向波

（中海油（海南）新能源有限公司，海南 ?？?570100）

潛水電機(jī)是為在水下使用而專門開發(fā)的一種電動(dòng)機(jī)，它與電泵直接相聯(lián)，并在水中運(yùn)轉(zhuǎn)。潛水電機(jī)為各種類型的潛水泵配套，與泵組構(gòu)成一體，長期潛入各種水質(zhì)中運(yùn)行。海洋平臺(tái)的海水提升泵和電動(dòng)消防泵一般選用潛水電機(jī)，這類電機(jī)受泵護(hù)管的管徑限制，電機(jī)的外徑受到一定限制，所以采用細(xì)長的結(jié)構(gòu)。海洋平臺(tái)潛水電機(jī)一般采用耐水絕緣方式，電機(jī)內(nèi)部充滿著水，主要起到散熱和潤滑的作用。本文通過正壓補(bǔ)水裝置結(jié)合預(yù)防性和預(yù)測性維修策略，來改善潛水電機(jī)的絕緣故障，當(dāng)潛水電機(jī)出現(xiàn)密封失效時(shí)，正壓補(bǔ)水裝置能持續(xù)提供軟水至電機(jī)腔室內(nèi)，使電機(jī)內(nèi)部始終對外界的海水保持正壓的狀態(tài)，避免海水侵蝕電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子和定子而損壞電機(jī)絕緣以及其他動(dòng)部件。

1 應(yīng)用背景概述

潛海水電泵在海洋石油平臺(tái)裝置應(yīng)用廣泛，是平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備，按海洋石油平臺(tái)設(shè)備完整性管理要求，對設(shè)備采取預(yù)防性和預(yù)測性維修相結(jié)合的維修策略。

海上石油平臺(tái)使用的電動(dòng)消防泵，海水提升泵這類設(shè)備是常用且必備的消防設(shè)備之一，且故障類型比較集中，檢修維保工作內(nèi)容基本不變，主要針對電機(jī)維保，防海生物陽極消耗品的更換。其中電機(jī)維保出現(xiàn)的故障主要就是腐蝕導(dǎo)致繞組絕緣低的問題為主，致使啟動(dòng)后電機(jī)繞組燒壞而無法使用。提泵換電機(jī)也就變成是唯一的解決方式，但提泵檢修，從陸地人員備件動(dòng)員到出海維修更換，最快也要花費(fèi)10 天的時(shí)間，大大消耗了人力物力成本，同時(shí)嚴(yán)重威脅了海上平臺(tái)油氣的安全生產(chǎn)。所以為了延緩甚至解決電機(jī)外殼被海水腐蝕穿孔，影響繞組絕緣，提出了這種裝置設(shè)備，利用淡水補(bǔ)壓阻隔海水介質(zhì)保護(hù)潛海水電機(jī)。

對潛水電機(jī)增加正壓補(bǔ)水裝置，打破了海上平臺(tái)海水提升泵，電動(dòng)消防泵該類設(shè)備的常規(guī)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過長時(shí)間的維保情況發(fā)現(xiàn)，加裝潛海水電泵正壓補(bǔ)水裝置與不加裝的對比，電機(jī)表面腐蝕情況及繞組絕緣明顯好于不加裝的潛海水泵電機(jī)，其連續(xù)工作時(shí)長超出常規(guī)電機(jī)的2.2 倍有余。同時(shí)，如果有一用一備的海水泵機(jī)組，切換機(jī)組時(shí)長也大大提高，避免頻繁切換機(jī)組導(dǎo)致啟動(dòng)電流對電網(wǎng)的沖擊影響，目前，該裝置將普遍性的推廣到新建設(shè)的油田平臺(tái)，此裝置投用將大大降低設(shè)備維保費(fèi)及故障檢修費(fèi)的后期高成本投入，幫助海上油田更加安全地投入生產(chǎn)工作中。

