潜水电泵正压补水装置在海上油田的应用

向波

（中海油（海南）新能源有限公司，海南 海口 570100）

潜水电机是为在水下使用而专门开发的一种电动机，它与电泵直接相联，并在水中运转。潜水电机为各种类型的潜水泵配套，与泵组构成一体，长期潜入各种水质中运行。海洋平台的海水提升泵和电动消防泵一般选用潜水电机，这类电机受泵护管的管径限制，电机的外径受到一定限制，所以采用细长的结构。海洋平台潜水电机一般采用耐水绝缘方式，电机内部充满着水，主要起到散热和润滑的作用。本文通过正压补水装置结合预防性和预测性维修策略，来改善潜水电机的绝缘故障，当潜水电机出现密封失效时，正压补水装置能持续提供软水至电机腔室内，使电机内部始终对外界的海水保持正压的状态，避免海水侵蚀电机内部转子和定子而损坏电机绝缘以及其他动部件。

1 应用背景概述

潜海水电泵在海洋石油平台装置应用广泛，是平台的关键设备，按海洋石油平台设备完整性管理要求，对设备采取预防性和预测性维修相结合的维修策略。

海上石油平台使用的电动消防泵，海水提升泵这类设备是常用且必备的消防设备之一，且故障类型比较集中，检修维保工作内容基本不变，主要针对电机维保，防海生物阳极消耗品的更换。其中电机维保出现的故障主要就是腐蚀导致绕组绝缘低的问题为主，致使启动后电机绕组烧坏而无法使用。提泵换电机也就变成是唯一的解决方式，但提泵检修，从陆地人员备件动员到出海维修更换，最快也要花费10 天的时间，大大消耗了人力物力成本，同时严重威胁了海上平台油气的安全生产。所以为了延缓甚至解决电机外壳被海水腐蚀穿孔，影响绕组绝缘，提出了这种装置设备，利用淡水补压阻隔海水介质保护潜海水电机。

对潜水电机增加正压补水装置，打破了海上平台海水提升泵，电动消防泵该类设备的常规结构，经过长时间的维保情况发现，加装潜海水电泵正压补水装置与不加装的对比，电机表面腐蚀情况及绕组绝缘明显好于不加装的潜海水泵电机，其连续工作时长超出常规电机的2.2 倍有余。同时，如果有一用一备的海水泵机组，切换机组时长也大大提高，避免频繁切换机组导致启动电流对电网的冲击影响，目前，该装置将普遍性的推广到新建设的油田平台，此装置投用将大大降低设备维保费及故障检修费的后期高成本投入，帮助海上油田更加安全地投入生产工作中。

2 改造方案应用

2.1 潜水电机概述

潜水电机是潜没在水中运转的电动机，电机与水泵通过筒式联轴器直联，电机轴上端设有可靠的轴封装置，能有效地防止电动机内的冷却水/液与所抽送的介质之间的交换，保证水泵长期安全可靠地运行。电动机绕组为尼龙护套聚乙烯耐水电磁线，导轴承采用水润滑轴承。电机下部设有能承受水泵上下轴向力的止推轴承。电机一般可分为充油式、充水式、干式、屏蔽式四种。

（1）充油式电机。潜水电机内部充满机械油，两端用滚动轴承支撑，上部采用硬质合金作为机械密封，它能在含泥砂较大场合使用，同时也可供倾斜、水平使用。

（2）充水式电机。分为普通型潜水电机和特种潜水电机其主要耐磨部位采用进口材质（导轴承、止推轴承等），它具有能承受高推力及高耐磨性等特点。

（3）干式潜水电动机。干式结构的电动机，内腔充满空气，与陆用电动机相似，结构简单。

（4）屏蔽式潜水电动机。电动机定子由非磁性不锈钢制作的薄壁屏蔽套、端环和机壳组成的密封室严密封闭，内充填固体填充物。其结构是在定子内侧设置了极薄的圆筒称为屏蔽套，为的是保护电机的电气部分，它与水的绝缘靠电机外壳和屏蔽套来定成，而耐热绝缘由在其内部充入的环氧树脂等绝缘材料承担，这种电机的电气部分与水不直接接触。在这一类型的电机中，一般使用普通的漆包线作为绕组线，而屏蔽套采用厚度较薄的奥式体不锈钢材料，以降低屏蔽套内的涡流损耗，由于屏蔽套的存在，这种电机气隙比其他类型的电机气隙要大，因此功率因数一般较低。

（5）充水式潜水电机的内部一般充以软化淡水，起到为电机散热以及给电机内轴承润滑的作用。被广泛用于深井提水，煤矿排水，一般上水管道，建筑设备内的抽水装置以及海洋平台消防供水系统中。这种电机的独特之处在于它的绝缘方法和轴承形式。

2.2 潜水电机常见的问题

目前海洋平台潜海水电泵的常见的运行方式为一用一备和两用一备的方式，维护方式为定期提泵检修。运行检修数据显示：潜海水泵电机的主要故障为止推轴承磨损、绝缘损坏，其中绝缘损坏较多。

