李東芳，高 華，高 鵬，馬邦勇，王亞瑩

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

某海上浮式生產(chǎn)儲卸油裝置（FPSO）上部工藝模塊配置有一套輕烴回收處理系統(tǒng)。輕烴回收處理系統(tǒng)中，液化石油氣（LPG）儲存外輸單元包括LPG儲罐、LPG外輸泵、LPG殘液回收壓縮橇、不合格LPG回收泵以及外輸滾筒等設(shè)備（圖1）。圖1中虛線框?yàn)槌汕练秶?/p>

圖1 LPG儲存外輸單元流程示圖

LPG泵是整個外輸單元的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行好壞直接影響LPG產(chǎn)品質(zhì)量及整船外輸?shù)恼＿\(yùn)營。LPG泵介質(zhì)為輕烴，具有易燃、易爆及泄漏危險性較高的特性。選型設(shè)計時，不僅要滿足LPG輸送的設(shè)計工況，而且要保證安全無泄漏。通過泵型的比選分析，選用屏蔽泵。

1 屏蔽泵結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 屏蔽泵的結(jié)構(gòu)及工作原理［1］

屏蔽泵內(nèi)部構(gòu)造見圖2。

圖2 屏蔽泵內(nèi)部構(gòu)造

屏蔽泵的泵頭與離心泵一樣，依靠葉輪的高速旋轉(zhuǎn)來輸送流體介質(zhì)。電機(jī)轉(zhuǎn)子和葉輪安裝在同一泵軸上，共同組成轉(zhuǎn)子部件。泵軸由2個滑動軸承支撐，由此，可省去聯(lián)軸器和軸承箱，取消了機(jī)械密封，承壓腔體由靜密封形式來密封。

屏蔽電機(jī)的定子繞組通過定子屏蔽套與轉(zhuǎn)子腔隔離，轉(zhuǎn)子繞組外面包裹著轉(zhuǎn)子屏蔽套。屏蔽泵在工作時，轉(zhuǎn)子部件完全浸沒在流體介質(zhì)中，泵送的一部分介質(zhì)會進(jìn)入電機(jī)端，起到冷卻電機(jī)和軸承的作用。有的屏蔽泵設(shè)計，還可以采用泵軸中心開通孔的方法對電機(jī)起到更好的冷卻作用。

1.2 屏蔽泵特點(diǎn)

屏蔽泵的特點(diǎn)主要是安全性高。與離心泵相比，屏蔽泵結(jié)構(gòu)無動密封，其電機(jī)外殼按泵殼壓力設(shè)計，定子屏蔽套是第一道安全殼體，電機(jī)殼體可以起到二次殼體的保護(hù)作用［2］。因此，屏蔽泵可實(shí)現(xiàn)完全零泄漏，特別適合輸送易燃、易爆物料，成功地解決流體輸送中的跑、冒、滴、漏的問題，避免對周圍環(huán)境的污染及由于易燃介質(zhì)泄漏帶來的安全隱患。

屏蔽泵的特點(diǎn)還有，①結(jié)構(gòu)緊湊，占地空間少。泵頭與電機(jī)同軸，是一個整體，同裝在一個密封腔中，省去聯(lián)軸器等連接部件。②無動密封結(jié)構(gòu)的附屬部件，易損件少，可靠性相對較高，日常維修工作量少，后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低。③可適應(yīng)輸送介質(zhì)汽蝕余量過低的工況［3］。

2 LPG屏蔽泵選型設(shè)計分析

2.1 工藝設(shè)計參數(shù)

以LPG回收泵為例進(jìn)行分析。LPG回收泵工藝設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 LPG回收泵工藝設(shè)計參數(shù)

2.2 設(shè)計選型要點(diǎn)

（1）泵型式選擇。此LPG回收泵流量較小，揚(yáng)程較高，黏度小于2×10-4Pa·s，可選用挑擔(dān)式屏蔽泵。

（2）泵殼體選擇。用設(shè)計提供的LPG回收泵參數(shù)征詢泵廠家技術(shù)方案，結(jié)合廠家方案選立式多級挑擔(dān)式屏蔽泵［4］，采用雙殼體設(shè)計。

