浅析海上平台高压多级离心泵转子拆卸装置优化设计

刘朋远

（中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452）

0 引言

海上平台关键设备主要包含外输泵、注水泵等高压多级离心泵，是海洋石油正常生产运营的重要保障。平台多数设备服役时间较长，故障率逐年上升，返陆地维修的数量逐年增多。目前维修手段还比较传统，维修效率低下、维修质量不稳定，并且容易引发安全事故，因此采取措施降低维修维护成本，通过提高工作效率来缩短平台故障停机时间，对保证海上油田生产意义重大。

高压多级离心泵主要依靠电机带动转子高速旋转，在离心力作用下将液体介质输出，一旦高压多级离心泵故障，必须对转子进行拆卸检修[1]。

1 转子拆卸步骤介绍

高压多级离心泵转子由轴和叶轮组成，每台泵转子包含叶轮级数不同，通常维修高压多级离心泵包含六至十二级叶轮。以十二级叶轮为例，叶轮与泵轴为过渡配合，以中间轴套为分割点，泵轴左右两侧各六级叶轮，拆卸顺序为从转子左侧依次拆卸第一级、第二级、第三级、第四级、第五级、第六级叶轮，然后从转子右侧拆卸另外六级叶轮。

2 转子拆卸现状

目前转子拆卸主要采用氧气、乙炔加热的方法，利用热胀冷缩原理，对叶轮进行火焰加热，叶轮内孔受热膨胀后，与泵轴产生间隙，然后对叶轮进行拆卸。具体拆卸步骤如下：转子两端使用专用支架支撑，使用烤枪沿叶轮圆周方向加热，根据经验，待加热一定时间后，转子左右各一人使用铜棒快速敲击叶轮盖板，叶轮松动后，泵轴前方一人抬起转子，另一人将松动的叶轮沿转子抬起的方向拆卸，同时移动转子专用支架拆卸下一级叶轮，拆至中间位置后，从泵轴另一侧拆卸剩余叶轮。

此方法为目前维修过程中最常用的方法，较为传统，不足之处较多，主要如下：

（1）叶轮随火焰加热温度逐渐升高，氧气、乙炔加热速度慢，叶轮整体温升速度慢，叶轮加热过程中，泵轴升温膨胀，泵轴长度较长，在敲击受力及升温膨胀作用下，会发生变形弯曲，轴跳动量增大，并且随着温度不断升高，长时间高温将使轴内部结构发生变化，造成泵轴材质变化。

（2）随着叶轮持续加热，泵轴温度不断升高，泵轴直径在温度升高时变大，叶轮与泵轴由过渡配合变为过盈配合，会造成叶轮无法顺利拆卸的现象。此时只能暂停转子拆卸工作，等待泵轴冷却后再重复上述加热、拆卸叶轮的步骤。对于直径较小的泵轴，泵轴升温速度快，拆卸过程中暂停次数增多，反复暂停工作，造成了人工时的浪费，工作效率极低。而且泵轴经过反复受热—冷却—再受热的过程，使用寿命会受到严重影响。

（3）根据经验对叶轮沿圆周加热一定时间后，需要叶轮左右两人同时快速敲击叶轮，人员敲击力度不同，会造成叶轮左右两侧受力不均，叶轮歪斜偏向受力大的一侧，叶轮与轴不同心，无法从泵轴上拆卸。

（4）叶轮敲击时，应敲击叶轮筋板部位，防止叶轮变形，但在高温、快速敲击情况下，敲击位置容易出现偏差，当多次敲击到无筋板位置时，叶轮会发生严重变形，使流道变窄，叶轮无法继续使用。