2 改造方案應(yīng)用

2.1 潛水電機(jī)概述

潛水電機(jī)是潛沒在水中運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)，電機(jī)與水泵通過筒式聯(lián)軸器直聯(lián)，電機(jī)軸上端設(shè)有可靠的軸封裝置，能有效地防止電動(dòng)機(jī)內(nèi)的冷卻水/液與所抽送的介質(zhì)之間的交換，保證水泵長期安全可靠地運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)繞組為尼龍護(hù)套聚乙烯耐水電磁線，導(dǎo)軸承采用水潤滑軸承。電機(jī)下部設(shè)有能承受水泵上下軸向力的止推軸承。電機(jī)一般可分為充油式、充水式、干式、屏蔽式四種。

（1）充油式電機(jī)。潛水電機(jī)內(nèi)部充滿機(jī)械油，兩端用滾動(dòng)軸承支撐，上部采用硬質(zhì)合金作為機(jī)械密封，它能在含泥砂較大場合使用，同時(shí)也可供傾斜、水平使用。

（2）充水式電機(jī)。分為普通型潛水電機(jī)和特種潛水電機(jī)其主要耐磨部位采用進(jìn)口材質(zhì)（導(dǎo)軸承、止推軸承等），它具有能承受高推力及高耐磨性等特點(diǎn)。

（3）干式潛水電動(dòng)機(jī)。干式結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)，內(nèi)腔充滿空氣，與陸用電動(dòng)機(jī)相似，結(jié)構(gòu)簡單。

（4）屏蔽式潛水電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)定子由非磁性不銹鋼制作的薄壁屏蔽套、端環(huán)和機(jī)殼組成的密封室嚴(yán)密封閉，內(nèi)充填固體填充物。其結(jié)構(gòu)是在定子內(nèi)側(cè)設(shè)置了極薄的圓筒稱為屏蔽套，為的是保護(hù)電機(jī)的電氣部分，它與水的絕緣靠電機(jī)外殼和屏蔽套來定成，而耐熱絕緣由在其內(nèi)部充入的環(huán)氧樹脂等絕緣材料承擔(dān)，這種電機(jī)的電氣部分與水不直接接觸。在這一類型的電機(jī)中，一般使用普通的漆包線作為繞組線，而屏蔽套采用厚度較薄的奧式體不銹鋼材料，以降低屏蔽套內(nèi)的渦流損耗，由于屏蔽套的存在，這種電機(jī)氣隙比其他類型的電機(jī)氣隙要大，因此功率因數(shù)一般較低。

（5）充水式潛水電機(jī)的內(nèi)部一般充以軟化淡水，起到為電機(jī)散熱以及給電機(jī)內(nèi)軸承潤滑的作用。被廣泛用于深井提水，煤礦排水，一般上水管道，建筑設(shè)備內(nèi)的抽水裝置以及海洋平臺(tái)消防供水系統(tǒng)中。這種電機(jī)的獨(dú)特之處在于它的絕緣方法和軸承形式。

2.2 潛水電機(jī)常見的問題

目前海洋平臺(tái)潛海水電泵的常見的運(yùn)行方式為一用一備和兩用一備的方式，維護(hù)方式為定期提泵檢修。運(yùn)行檢修數(shù)據(jù)顯示：潛海水泵電機(jī)的主要故障為止推軸承磨損、絕緣損壞，其中絕緣損壞較多。

對于提泵檢修過程以及故障現(xiàn)象看，存在絕緣故障的電機(jī)又分為兩種故障形式：內(nèi)部絕緣措施不良導(dǎo)致絕緣擊穿，內(nèi)部均侵入了海水導(dǎo)致硅鋼片腐蝕磨損繞組。

潛海水電泵作為海上平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備，其檢修作業(yè)是一項(xiàng)常規(guī)作業(yè)，作業(yè)人員已能熟練、專業(yè)地處理潛海水電機(jī)的接線端子的絕緣處理。檢修規(guī)程也有完善的詳細(xì)要求和流程進(jìn)行控制，做完絕緣處理后，應(yīng)由電氣班組負(fù)責(zé)人進(jìn)行二次測量確認(rèn)。所以，由電機(jī)內(nèi)部接線處絕緣措施不良導(dǎo)致電機(jī)絕緣擊穿的比例較小，大多是電機(jī)進(jìn)海水導(dǎo)致的絕緣故障。從大量的潛海水電泵檢修結(jié)果，也印證了這一結(jié)論。海上平臺(tái)故障種類如表1 所示。

