LNG離心泵故障原因與對策研究

李延春

陜西延長石油（集團）有限責任公司天然氣股份有限公司 陜西 延安 716000

離心泵故障按照成因可以進一步劃分成泵、管道以及機械故障等問題形成的故障，使泵在實際運行中產生異常噪音和振動等問題，為此需要密切結合具體工程案例，針對離心泵故障開展系統分析，形成合理應對策略，保障整個離心泵系統的穩定持續運行。

1 離心泵分析

1.1 組成結構

離心泵主要包括泵殼、葉輪、軸、軸承以及軸封裝置等部分構成，泵殼作為整個離心泵中的核心元件，泵殼內部主要是一種螺旋液道形式，第一種功能是可以對葉輪內甩出液體實施全面收集，進一步成為液體流通通道，第二種是逐步擴大蝸殼通道，充當基礎能量轉換設備。泵主要是利用葉輪針對液體做功，葉輪主要包括開式、閉式、半開式三類形式。其中閉式葉輪適用于傳輸各種干凈液體，具有較高傳輸效率。半閉形式葉輪能夠支持傳輸具有固體懸浮物液體以及漿料，整體傳輸效率較低。開式葉輪適用于傳輸包含固體顆粒液體懸浮物，整體傳輸效相對較低。軸與軸承方面，泵軸一端主要用于對葉輪進行固定，一側裝設聯軸器。聯系整個泵大小，可以選擇滑動軸承和滾動軸承。軸承裝置在使用中可以預防泵殼中的高壓液體順著軸四周泄漏，同時還可以預防空氣滲入泵殼[1]。

1.2 運行原理

離心泵正式運行前，需要將液體灌滿泵體，原動機牽引下進一步引導葉輪和泵軸轉動，在葉輪轉動中會帶攜帶液體運動，液體通過葉輪得到動能和壓力能。在泵殼中流入液體后，因為蝸形泵殼內流道持續擴大，進一步降低整體流速，其中某些動能轉化成靜壓能，為此基于較大壓力下壓出液體。葉輪中心變成真空狀態，貯槽液面上層壓強超出葉輪中心，吸入管部位液體處于壓差影響下流入泵中，對液體排出部位進行有效填補，持續吸入液體，同時按照相應壓力排出，在葉輪持續轉動中，液體進行持續壓出或吸入[2]。

1.3 常見故障和解決對策

離心泵常見問題主要包括無法正常啟動、異常振動、停止排液、功耗擴大、軸承發熱、排液后中斷以及流量不足等問題，為此需要針對上述問題進行有效處理，對于泵無法正常啟動的現象，需要對原動機和電源進行檢測，判斷泵是否產生卡滯，必要條件下可以實施解體檢測。如果是平衡管不暢，可以對整個平衡管進行全面疏通，對于排除閥關閉問題需要進行重新啟動。對于泵不排液的現象，通常是灌泵不足導致的，為此可以進行重新管泵，檢車泵轉向和轉速，疏通濾網，減少雜物。對于泵排液后中斷問題，如果是吸入管漏氣，需要對吸入一端的管道連接節點進行細致檢測，判斷填料函密封性，管泵中未能徹底排放吸入側氣體，為此需要進行重新灌泵。對于管道內部流量不足的問題，需要對系統壓力以及液體高度進行細致檢查，擴大阻力損失。對止逆閥以及管路等障礙進行仔細檢測，有效控制葉輪、殼體磨損，為此可以對葉輪以及耐磨環進行及時修理更換。對于軸承發熱現象，需要對各個模塊連接精度進行細致檢測，及時涂抹潤滑油[3]。

2 LNG 離心泵故障案例分析

2.1 故障分析

LNG離心泵屬于LNG行業中應用較為頻繁的設備之一，聯系設備安裝位置差異可以進一步分成外置離心泵和潛液離心泵，其中潛液離心泵在實際運行中不需要實施預冷處理，系統保持穩定運行但需要投入較高成本。LNG儲罐外部主要以外置離心泵為主，在正式啟動運行前需要針對系統設備實施預冷處理，整個設備安裝便利，成本造價相對較低，廣泛應用于加注站、小型儲罐等設備當中，需要重點關注相關工藝計算、管道布置以及工藝流程設計，不然便會影響系統設備的穩定運行。

某LNG企業從投運后經常會遇到LNG離心泵無法正常啟動，系統異常等問題，影響了LNG裝車運輸的正常操作，在設備故障較為嚴重情況下會無法正常運輸儲罐中儲藏的LNG，阻礙生產。針對該種問題需要進一步強化現場監測，加強數據采集，深入調查研究，明確故障成因，聯系故障問題設計有效的整改方案，幫助LNG離心泵順利消除各種故障問題。

某個LNG企業中設置了一個10000m3單包容LNG儲罐，額外設置三個LNG離心泵，LNG儲罐對應出液管主要分布在側壁部位，LNG離心泵主要分布在儲罐防火堤中，結合現場系統運行工況分析，發現主要存在無法順利預冷、啟動反常以及達不到額定運行工況等問題。結合LNG離心泵相關標準文件手冊分析，LNG離心泵處于預冷操作中，整體降溫速度應該小于30℃/min，預冷時間大于30min。但在設備運行中，SDV1以及NB1在聯鎖后，設備呈現出全開形態，開啟V1、V2兩個閥門，導通泵入口管路。對泵前的管路預冷閥門進行全面啟動，等待10min后將V5閥關閉，開啟V3預冷閥，TE1溫度緩慢提升，按照2℃/min進行了長達2個小時的預冷操作。啟動方面結合標準文件分析，LNG離心泵對應液位是1.2m，但在運行實踐中，LNG離心泵相關啟動液位超出7m，即便處于該種條件下，依然需要進行預冷、啟動、預冷等多次反復操作后才能順利啟動。在正式啟動LNG離心泵后便可以實現持續穩定運行，到管內液位達到1m及時停車。運行工況方面，在開啟LNG離心泵后，對應輸出流量是每小時40m3，電機電流達到27.6A，頻率是70HZ，出口壓力是0.37MPa，泵相關運行壓力以及流量均未達到額定值（見圖1）。

