气动隔膜泵在半潜式平台舱底水系统的应用及调试

王凯坡，姬晓东，宋健辉，邢运亮，徐亚玲

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

0 引言

随着我国海洋石油事业的不断发展，深海海域的石油开发已逐步成为我国现阶段的重点研究方向，半潜式平台也逐步在各类深海石油钻采生产平台中脱颖而出［1］，半潜式生产储卸油平台加水下生产系统成为深水油气田开发的重要模式之一［2］。舱底水系统是半潜式储油平台的关键系统之一，其主要作用是收集并排出压载舱、锚链舱、隔离空舱、机械舱、管廊等位置底部的存水，必要时可用于应急排水，是重要的保船系统之一，直接关系着半潜式平台的安全。舱底水系统主要有管线、泵、阀门、仪表等组成，而舱底水泵是其最核心的设备，其能否正常工作直接决定了舱底水系统的功效。

1 半潜式生产平台舱底水系统

1.1 舱底水系统功能

半潜式生产平台舱底水系统分为危险区域舱底水及非危险区域舱底水，其中危险区域主要包括凝析油舱、污油舱、MEG舱等舱室的隔离空舱，均为可能存在易燃易爆或者有毒有害介质的区域，非危险区域主要包括锚链舱、通道舱、压载舱等以水为介质的舱室。舱底水系统的组成主要包括舱底水泵、管线、阀门、滤器、控制仪表等。其中，舱底水管线布置分散，涉及空间范围大，从而舱底水泵的布置也极为分散，数量较多。当舱底水聚集到一定程度时，达到启泵排水的设定液位，平台中控系统自动启动舱底水泵开始排水作业，以减少舱底水对平台稳性的影响。

1.2 对舱底水泵的要求

半潜式平台船体立柱高度近60 m，人员进入舱室困难，特别是危险区域舱底水泵所在的隔离空舱，常规工况下不需要经常进舱作业，因此未配备通风、照明等安全设施，所以对舱底水泵的要求十分严格，主要包括如下内容。

（1）防爆要求。隔离空舱的作用就是凝析油舱、污油舱等危险区域舱室破损或渗漏时，起到隔离危险品与安全通道的效果，不会造成人员无法进入船体，保证施救工作的顺利开展。因此，空舱内有易燃易爆介质，防爆要求是必须的，并应尽量减少电气设备特别是强电设备的数量。

（2）自吸能力强。舱底水来源多，油水管线泄漏、冷凝水、风雨密或水密装置失效进水等均由舱底水管线汇集，因此舱底水管线分布广，且内部多为气水混合物。为减少泵的数量，每台泵都有多个吸入口，特别是船体底部的吸入口布置分散，泵入口管线长，泵安装位置水平高度距离船底近2 m，因此要求舱底水泵具有较强的自吸能力。

（3）可靠性强，维修方便。因为不方便进舱检查，需要泵的可靠性强，出现故障时，维修难度低，不需要外请专业人员。

2 气动隔膜泵

2.1 组成及工作原理

气动隔膜泵是一种由膜片往复变形造成容积变化的容积泵［5］，动力源通常是压缩空气，在配气机构的控制下，压缩空气推动膜片进行往复运动，将压缩空气能转变为输送介质的动能，达到输送物料的目的。主要由泵壳、配气机构、隔膜、进出口配管等组成，如图1所示。

图1 气动隔膜泵组成

气动隔膜泵典型扬程流量性能曲线如图2所示，可通过改变供气压力、供气量，来调节泵的扬程和流量。随着压缩空气压力增大，输送介质的流量和扬程增大。保持压缩空气压力不变，增大介质流量则扬程降低；反之，减小流量，可以提高扬程。保持压缩空气供风量不变，减小介质流量可以提高介质扬程；反之，增大介质流量则会降低扬程。保持压缩空气压力不变，增大压缩空气风量，隔膜泵往复运动频率加快，可以提高介质流量。保持压缩空气供风量不变，提高压缩空气压力，可以提高介质扬程［6］。