表1 海上平臺(tái)故障種類

2.3 正壓補(bǔ)水裝置的工作原理及應(yīng)用改造

補(bǔ)水水箱設(shè)置于高于海平面19m 的平臺(tái)甲板面，通過軟管與電機(jī)內(nèi)部連通，根據(jù)不同平臺(tái)潛水電機(jī)下潛深度的不同，在水箱內(nèi)充裝一定容量的水后，能使電機(jī)內(nèi)部形成1 ～3bar 的壓力。當(dāng)電機(jī)軸承機(jī)封的密封失效時(shí)，補(bǔ)水系統(tǒng)、電機(jī)、電機(jī)外部海水隨即連通，形成連通器。而補(bǔ)水系統(tǒng)高于海平面19m，對電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的水壓也高1.9bar，這個(gè)壓力便可阻止海水進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部。電機(jī)密封失效時(shí)，正壓補(bǔ)水系統(tǒng)的存在將電機(jī)內(nèi)部淡水與外部海水之間原本互流的狀態(tài)，改變成內(nèi)部淡水單方面外流的狀態(tài)。操作者則可以在不提泵檢修的前提下，通過往水箱內(nèi)加水的簡單操作來確保電機(jī)內(nèi)部長時(shí)間保持淡水環(huán)境。

正壓補(bǔ)水裝置安裝技術(shù)情況如下：（1）出廠前應(yīng)進(jìn)行水壓耐壓測試，試壓壓力不低于1MPa；（2）供水回水管線應(yīng)使用316L 材質(zhì)固定卡固定在揚(yáng)水管上；（3）供水回水管線在穿過井口法蘭，導(dǎo)流罩（如有）時(shí)應(yīng)配備格蘭保護(hù)；（4）支撐腳為碳鋼材質(zhì)，刷RAL7037 油漆。

2.4 方案改造步驟

（1）根據(jù)潛水電機(jī)使用環(huán)境水壓和內(nèi)部設(shè)計(jì)水壓需求（潛水電機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)水壓大于使用環(huán)境水壓1Bar之3Bar 之間即可），選擇壓力相匹配的正壓防水結(jié)構(gòu)主體，確保水箱安裝高度位置所形成的壓力能可以滿足潛水電機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)水壓需求。同時(shí)，潛水電機(jī)內(nèi)部的動(dòng)密封、靜密封等部件在耐壓能力選擇上，需確保能夠在電機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)水壓環(huán)境下正常使用；（2）通過螺栓連接或底座焊接方式使正壓防水結(jié)構(gòu)主體安裝固定；（3）正壓防水結(jié)構(gòu)主體通過補(bǔ)水管線和放氣管線與潛水電機(jī)本體分別連接；（4）潛水電機(jī)連同管線進(jìn)行整體水壓測試，試驗(yàn)壓力為潛水電機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)水壓的1.1 倍，確保系統(tǒng)保壓15 分鐘無壓降；（5）潛水電機(jī)設(shè)備安裝就位：潛水電機(jī)設(shè)備在水面上完成組裝，然后緩慢入水。設(shè)備安裝就位后，需確保補(bǔ)水管線和放氣管線固定牢靠，且無外力擠壓導(dǎo)致扭曲或變形；（6）往正壓防水結(jié)構(gòu)主體內(nèi)灌水，潛水電機(jī)設(shè)備連續(xù)運(yùn)行24 小時(shí)，觀察液位計(jì)數(shù)值無明顯變化確認(rèn)正壓補(bǔ)水裝置正常投用。以表2 為潛水電機(jī)一般使用環(huán)境情況。

