LNG 高压泵自停故障分析及其解决建议

王庆军 崔 均 张 迎 赖亚标 王世超

（1.中石油大连液化天然气有限公司；2.中海福建天然气有限责任公司；3.中石化青岛液化天然气有限公司）

LNG 作为清洁能源其中的一种， 已经被广泛应用［1～3］，中国也正在成为世界天然气第二大进口国， 进口渠道之一是将天然气海运到LNG接收站，再使用高压泵升压、气化继而输送到远端用户［4～6］。 高压泵是LNG 接收站的关键设备，其工作温度为-160.5℃， 运行工况相对较苛刻。目前， 国内LNG 接收站在役的高压泵主要来源为国外进口， 供货厂家为Ebara、Nikkiso 和JC Carter。为了打破技术壁垒和垄断，国内已有泵厂产品通过鉴定并在试用， 还有数个工厂正在研制和试制中［7］。

高压泵因其特殊的运行工况，无法采用常规手段监测泵的运行状态，只能依靠安装在泵体出口锥段处的低温振动探头进行监测，但在此监测条件下分析泵的故障，是一大难点。 为此，笔者试图通过对高压泵结构、设计参数、流程的分析讨论高压泵运行中自停、中间轴承和平衡盘严重损坏的原因，寻找当前存在的不足和设备现有条件下的最优运行、维护和检修的模式，尽可能地延长高压泵的使用寿命。

1 基本情况

某LNG 接收站并联安装7 台高压泵（图1），常规运行的数量为1～4 台，余下的为备用，各泵在不同流量下的运行时间见表1。

图1 7 台高压泵工艺流程示意图

表1 高压泵不同流量下的运行时间

P-1401A 高压泵在运行中发生了自停， 至此之前该设备已安全平稳运行了共计12 678h。 P-1401A 高压泵性能参数为：

入口压力 0.8MPa

入口饱和蒸汽压差 0.1MPa

设计流量 435m3/h

最小流量 166m3/h

扬程 2 342m

轴功率 1 764.2kW

额定功率 2 096kW

效率 73.1%

额定电流 242.5A

启动电流 1 506A

汽蚀余量 1.74m

电压 6 000V

2 故障期间运行状况

从2011 年12 月投产运行后，P-1401A 高压泵正常运行12 678h， 期间该泵只是因下游的用量、系统维护等状况启停和升（降）温相对频繁，其他性能参数诸如电流、流量、出口压力、振动和声音均正常。

2019 年11 月11 日17 点22 分DCS 系统显示P-1401A 高压泵自停，而且停机前、后泵井液位出现频繁的波动（图2）。 P-1401A 高压泵泵自停前，共有P-1401A/C/E/F 高压泵在运行，4 条管线每天稳定外输天然气2 200 万方。

图2 P-1401A 高压泵的泵井液位显示界面

由图3 所示高压泵出口流量曲线可以看出，在15：55 左右P-1401A 高压泵的流量开始下降（但其他泵的流量均在增加）， 至16：00 趋于稳定，持续大约10min（至16：10）后流量恢复至正常值，但从16：10 至P-1401A 高压泵自停，其流量一直在波动。

图3 高压泵出口流量曲线

从图4 可以看出，在15：55 左右P-1401A/C/E/F 高压泵的出口压力开始下降， 至16：00 趋于稳定，持续大约10min（至16：10）压力恢复至正常值，直至P-1401A 高压泵自停。

图4 高压泵出口压力曲线

3 P-1401A 泵体结构

P-1401A 高压泵（图5）为立式离心泵，共有15 级叶轮，入口设有诱导轮，电机与泵共轴并且整个电机转子和定子浸泡在LNG 介质中。 在顶部、中部和底部设置3 组轴承，用于承载转子的径向力。

图5 P-1401A 高压泵结构示意图

为保证电机冷却，在电机下端设计与平衡盘相通的通孔，顶端设置了减压孔和回流管，减压孔用来平衡泵出口高压液与电机内部冷却液的压力，回流管将电机内部介质引流到第3 级叶轮出口处， 使得电机内部的液体介质得以循环流动，带走电机产生的热量，避免电机顶端介质因电机发热产生汽化的现象［8～10］。

如图6 所示，运行中泵的轴向力通过平衡盘与特殊设计的末级叶轮之间间隙的变化来平衡［11～15］。 由于推力平衡机构的上部磨损环直径大于下部磨损环直径，因此泵工作过程中受到竖直向上的液压合力，使转子向上移动，导致推力平衡机构和静态止推片之间的轴向间隙减小，平衡腔的压力增大。 当平衡腔的压力增大到大于液压合力时，转子部件又向下移动，推力平衡机构和静态止推片之间的轴向间隙增大，平衡腔压力减小。 经过推力平衡机构反复连续地自调节可以使泵的轴向力完全平衡［16，17］。

图6 泵轴向力平衡机构示意图

4 故障分析

针对P-1401A 高压泵的具体情况，对泵进行解体维修，发现以下问题：

a. 泵与电机间轴承严重损坏；

b. 平衡盘严重磨损，轴承滚珠掉入到平衡盘内部；

c. 末级叶轮严重磨损，背侧盖板已经融化；

d. 泵与电机间轴承位置泵轴磨损严重，有宽30mm、深5mm 的沟槽；

e. 除第8 级外，其余各级叶轮密封环都比壳体密封环突出1cm；

f. 整个转子存在下沉现象；

g. 泵平衡盘与电机之间节流套磨损严重。

综合P-1401A 高压泵运行中其他因素均未出现明显异常，仅流量、压力和液位出现波动，而未能采集到功率和电流， 无法对比泵特性曲线，以判断P-1401A 泵在15：55～16：10 是否偏离了泵正常特性。从结果判断，P-1401A 泵在15：55 时可能已经损坏， 从而使之后的流量和液位波动，直至最后泵抱死造成连锁停车。 根据以往经验，高压泵液位波动的主要原因是入口过滤器堵塞导致泵井顶部压力较低，无法使顶部闪蒸气顺畅地排向再冷凝器，同时引起再冷凝器波动。 另外，轴向力平衡不完全，使轴承在轴向力不平衡状态下运转，导致轴承过度疲劳损坏，破坏了转子动平衡，造成转子整体下沉。

基于P-1401A 高压泵拆解检查结果，判断故障根源为：P-1401A 泵频繁启停和启动过程中出口流量达不到泵设计最小流量造成轴向力平衡机构失效，使轴承承受轴向力，导致中间轴承严重磨损损坏，使得整个转子支撑被破坏，转子大幅度下移，造成平衡盘和末级叶轮严重磨损，轴、轴承衬套等处摩擦副接触、摩擦，最终叶轮口环与壳体口环粘连在一起抱死。

5 结束语

LNG 高压泵频繁启停过程中产生的轴向力对泵整体支撑造成巨大冲击，是泵在运行中突然发生故障的根源，LNG 高压泵最小流量无法满足泵启动条件造成的骤停产生的轴向力也对泵的支撑造成巨大冲击。 为此，支撑轴承应设计成能承受一定轴向力的推力轴承，以平衡启停时的部分轴向力； 泵振动监测应增加频谱反馈模块，以便根据振动频谱分析振动超差的根源，推断泵是否出现早期故障； 泵故障的发生不是偶然现象，它会伴随其他异常情况出现，如：流量和压力异常、声音异常及功率异常等，加强巡检力度，并结合振动频谱提前预判异常现象，避免设备产生停机故障。