圖1 LNG離心泵工藝流程

解析出現上述故障成因，對LNG離心泵進行汽蝕分析，判斷設備選型以及管道設置方面產生問題。在啟動LNG離心泵中，將罐內部壓力限制于109kPa，對應大氣壓是89kPa，啟泵設計液位是1.2m，對應出液管道的接口壓力達到114.4kPa。LNG離心泵產生汽蝕問題主要是葉輪進口對應介質壓力低于入口溫度相關飽和蒸汽壓形成的。儲罐內對于常溫液體，液相和氣相達到某種氣液平衡，儲罐內氣相壓力是液體飽和蒸氣壓，流經泵管路中液體不會產生任何溫度變化，相關飽和蒸氣壓也不會產生變化。從低溫介質層面分析，特別是LNG溫度相對較低，管道內部流通中隨著吸收各種熱量出現升溫現象。此次案例中，LNG于管道中流通，并在管道外部應用保冷技術，但依然存在熱量傳入，促進LNG升溫。特別是儲罐和管道連接部位，為預防儲罐和管道因為溫度變化應力導致管壁變形，通過波紋管充當連接段，同時外管壁不能有效承受低溫，如果對波紋管實施保冷處理，容易使波紋管對應管壁置于低溫環境內，為此波紋管管段也成為最高冷量損失節點。

預冷流程存在較高阻力，此企業LNG離心泵主要通過LNG離心泵相關入口管道引導LNG傳輸至泵前，同時在泵出口止回閥后安裝預冷線，在現場運行操作中預冷速度相對較慢，由于預冷管道存在較高阻力，進一步降低了LNG流動速度。結合相關設計資料，泵后止回閥屬于軸流止回閥，啟動壓力是10kPa，等同于2.3mLNG液柱。該企業相關設計啟泵液位是1.2m，泵入口擁有3.96m的液柱高度，拋除止回閥開啟壓力后僅存在1.66m壓差，LNG相關流動驅動力較小，延緩泵預冷過程。

泵前管路產生氣阻現象，結合相關工藝流程分析，LNG儲罐中設置有φ273×8mm的出液主管，中部通過心異徑接頭實施全面連接，使得出液主管上層無法正常灌滿液體。除此之外，對現場的LNG離心泵實際分布狀況進行觀察可以發現前支管存在10m長水平管道，并在管道中設置有兩個支架，在地面中進行直接固定，沒有獨立基礎，獨立基礎中設置離心泵。因為地面沉降，使泵前管道工程A字型，氣體全面匯集于管道高點，產生氣阻，見圖2。

圖2 泵前管道

泵前汽蝕問題，LNG離心泵在產生汽蝕后，除了會使泵體產生機械損傷之外，還會導致泵流量大幅度下降，電機電流也會相繼降低，導致產生空載問題。結合研究分析發現，LNG離心泵通常是泵前管道氣阻導致汽蝕問題，影響LNG流速，無法迅速傳輸至泵入口，導致泵入口壓力下降，低于LNG飽和蒸汽壓，產生汽蝕現象。

2.2 解決措施

結合現場實際運行問題和問題成因分析，在保障系統設備安全運行基礎上按照方便實施、少用料以及低動火的基礎原則合理設計整改措施。進一步優化健全各項工藝流程，對LNG離心泵中的出液主管氣阻以及長時間預冷問題進行有效處理，第一是對LNG離心泵相關后管道排氣閥、預冷BOG回氣主管進行全面連接，促進預冷流程和LNG離心泵相關出口止回閥有效隔離開來，進一步降低LNG離心泵預冷流程中的管道阻力。通過管道取代出液主管根部各個閥間設置的膨脹安全閥，原本的膨脹安全閥需要對前后閥門開度進行合理調整，變成50%開度后進一步鎖開，可以預防閥門關斷后相關出液主管產生超壓問題，發揮出良好的排氣功能。LNG離心泵相關設計泵業位是1.2米，存在汽蝕余量不足的問題，最少應該在泵入口預留0.6m裕量，為此可以針對LNG離心泵相關啟泵液位實施合理調節，提升到1.63m。管道布置調節中，最初只是在地面設置LNG離心泵的管道支架，隨著地面沉降，進一步降低管道標高，對于該類問題，可以針對管道支架創建獨立基礎，對管道水平進行合理調節，可以適當超出離心泵入口，在LNG離心泵相關前管道設計中形成一定坡度，坡向泵吸入口。結合有效的整改調節，進一步減少了LNG離心泵的預冷操作時間，結合設備操作手冊對TE溫降速率進行合理調控，將其限制在每分鐘6度以下，維持30分鐘的預冷處理。LNG離心泵基于1.63米液位之上能夠支持正常啟動，比如此次中的LNG離心泵，相關管路流量FT是每小時32984kg，換算成體積流量是每小時78m3，具體轉速是每分鐘3159轉，電機電流是39.1A，運行頻率是51.8赫茲，和設計能力較為接近，符合現場系統運行現實需求[4]。

3 結束語

綜上所述，LNG離心泵運維檢修中，除了需要針對泵相關機械故障實施綜合檢測之外，還需要立足于整個工藝系統視角檢測整個泵，準確判斷工藝系統變化，尋找設備故障成因，并提出有效解決策略，保障離心泵的穩定持續運行，減少設備運行中的故障停工問題，提升生產安全性。