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图2 气动隔膜泵流量扬程曲线

2.2 气动隔膜泵优点

（1）以压缩空气为动力，使用过程中不产生静电，安全性高，是防爆首选。

（2）自吸能力强，最大自吸高度可达9 m［7］。

（3）空载性能好，不会因为空载造成设备损坏［8］，也不会因为下游管路堵塞造成停泵而损坏。

（4）结构简单，相比其他类型的泵没有轴封，没有动泄漏，故障率低。

（5）对介质适应性强，油、水、甚至泥水都可使用，悬浮固体颗粒最大直径可至9.5 mm［9］，应用范围广。

（6）可移动，安装技术要求低。

（7）购置维修成本低。

2.3 气动隔膜泵常见故障

在使用过程中，气动隔膜泵常见故障有隔膜破裂、配气机构故障、泵体/管道泄漏等。据研究统计，可记录事故次数最多的失效原因是隔膜破裂。如表1所示。

表1 气动隔膜泵常见失效模式［10］

2.4 气动隔膜泵在半潜式生产平台的应用

综上分析可知，气动隔膜泵应用于半潜式生产储油平台舱底水系统具有可行性，优势突出，并最终在我国南海某半潜式生产储油平台舱底水系统中得到应用，其中，8台用于非危险区舱底水系统，24台用于危险区舱底水系统。与常规气动隔膜泵的应用相比，有特别之处。

因为半潜式生产平台舱底水泵安装位置特殊，对每台气动泵配置隔膜破裂监测传感器，以便判断其失效的原因，当出现隔膜破损时，平台中控系统立即做出响应，关停并隔离故障泵，避免油气等危险物料进入安全区域。因气动泵运行时振动较大，进出口管线及气源管线均采用硬管加软管的连接方式，减少泵振动造成的影响。

舱底水系统配置液位开关，当水聚积达到液位设定值时，中控系统发出指令，舱底水泵气源阀门自动打开，开始排水作业。

3 舱底水泵调试技术

舱底水泵调试主要包括安装检查、泵启停控制功能测试、隔膜监测功能测试、运行性能测试、与平台压载控制系统及中控系统的联调等内容。

3.1 调试注意事项

（1）保证气源供应，压力应不低于850 kPaG，以确保泵自吸能力和运行效果。

（2）保证泵入口水源的供应。

（3）启停测试应包含手动启动/停止、液位自动启动/停止、ESD关停功能。

（4）运行性能测试重点关注舱底水泵的出口压力，保证舱底水输送到下游处理系统。

（5）应对舱底水泵每个吸入口单独进行吸入效用校验，特别是最远吸入口。

3.2 调试问题及解决措施

3.2.1 吸水困难

（1）问题描述：泵启动后长时间处于空载状态，泵进出口无水流，出口压力表无指示。

（2）原因分析：气源压力不足；泵入口管线较长，且尺寸较大，从而管线内空气存量较大，泵吸水困难；泵入口管线的单向阀卡滞，吸水时不能顺利打开。

（3）解决措施：检查气源供应，调节气源压力调节阀，保证气源压力不低于850 kPaG；通过其他措施给入口管线注水，排出空气，并保持管线内水量，从而提高入口管线的真空度，保证自吸效果；拆修入口管线单向阀，减少因单向阀卡滞造成的吸水困难；启泵时手动控制气源阀门的开度，减少供气量，降低隔膜往复运动频率，从操作方式上提高抽吸能力。

3.2.2 隔膜监测功能故障

（1）问题描述：将隔膜监测传感器浸入水中，模拟隔膜破裂、泵送介质进入气室，但是平台中控系统无响应。

（2）原因分析：隔膜监测传感器输出信号与平台中控系统要求的输入信号不匹配，中控系统不能识别，导致隔膜监测功能无法实现。

（3）解决措施：在控制回路中增加信号转换功能模块，统一信号类型，使其满足中控系统要求，中控系统识别到信号后做出状态反馈及停泵等响应措施。

4 结束语

本文通过对半潜式生产储油平台舱底水系统设计技术要求的分析和气动隔膜泵特性的介绍，得到了气动隔膜泵在半潜式生产储油平台舱底水系统的应用可行性结论。通过对舱底水泵的调试内容及调试过程中出现的问题进行研究探讨，得到了舱底水泵抽吸困难的有效解决措施。项目的机械完工和顺利投产，用实践验证了气动隔膜泵在半潜式生产平台舱底水系统中的应用可行，设备各项测试参数符合设计要求，相关做法和经验可以用于舱底水系统的操作维护，对完善舱底水系统的设计具有指导意义。