海洋石油多级离心泵故障模拟和监测试验台设计

翟爽，刘海霞，叶剑，李进

（中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300450）

1 引言

海洋平台长期服役于复杂的海洋环境中，同时海洋石油生产工艺复杂，拥有众多的关键机组。为了保障海洋石油设备完整性管理和数字油田建设，海洋石油关键机组陆续开展预测性维修[1，2]。而海上生产环境复杂、设备形态存在较大差异、结构管线存在应力等因素会引起设备运行不良。以机泵为例，海上油田工艺中注水泵、外输泵为关键A 类设备，目前大量机组已安装在线监测系统。在设备状态的识别诊断和评估时提高预测性维护水平的关键，是如何识别海洋石油设备的故障特征[3，4]。因此需要设计一套参照海洋石油工况环境的试验台，开展故障实验模拟，提取设备故障数据特征，为准确的预测性维修提供技术基础和验证。

2 试验台设计

实验台上安装一个7 级卧式水平剖分式多级离心泵，泵选用KHP115-55X7 型多级离心泵，泵功率是160 kW，驱动泵的电机功率是200 kW，同时配置和200 kW 电机匹配的变频器装置。泵底座高度可调。泵组配置常用的监测电机绕组温度、电流、电压、压力、流量等参数的现场控制盘，泵前后轴承座安装检测温度的探头；提供两台联轴节靠背轮，用于模拟转子不平衡量，并提供首级叶轮、口环、机械密封、轴承等易损件，以及变径弯头和变径管节等，以保证实验期间泵和电机出现故障时能及时修复和实验顺利进行。实验时利用仪表院内现有的200 m3水池，以及20 m3的缓冲罐。泵撬的进出口管线利用现有的进出口管线，在现有管线上开孔加装阀门、仪表等。通过仪表等把泵的流量、压力、扬程、功率等性能参数引入到监测系统中。实验台的电气连接利用现有的动力线路，从现在已经具备的动力控制箱中引出动力线，接入实验泵撬，控制盘设置在原有泵房内其他控制盘的旁边。在泵入口管线上增加流量调节阀，来模拟像汽蚀一类的故障，使实验更接近实际工况。

2.1 工艺系统

试验回路是一个开式的回路，流程中主要由水池、缓冲罐、离心泵、试验管路、调节阀和流量计等组成。离心泵的入口管线（6″150LB）自水池引出，依次安装6″球阀、6″调节阀、流量计、压力表、压力变送器以及温度变送器；另外，在离心泵入口管线上设置一路支路，加装2″球阀控制开度，离心泵出口管线为4″300LB，通入口管线须安装调节阀、流量计、压力表、压力变送器以及温度变送器。离心泵出口连接到缓冲罐，缓冲罐和水池连接。

在做离心泵的性能试验时，打开球阀1，气动调节阀1 和气动调节阀2，即可实现一个泵的整个流程。待流量稳定后通过流量计、压力表、压力变送器以及温度变送器采集相关数据输送到控制室；做气蚀实验时，调节气动调节阀1 减小水量，打开球阀2，就可以增加气蚀量。工艺流程图见图1。

图1 工艺流程图

2.2 可调底座

基座为浮动式的钢架焊接结构，基座分两层，下层通过地脚螺栓与地基固定，离心泵与电机通过螺栓与上层固定，上下层之间安装8 组弹簧座；同时，上下层之间的可调高立柱带有正反扣，通过调节正反扣螺母从而调整8 根可调高立柱，使得基座处于不同的工作状态。

工作状态一：离心泵与电机完全作用于弹簧座上，工作时可以自由浮动，也可以调整立柱顶端的螺母，限定压缩机的振动幅度，该过程可以模拟海洋采油平台的浮动形式。

工作状态二：在离心泵与电机停机或者不需要模拟海洋采油平台的情况下，通过调高可调高立柱，使离心泵与电机完全由8 根可调高立柱支撑，弹簧座不起任何作用，此时离心泵与电机不具有浮动特性，与固定在大陆地基上的压缩机工况相同。可调底座系统如图2 所示。

图2 可调底座

基座整体长4000 mm，宽1500 mm，高500 mm 左右，结构为角钢焊接结构，上层角钢框架平面上焊钢板、离心泵底座垫块并钻孔，通过螺栓固定泵和电机，并为管线等提供支点，整套设备的重量作用于第一层框架上。与离心泵配套的电机固定在与离心泵同平面的钢板上部，钢板上钻腰型孔，安装时可以调节电机与离心泵的轴向距离。这样的第一层结构设计是根据离心泵外形结构和基座受力分析所确定的。

下层框架由角钢焊接而成，利用地脚螺栓与地基固定，上层框架与下层框架之间通过8 组弹簧座以及8 个可调高立柱支撑连接。弹簧的固定装置由一组带有内导向杆与外导向筒的上下弹簧底座构成，上弹簧底座与上层框架角钢通过螺栓连接，下弹簧底座与下层框架角钢通过螺栓连接。为了加强弹簧固定装置的连接强度，在角钢上焊接20 mm 厚的钢板，然后通过与钢板的螺纹连接，间接地将上下弹簧底座固定在上下层框架角钢上，在焊接钢板时可以按需要在框架空隙处拉角钢提供焊接位置。8 个可调高立柱与机械式千斤顶结构类似，调节螺母通过正反扣连接上下端立柱，下端立柱焊接法兰盘并通过螺栓固定于框架角钢上。同样，通过在角钢上焊接钢板加强下立柱与角钢的螺纹连接强度，上立柱是带有台阶的轴，它的上端穿过上层框架角钢的圆孔，这样上层框架由8 个立柱的台阶支撑，上立柱的上轴端攻螺纹，带有螺母。螺母可以将上层框架与立柱台阶锁紧。

2.3 测试布置

根据多级离心泵的结构，选择轴承座位置安装振动加速度传感器，测点位置如图3 所示。

图3 机组测点布置图

经过设计、制造、安装、调试，海洋石油多级离心泵故障模拟和监测试验台如图4 所示。

图4 海洋石油多级离心泵故障模拟和监测试验台

3 故障实验测试

根据上述设计，部署并调试在线监测系统，系统经过测试和校验，系统能够准确显示离心泵状态监测数据，系统显示如图5 所示。

图5 实验台监测系统

4 总结

本文根据海洋石油的特点和状态监测的技术规范，设计海洋石油多级离心泵故障模拟和监测试验台，能够模拟波浪对海洋石油基础结构的影响，并能够根据多级离心泵的故障形式开展实验数据测试与分析。通过海洋石油多级离心泵故障模拟和监测试验台的设计，为提升海洋石油预测性维护能力和完整性管理水平提供技术支撑。