表2 潛水電機(jī)一般使用環(huán)境情況

該系統(tǒng)的正壓補(bǔ)水結(jié)構(gòu)主體連接有放氣支管和補(bǔ)水支管，其放氣閥門和補(bǔ)水閥門為常開狀態(tài)，底部配置有泄放閥門，頂部配置有透氣孔。該系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，會(huì)持續(xù)向潛水電機(jī)內(nèi)部提供軟水，保證其內(nèi)部軟水壓力高于外界海水壓力，從而避免海水侵入電機(jī)內(nèi)部造成損壞。當(dāng)正壓補(bǔ)水水箱液位下降到低位時(shí)，會(huì)觸發(fā)傳感器發(fā)出報(bào)警信號，提示維護(hù)人員及時(shí)補(bǔ)充軟水并進(jìn)行潛水電泵的檢修作業(yè)。同時(shí)，液位計(jì)可以幫助維護(hù)人員觀察正壓補(bǔ)水結(jié)構(gòu)主體內(nèi)部淡水的消耗量。這些設(shè)計(jì)都能有效減小潛水電機(jī)密封面的過壓損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

3 應(yīng)用推廣及效益情況

3.1 海上實(shí)際應(yīng)用機(jī)組故障率情況

鑒于潛海水電泵機(jī)組在其他海上平臺(tái)的應(yīng)用及故障檢修案例情況，某海上平臺(tái)提出了采用上述正壓補(bǔ)水裝置，以提高潛水電機(jī)工作穩(wěn)定性和可靠性的方案。通過長期的運(yùn)行監(jiān)測，海水電泵機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，電流三項(xiàng)電流平衡，切換機(jī)組后測量電機(jī)絕緣數(shù)據(jù)良好，數(shù)據(jù)優(yōu)于無正壓補(bǔ)水裝置的海水泵組。如表3 所示，某海上油田機(jī)組與該投用該裝置的海上海水泵機(jī)組對比。

表3 某海上油田機(jī)組與海上海水泵機(jī)組對比

3.2 項(xiàng)目取得的客觀經(jīng)濟(jì)效益

該裝置的投用，不僅提高潛水電機(jī)可靠性和絕緣性能，還大大降低設(shè)備維修成本，減少因設(shè)備故障關(guān)停造成的經(jīng)濟(jì)損失。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，對比其他平臺(tái)無正壓補(bǔ)水裝置的維修記錄和成本情況，每年故障率均0.5 次，其它人員維修成本節(jié)省約20 萬元人民幣，機(jī)組更換設(shè)備成本費(fèi)用節(jié)約均45 萬人民幣；改造后做好正常的補(bǔ)水系統(tǒng)參數(shù)檢測，保障設(shè)備的正常維保使用即可。

3.3 海水泵組正壓補(bǔ)水裝置投用情況

正壓補(bǔ)水裝置適用于海上所有的海水泵組系統(tǒng)，目前已在新投產(chǎn)的文昌13-2 油田投入使用，后續(xù)新平臺(tái)建設(shè)中，將陸續(xù)投入使用，幫助海水泵電機(jī)在海水系統(tǒng)中得到良好保護(hù)，減少故障率，為油田的降本增效、創(chuàng)新創(chuàng)效提供突出貢獻(xiàn)。

4 結(jié)語

本文主要介紹了海洋平臺(tái)上潛水電泵常見故障之一，電機(jī)絕緣損壞的原因，以及通過應(yīng)用正壓補(bǔ)水裝置的方案來解決這一問題。通過正壓補(bǔ)水裝置的持續(xù)補(bǔ)水，電機(jī)內(nèi)部始終保持正壓狀態(tài)，避免海水侵蝕電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子和定子而損壞電機(jī)絕緣以及其他動(dòng)部件。同時(shí)，利用水箱液位下降趨勢來預(yù)測維護(hù)時(shí)間，有效延緩電機(jī)內(nèi)部零部件的腐蝕速率。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，正壓補(bǔ)水裝置能夠顯著降低海洋平臺(tái)潛水電泵的故障率，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，正壓補(bǔ)水裝置應(yīng)用在海洋平臺(tái)潛水電泵上具有廣泛的推廣和應(yīng)用前景。