对于提泵检修过程以及故障现象看，存在绝缘故障的电机又分为两种故障形式：内部绝缘措施不良导致绝缘击穿，内部均侵入了海水导致硅钢片腐蚀磨损绕组。

潜海水电泵作为海上平台的关键设备，其检修作业是一项常规作业，作业人员已能熟练、专业地处理潜海水电机的接线端子的绝缘处理。检修规程也有完善的详细要求和流程进行控制，做完绝缘处理后，应由电气班组负责人进行二次测量确认。所以，由电机内部接线处绝缘措施不良导致电机绝缘击穿的比例较小，大多是电机进海水导致的绝缘故障。从大量的潜海水电泵检修结果，也印证了这一结论。海上平台故障种类如表1 所示。

表1 海上平台故障种类

2.3 正压补水装置的工作原理及应用改造

补水水箱设置于高于海平面19m 的平台甲板面，通过软管与电机内部连通，根据不同平台潜水电机下潜深度的不同，在水箱内充装一定容量的水后，能使电机内部形成1 ～3bar 的压力。当电机轴承机封的密封失效时，补水系统、电机、电机外部海水随即连通，形成连通器。而补水系统高于海平面19m，对电机内产生的水压也高1.9bar，这个压力便可阻止海水进入电机内部。电机密封失效时，正压补水系统的存在将电机内部淡水与外部海水之间原本互流的状态，改变成内部淡水单方面外流的状态。操作者则可以在不提泵检修的前提下，通过往水箱内加水的简单操作来确保电机内部长时间保持淡水环境。

正压补水装置安装技术情况如下：（1）出厂前应进行水压耐压测试，试压压力不低于1MPa；（2）供水回水管线应使用316L 材质固定卡固定在扬水管上；（3）供水回水管线在穿过井口法兰，导流罩（如有）时应配备格兰保护；（4）支撑脚为碳钢材质，刷RAL7037 油漆。

2.4 方案改造步骤

（1）根据潜水电机使用环境水压和内部设计水压需求（潜水电机内部设计水压大于使用环境水压1Bar之3Bar 之间即可），选择压力相匹配的正压防水结构主体，确保水箱安装高度位置所形成的压力能可以满足潜水电机内部设计水压需求。同时，潜水电机内部的动密封、静密封等部件在耐压能力选择上，需确保能够在电机内部设计水压环境下正常使用；（2）通过螺栓连接或底座焊接方式使正压防水结构主体安装固定；（3）正压防水结构主体通过补水管线和放气管线与潜水电机本体分别连接；（4）潜水电机连同管线进行整体水压测试，试验压力为潜水电机内部设计水压的1.1 倍，确保系统保压15 分钟无压降；（5）潜水电机设备安装就位：潜水电机设备在水面上完成组装，然后缓慢入水。设备安装就位后，需确保补水管线和放气管线固定牢靠，且无外力挤压导致扭曲或变形；（6）往正压防水结构主体内灌水，潜水电机设备连续运行24 小时，观察液位计数值无明显变化确认正压补水装置正常投用。以表2 为潜水电机一般使用环境情况。

表2 潜水电机一般使用环境情况

该系统的正压补水结构主体连接有放气支管和补水支管，其放气阀门和补水阀门为常开状态，底部配置有泄放阀门，顶部配置有透气孔。该系统在运行过程中，会持续向潜水电机内部提供软水，保证其内部软水压力高于外界海水压力，从而避免海水侵入电机内部造成损坏。当正压补水水箱液位下降到低位时，会触发传感器发出报警信号，提示维护人员及时补充软水并进行潜水电泵的检修作业。同时，液位计可以帮助维护人员观察正压补水结构主体内部淡水的消耗量。这些设计都能有效减小潜水电机密封面的过压损坏的风险。

3 应用推广及效益情况

3.1 海上实际应用机组故障率情况

鉴于潜海水电泵机组在其他海上平台的应用及故障检修案例情况，某海上平台提出了采用上述正压补水装置，以提高潜水电机工作稳定性和可靠性的方案。通过长期的运行监测，海水电泵机组运行平稳，电流三项电流平衡，切换机组后测量电机绝缘数据良好，数据优于无正压补水装置的海水泵组。如表3 所示，某海上油田机组与该投用该装置的海上海水泵机组对比。

表3 某海上油田机组与海上海水泵机组对比

3.2 项目取得的客观经济效益

该装置的投用，不仅提高潜水电机可靠性和绝缘性能，还大大降低设备维修成本，减少因设备故障关停造成的经济损失。经过实际应用，对比其他平台无正压补水装置的维修记录和成本情况，每年故障率均0.5 次，其它人员维修成本节省约20 万元人民币，机组更换设备成本费用节约均45 万人民币；改造后做好正常的补水系统参数检测，保障设备的正常维保使用即可。

3.3 海水泵组正压补水装置投用情况

正压补水装置适用于海上所有的海水泵组系统，目前已在新投产的文昌13-2 油田投入使用，后续新平台建设中，将陆续投入使用，帮助海水泵电机在海水系统中得到良好保护，减少故障率，为油田的降本增效、创新创效提供突出贡献。

4 结语

本文主要介绍了海洋平台上潜水电泵常见故障之一，电机绝缘损坏的原因，以及通过应用正压补水装置的方案来解决这一问题。通过正压补水装置的持续补水，电机内部始终保持正压状态，避免海水侵蚀电机内部转子和定子而损坏电机绝缘以及其他动部件。同时，利用水箱液位下降趋势来预测维护时间，有效延缓电机内部零部件的腐蚀速率。实际应用结果表明，正压补水装置能够显著降低海洋平台潜水电泵的故障率，取得了良好的经济效益。因此，正压补水装置应用在海洋平台潜水电泵上具有广泛的推广和应用前景。