（5）叶轮温度高，敲击、搬抬过程中容易烫伤作业人员手部。

（6）叶轮间距离较小，敲击过程中容易磕伤敲击人员手部。

另一种较为常用的转子拆卸方法为制作专用工装拆卸，工装由两根丝杠、两块钢板、一个液压千斤顶以及六角螺母组成，使用工装具体拆卸方法为：用专用支架支撑转子，将其中一块钢板与叶轮紧贴平行安装固定，通过丝杠上调整螺栓调整丝杠距离，使千斤顶一端顶住轴头，另一端紧贴钢板，紧固两端螺栓，确认无问题后，沿叶轮圆周进行加热，加热一定时间后，通过液压千斤顶加压拆卸叶轮。叶轮拆下后，调整两块钢板间距离，重复上述步骤继续拆卸下一级叶轮[2]。

相对于氧气、乙炔加热法拆卸叶轮，使用专用工装拆卸的方法有几方面优点，如不需要人员敲击叶轮，因此能够避免叶轮变形/损坏、人员烫伤/磕碰等现象，但此方法同样存在明显的缺陷，主要如下：

（1）为了防止加压过程中钢板变形，使用的钢板较厚，因此工装比较笨重，组装、拆卸过程烦琐；

（2）工装组装时必须保证两块钢板平行无偏斜，一旦钢板歪斜，便会出现叶轮歪斜而无法拆卸的现象；

（3）每拆下一级叶轮后，均需对丝杠的长度进行调整，需要对丝杠螺栓反复进行松、紧，工作效率极低。

3 转子拆卸分析

为了改变目前传统的转子拆卸方法，方便转子拆卸，需要研制一种新型转子拆卸装置，在保证拆卸质量的前提下，达到提高工作效率、节约劳动成本、快速完成拆卸任务的目的。

第一，改变转子拆卸方式，由一直沿用的水平拆卸方式改为垂直拆卸。将转子竖直立起，与地面呈90°夹角，叶轮与轴为过渡配合，当叶轮受热，内孔膨胀后，叶轮与轴变为间隙配合，叶轮在重力的作用下便可自行落下，即便过盈量稍大，经人员轻轻敲击也可使叶轮沿轴顺利下落。第二，改变转子加热方式，由传统的氧气、乙炔火焰加热方式改为采用中频电加热方式加热叶轮，同时对叶轮和轴进行实时智能温度检测，利用中频电加热方式加热叶轮，可使叶轮温度在几秒内迅速升高，在轴还未受热的情况下，叶轮已经掉落。第三，采用气动装置自动拆卸叶轮，当叶轮与轴之间充满杂质无法顺利下落时，气动装置动作，拆卸叶轮。

研制新型转子拆卸装置的技术难点在于叶轮的形状为圆形回转体，中间有叶片，转子长度较大（一般为3 m左右），用中频加热器加热叶轮，需要加热线圈为开式，同时需要大量的实验和研究才可以实现。

4 转子拆卸装置设计及介绍

新型转子拆卸装置研制目的：第一，能够在高压多级离心泵转子拆卸过程中避免泵轴和叶轮变形；第二，避免叶轮拆卸过程中出现歪斜而导致叶轮损坏、无法拆卸现象；第三，能够实现智能化拆卸，避免作业人员烫伤，降低人工成本，提高维修效率。为了达到以上目的，经过反复模拟，设计出新型高压多级离心泵转子拆卸装置，如图1所示。

图1 新型高压多级离心泵转子拆卸装置

主要部件作用：

（1）夹爪用于夹持或松开叶轮轴。

（2）夹紧气缸驱动夹爪夹紧或松开叶轮轴。

（3）转位调速电机驱动夹持间距调整丝杠转动，从而带动夹爪沿夹爪轨道上下移动；驱动转盘转动，带动夹爪轨道随转盘的转动而同步转动；驱动转盘升降，从而带动升降块沿架体升降。

