黄移典
摘 要：海上风电安装平台拔桩时利用冲桩系统冲洗桩靴减少桩靴出泥阻力，冲桩系统是平台提升系统的重要组成，其可靠性直接影响到平台安全性，在平台海试时发现的冲桩系统控制柜软启动器烧坏、冲桩泵震动、电机发热等故障需要深入调查并寻找对应措施以确保平台安全运营。本文通过分析故障现象产生的根本原因，寻找最优的整改方案，这对平台运营维护以及后续平台的设计建造具有一定的参考借鉴意义。
关键词：风电安装平台 冲桩系统 离心泵 软启动器 轴功率曲线
中图分类号：TE95 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）09（b）-0024-02
根据技术规格书要求该平台共配备4根桩腿，每根桩腿设置1台冲桩泵及1台软启动器，同时每根桩腿的桩靴底面和顶面设置各8个喷嘴，供拔桩时喷冲使用。单桩流量120m?/h，压力：5MPa，连续冲桩。供应商据此要求选用卧式多级离心泵，级数为12级，额定扬程500m，额定轴功率315kW，额定流量120m?/h。依据试验大纲在做冲桩试验过程中出现了电气控制3台软启动器烧坏、冲桩泵震动、电机过热等情况。本文通过分析故障、比选多种解决方案最终确定选用减少1级叶轮（由12级降至11级叶轮），实际扬程和流量满足设计及使用要求，最终解决了软启动器烧损等故障。
1 故障现象
（1）海试期间完成桩腿提升后做拔桩试验，依据试验大纲要求记录泵出口压力5MPa时的电流如表1，由表中1可见4台冲桩泵的实际电流均超过额定电流、泵组震动较大、电机发热。根据公式：功率=1.732×I×U*cosφ（功率因数取0.9），实测电流及对应功率见表1。
（2）依据试验大纲要求“在4～5MPa的出口压力下，泵组运行30min”，试验人员将出口阀开到最大，准备启动泵组后关闭阀门调整压力至5MPa，但在这一过程中4台泵组里出现3台软启动烧坏，仅NO.2号冲桩泵完成了相关试验。
2 原因分析
离心泵具有转速高、体积小、效率高、流量大、结构简单、输液无脉动、性能平稳、容易操作和维修方便等特点。在一定转速下，通过实验可测得扬程、功率和效率与流量的变化曲线作为泵在该转速下的特性曲线。通过特性曲线可知在出口阀开启最大角度时流量，最大扬程最低，电流最高；在出口閥关闭时流量为零，扬程最大，电流最小[1]。
2.1 操作问题
造成此次试验故障的直接原因是由于试验各方参与人员均未能充分理解该冲桩泵为大功率多级离心泵，与操作普通离心泵的经验不同，因而没有采取必要的防范措施。大型离心泵应该关小出口阀，启动后再慢慢打开，以降低启动电流，然后开阀至使用额定扬程要求的工况，过程中要注意软启动器中的电流显示。
2.2 设备问题
（1）从图1中可以看出该泵的关死点扬程超额定扬程达到33%（666/500=133%），超过了API610[2]标准要求较多（标准为20%），泵功率余量过大，无法在最高效率下工作，易造成汽蚀震动。
（2）最高轴功率为321.1kW，电机额定功率为315kW，额定电流310A。依据API610标准，轴功率>55kW时电机功率应为额定轴功率1.1倍，因此该设计未能满足电机功率需大于354kW的要求。
（3）从试验数据可知泵的实际扬程和实际功率超过特性曲线，性能偏差达较大，而API610中规定扬程>300m时泵性能允许偏差的要求是正负5%。
（4）软启动器设备说明书要求属于重载启动时应该选用比额定电机功率大一个规格的软启动器，过载保护等级需设置为30。而本设备的软启动未按照大一个规格原则和相应保护等级选用软启动器，因此极易造成过载烧坏，。
2.3 整改方案比选
（1）增加节流孔板。增加节流孔板后，相应的流量会随之降低，扬程增大，电流降低。实际试验中得知控制量程在570m时，电流310A，功率316kW，流量118m?/h，满足设计要求。
（2）电机无过载设计。即能在最大扬程到最小扬程范围内任何工况点运行时，均不发生过载或因过载而烧坏电机及软启动，包括以下方法：①由于原配PSTX370软启动器改为内接方式可承受640A，无需改为大一级的软启动器，仅更换大功率电机及接线方式即可做到电机满足泵在最大扬程及最低扬程间的最大电流；②改用变频电机及变频器，通过变频控制流量。这两种方法可以彻底解决过高扬程的问题，适应了拔桩时复杂地形的要求，为复杂条件下冲桩出泥提供了可操作余地。
（3）切削叶片或减少叶轮级数。减小叶轮直径可以降低扬程及轴功率，使其接近额定工况点，但该方法需要施工工艺复杂，不适用现场修改。减少叶轮级数，该泵为卧式12级离心泵，若减少一级叶轮，可将扬程降为当前杨程的11/12，扬程降低，轴功率降低，电流降低。在原叶轮位置改为轴套，安装过程中需控制动平衡及震动满足API610的要求见图2。
2.4 方案比选确定
（1）程过低、电流过载。缺点是依据流体力学原理，节流孔板后的压力降低可能造成冲桩困难，无法确保顺利从泥中拔出。
（2）更换大功率电机，且更换为内接方式，保留了较大扬程有利于冲桩效果，防止了过电流造成的设备故障。缺点是需更换电机及电路改造，成本较高周期较长。
（3）切削叶片，可兼顾水泵和电机的工作效率，但是在平台上无法修改，必须拆解出仓回厂修改，且工艺复杂。拆除末端一级叶轮，扬程降低、流量不变，使泵的扬程和流量也满足实际使用要求，现场施工方便周期短，且不必改变原有结构和管路，且该不破坏泵结构，修改可复原，从经济性、时效性、风险控制等方面比选该方案都是最佳的。
3 结语
在发现试验故障后积极调查、研究解决方案，鉴于平台很快要投入风机吊装的运营工作，为不影响平台插拔桩腿，确保冲桩系统有效喷冲桩靴海泥，处理方案中应当以施工周期短、施工简单、施工费用低等为第一选择，因此选用拆除一级叶轮来使冲桩泵满足工作工况。鉴于此次设备故障排除可以学习到以下内容，为后续的其他船舶设计建造、设备调试提供参考。
（1）对于新建项目中的新设备，设计人员及试验人员应当深入了解其工作原理及性能。
（2）设计中不同专业的设计部门应当加强学习沟通，避免出现电气设计与轮机设计不吻合。
（3）此次供应商所供产品与提供的产品性能指数试验报告不吻合，相关部门需加强对供应商考核。
参考文献
[1]李秀芹，王喜坤.离心泵特性曲线的测定及分析[J].科技与中外企业家，2012（12）：88-89.
[2]全国泵标准化技术委员会编译.GB/T 3215-2007，石油重化学和天然气工业用离心泵[S].中国标准出版社，2008.endprint
