方向正确后即可断电。接下来高速常温下运行较长时间，此时液货舱仍为空舱。在船舶维修期间，货舱内未解体修理的泵如经手工操作，能正常转动则无需试验，否则应进行空载低速、高速试验。前述试验启动电压标准最小值为26 V，13 A，若启动试验数据小于标准值，应查找原因并进行处理。

进行试验项目（2）（4）（6）时，需要使用液态氮气作为试验流体，并将液货泵浸入一个装有足够液态氮的有进出口的罐舱内进行。

试验项目（4）为泵所需的汽蚀余量测量试验，测试条件为流速67 m3/h、200 m3/h、333 m3/h、400 m3/h，泵所需的汽蚀余量应显示为从诱导轮叶片入口端到测量水平的垂直距离。

图3 冷却液货管路流向

图4 液货舱卸货管路流向

试验项目（6）为在泵以排放流量333 m3/h 连续工作15 min的过程中，测量排放流速与排出液体温度、排放压力、吸口压力和温度、马达输入功率、马达电压电流以及实际工作频率、流量计处流体温度。

6 LNG 液货舱装、卸货流程

LNG 船液货舱装、卸货步骤如下：

（1）货舱通干燥空气。

（2）货舱通入CO2。

（3）吹扫甲烷。

（4）通入液态和气态甲烷冷却货舱。

（5）装载LNG。

（6）运输中处理蒸发气化甲烷，部分用作燃料，部分冷却再液化。

（7）到达目的地完成90%卸货。

（8）抽干货舱剩余液货。

（9）分两次加热货舱通风。

（10）充入CO2完成货舱关闭。

至此完成货舱的一次作业循环。

选择其中冷却液货和卸货2 个步骤进行说明。如图3 所示，先由LNG 货源向货舱内喷淋管输入液态LNG 进行冷却（图中浅色箭头），冷却过程中产生的蒸汽经船舶压缩机管路压缩后循环回岸上（图中深色箭头）。装载中气态液态甲烷流向与图4 卸货方向相反，图4 中浅色箭头代表液态LNG，深色代表气态LNG。限于篇幅，其他步骤液态、气态货物管路走向不再列举。