（3）泵殼體最大設(shè)計壓力和溫度選擇。屏蔽泵選型設(shè)計的主要標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有API 685—2011、ISO 15783—2003《無密封旋轉(zhuǎn)動力泵》［5］以及ASME B73.3—2003《化學(xué)過程用非密封臥式端部吸力金屬離心泵》［6］。根據(jù)液LPG泵的使用工況及設(shè)計參數(shù)，選定API 685—2011作為主要參考標(biāo)準(zhǔn)，確定殼體的溫度和最大設(shè)計壓力條件為不低于 60 ℃、4 MPa（G）。

（4）泵體及主要部件材料選擇。主要考慮介質(zhì)溫度、壓力、耐腐蝕性和強(qiáng)度。泵體和葉輪材質(zhì)為 CF-3M（不銹鋼），泵軸為 316L，定子屏蔽套選為Hast.C，轉(zhuǎn)子屏蔽套為316L，滑動軸承為316L和碳化硅的混合型材料。

（5）避免泵汽蝕影響設(shè)計。為避免泵汽蝕的影響，該泵錯層布置于船體主甲板，危險等級為Class 1 Zone 1 Grade IIA。屏蔽電機(jī)的絕緣等級為H，防護(hù)等級為IP56，防爆等級Exd IIBT4。

（6）冷卻潤滑循環(huán)方案設(shè)計。LPG屏蔽泵由于介質(zhì)易汽化的特性，屏蔽泵內(nèi)產(chǎn)生的熱量應(yīng)及時被帶走，以免溫升導(dǎo)致介質(zhì)汽化帶來的汽蝕問題及軸承潤滑問題。因此，設(shè)計合理的冷卻潤滑循環(huán)設(shè)計方案是保證屏蔽泵安全運(yùn)行的關(guān)鍵［7］。本項(xiàng)目LPG屏蔽泵采用泵殼體上開排氣管口（圖3），將排氣管線接回到放空系統(tǒng)，這樣可將可能少量汽化的LPG氣體排放掉，以減少對泵運(yùn)轉(zhuǎn)帶來的不良影響。

圖3 立式多級泵示圖（臥式狀態(tài)）

（7）智能化狀態(tài)檢測設(shè)計。智能化狀態(tài)檢測裝置主要組成包括，①軸向位移監(jiān)控器。用于檢測軸承磨損和軸向位移。軸向位移監(jiān)控器加裝在泵的后端蓋上，根據(jù)電磁渦流原理取泵軸的軸向位移電壓信號，并將此信號放大送至微處理器進(jìn)行數(shù)字化運(yùn)算。②二次承壓泄漏檢測。采用壓力傳感器檢測承壓腔內(nèi)的壓力。③功率保護(hù)器。屏蔽泵在運(yùn)行時都需要利用工作液建立冷卻、潤滑循環(huán)系統(tǒng)，以保證內(nèi)部散熱及滑動軸承的正常工作，否則，電泵將會在很短時間內(nèi)損壞。選用JYB/W型電機(jī)保護(hù)器作為屏蔽泵的干轉(zhuǎn)監(jiān)控器，一旦出現(xiàn)斷液、汽蝕等異?，F(xiàn)象，可立即停車、報警。YB/W型電機(jī)保護(hù)器還具有缺相保護(hù)、過載保護(hù)等功能，防止由于機(jī)械過載和缺相引起的線圈過熱等問題，同時有電機(jī)轉(zhuǎn)向保護(hù)功能。

2.3 變頻水試問題

離心泵的電機(jī)功率與輸送介質(zhì)密度成正比。一般情況下，離心泵預(yù)期介質(zhì)的密度大于水的密度，出廠水壓試驗(yàn)可用工廠的其他大電機(jī)來替代項(xiàng)目電機(jī)完成試驗(yàn)。LPG密度比水密度小，進(jìn)行泵出廠性能水試測試時會存在所需電機(jī)功率比泵實(shí)際運(yùn)行所需功率大的問題。對此，可以參考API 685—2011第8.3.3節(jié)，選擇從50 Hz降頻到40 Hz（降低轉(zhuǎn)速）完成性能測試試驗(yàn)。