（4）伺服电机与加热装置连接并驱动加热装置升降。

（5）驱动顶尖用于抵接并固定叶轮轴。

（6）驱动调速电机与驱动顶尖连接并驱动顶尖旋转，从而带动叶轮轴绕其自身轴线旋转。

（7）加热调速电机与摆臂连接并驱动摆臂旋转。

（8）高频感应头与摆臂连接，用于加热套设在叶轮轴上的叶轮。

（9）推出气缸与高频感应头连接并驱动高频感应头动作。

（10）滚珠丝杠贯穿加热装置基座，并与伺服电机连接。

（11）伺服电机驱动滚珠丝杠转动，从而带动加热装置基座沿着架体上下移动。

（12）夹爪旋转机构为升降块，升降块设置在架体上并沿架体在竖直方向上升降。

（13）夹爪升降机构为转盘，转盘嵌入设置在升降块中并能在升降块内旋转，其与夹爪轨道固定连接。

新型转子拆卸装置工作步骤如下：

转位调速电机驱动转盘在升降块内转动，带动夹爪轨道随转盘的转动而同步转动，当夹爪轨道转动至水平位置后，升降块沿架体下降至底部位置，将转子吊入新型转子拆卸装置内，根据转子整体长度及叶轮安装位置，调节两夹爪在夹爪轨道上的距离，并用左、右两个夹爪在夹紧气缸的作用下将转子夹持牢固。

转子夹持牢固后，升降块沿架体缓慢上升，上升至轨道中间位置，驱动电机驱动转盘转动，夹爪及夹爪轨道随转盘同步转动，转至竖直方向后，升降块沿架体向下移动，直至与驱动顶尖接触，驱动顶尖抵接并固定转子[3]。

转子竖直方向固定后，伺服电机驱动加热装置下降至最下方叶轮处，加热调速电机驱动摆臂旋转，使叶轮轴位于U型高频感应头中心，推出气缸动作，将U型高频感应头推出，位于叶轮进口或出口位置，对叶轮开始加热。

叶轮快速受热后，内孔膨胀，与泵轴由过渡配合变为间隙配合，在重力作用下，叶轮便可自由下落，落至底部胶垫上。第一级叶轮拆卸完成后，伺服电机驱动加热装置上升，至第二级叶轮进口或出口处，重复加热步骤，拆卸第二级叶轮。按照此拆卸方法，依次拆卸第三级叶轮、第四级叶轮等，直至拆至中间叶轮，即泵轴一侧叶轮全部拆卸完成。

转位调速电机动作，通过升、降、转，将转子旋转180°，泵轴另一侧顶尖孔与驱动顶尖抵接并固定，按拆卸第一级、第二级叶轮的步骤，依次拆卸泵轴另一侧叶轮。

新型转子拆卸装置与传统拆卸方式相比有如下优点：

（1）人员：采用新型转子拆卸装置，只需1人便可完成转子拆卸工作；传统拆卸方式至少需要4～5人才能完成拆卸工作。

（2）时间：采用新型转子拆卸装置，30 min内便可完成转子拆卸工作；传统拆卸方式顺利情况下至少需要1天时间，若出现叶轮歪斜、泵轴受热膨胀等情况，拆卸时间则无法确定。

（3）安全：新型转子拆卸装置液压缸自动拆卸叶轮，叶轮无变形、损坏现象；避免了因敲击力度不均，造成叶轮歪斜，无法从泵轴上拆卸的现象；无人员磕碰、烫伤现象。

（4）加热：新型转子拆卸装置能够使叶轮均匀受热，中频加热器加热温升速度快，叶轮能够迅速升至设定温度，避免泵轴同时受热膨胀，导致叶轮无法拆卸的现象，避免因泵轴温度高而暂停工作的现象，提高了工作效率。

综合以上几点，通过高频加热模块加热套设在叶轮轴上的叶轮，利用热胀冷缩原理，使叶轮膨胀，从而可以轻松地将叶轮从叶轮轴上卸下；并且加热装置和用于夹持叶轮轴的夹爪位置可调，便于对叶轮进行即时加热。新型转子拆卸装置实现了智能化维修，人工成本大幅降低，工作效率显著提高。

5 结论

新型转子拆卸装置已经连续使用3个月，节约了人工成本，提升了工作效率，完美弥补了传统拆卸方式的缺点。