2.4 適應(yīng)性討論

2.4.1 特殊工況

國內(nèi)外石油化工領(lǐng)域和陸上項(xiàng)目中應(yīng)用屏蔽泵的案例較多［8-14］，但屏蔽泵在國內(nèi)FPSO項(xiàng)目的應(yīng)用卻是首次，應(yīng)充分考慮工況的特殊性。工況的特殊性主要源于浮式船體處于不斷的運(yùn)動狀態(tài)中這一事實(shí)，因此需要考慮船體晃動對泵使用性能的影響。影響主要體現(xiàn)在兩方面，①如果泵內(nèi)液腔液面不是完全充滿狀態(tài)，則需要考慮液面晃動對泵腔內(nèi)各部件散熱的影響，因而應(yīng)為屏蔽泵配置功率保護(hù)器狀態(tài)檢測裝置。②船體晃動產(chǎn)生的三向加速度會對設(shè)備機(jī)械強(qiáng)度產(chǎn)生影響。此處的三向加速度按照FPSO船體載荷分為壓載工況和滿載工況，而壓載工況和滿載工況又各自分為操作工況和極端工況，每種工況各包含x方向、y方向、z方向的加速度，其中z方向加速度含重力加速度，見表2。

表2 影響LPG屏蔽泵選型的FPSO船體三向加速度 m/s2

2.4.2 泵體結(jié)構(gòu)設(shè)計

船體晃動產(chǎn)生的三向加速度會對FPSO船上的LPG屏蔽泵提出多方面的的要求，從設(shè)計角度考慮，應(yīng)注意以下幾個方面，①從泵體內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖3）設(shè)計來講，立式安裝的屏蔽泵正常操作時，轉(zhuǎn)子浮在密封腔內(nèi)，相對臥式安裝，船體產(chǎn)生的晃動傾斜情況，軸的載荷更加均勻地分布在軸承上，或者更多地分布在平衡盤上。在潛艇應(yīng)用上做過相關(guān)的試驗(yàn)，只有當(dāng)加速度超過5g時，才會對泵的機(jī)械性能產(chǎn)生影響。②從泵體外部支撐結(jié)構(gòu)加強(qiáng)型式設(shè)計（圖4）來講，通過固定多級立式泵的上下端部，讓其在受到船體晃動時，能夠與船體成為一個相對穩(wěn)定的整體，從而避免泵體在豎直方向產(chǎn)生相對晃動，影響泵體的整體機(jī)械強(qiáng)度。③泵體外部等支撐結(jié)構(gòu)（如支撐框架橇底座）的機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計計算。計算工況有極端和操作工況，將船體極端運(yùn)動載荷作為設(shè)計輸入條件。④在屏蔽泵出廠試驗(yàn)過程中，要求廠家按照GB/T 10832—2008《船用離心泵、旋渦泵通用技術(shù)條件》［15］，對泵進(jìn)行靜傾斜試驗(yàn)。廠家搭建傾斜角為22.5℃的傾斜試驗(yàn)臺（圖5）。泵體固定于試驗(yàn)臺上進(jìn)行泵的性能試驗(yàn)，由此對屏蔽泵適應(yīng)船體晃動的性能進(jìn)行模擬試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖4 立式多級屏蔽泵外部支撐示圖

圖5 屏蔽泵出廠靜傾斜試驗(yàn)試驗(yàn)臺

3 LPG屏蔽泵工程應(yīng)用評估

3.1 現(xiàn)場運(yùn)行效果

目前，F(xiàn)PSO已經(jīng)完全投產(chǎn)運(yùn)行。FPSO項(xiàng)目LPG回收泵在現(xiàn)場運(yùn)行平穩(wěn)，流量及揚(yáng)程均滿足現(xiàn)場目前操作工況，無噪音超標(biāo)的問題。

3.2 推廣應(yīng)用

從目前的使用情況來看，在國內(nèi)FPSO上應(yīng)用立式多級屏蔽泵替代液壓隔膜泵或雙端面密封的離心泵，能有效避免LPG輸送存在的泄漏風(fēng)險，節(jié)省設(shè)備采辦成本、占地面積，達(dá)到降本增效的目的。此次LPG泵選型優(yōu)化的效果顯著，經(jīng)驗(yàn)值得推廣。

4 結(jié)語

近幾年，海上油氣田開發(fā)朝向深水領(lǐng)域的發(fā)展及國家對海上環(huán)保要求的提高，使得海上油氣處理設(shè)備向著高參數(shù)化方向，相關(guān)設(shè)備的使用工況變得更加嚴(yán)苛。屏蔽泵的無泄漏特點(diǎn)特別適合海上油氣開發(fā)的需要，極具技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。文中介紹的立式多級屏蔽泵在FPSO的使用，可為今后海上油氣開發(fā)項(xiàng)目（尤其浮式生產(chǎn)設(shè)施項(xiàng)目）提供設(shè)備選型應(yīng)用的參考依據(jù)，具有重要的推廣和指導(dǎo)意義。