邊際油田水下液滑環(huán)總體設(shè)計(jì)分析

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300457)

隨著我國海洋油氣開發(fā)的加速發(fā)展，對(duì)渤海灣60個(gè)邊際油田開發(fā)的技術(shù)研究顯得越來越重要。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的主要作用是將FPSO定位于預(yù)定海域，同時(shí)起著輸送井流、電力、通信等作用。在整個(gè)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中，液滑環(huán)是最核心的部件之一。目前，液滑環(huán)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)仍然被國外單點(diǎn)公司所壟斷，這些公司各自擁有自己的液滑環(huán)技術(shù)并保有相關(guān)專利。我國所有海域使用的FPSO單點(diǎn)系泊液滑環(huán)，從設(shè)計(jì)到加工制造全部依賴進(jìn)口，不僅價(jià)格昂貴，而且供貨周期長，給油田順利投產(chǎn)和維護(hù)替換帶來經(jīng)濟(jì)壓力和進(jìn)度壓力。

為此，通過對(duì)國外同類設(shè)計(jì)的調(diào)研，提出新的“雙進(jìn)雙出”的腔體設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了10種截面方案，分別進(jìn)行了2維和3維的流場(chǎng)分析，根據(jù)流場(chǎng)分析結(jié)果，選出最佳腔體界面方案。

1 液滑環(huán)原理概述

常用液滑環(huán)型式為一個(gè)環(huán)形構(gòu)件，包括內(nèi)環(huán)和外環(huán)結(jié)構(gòu)。在生產(chǎn)期間應(yīng)免于維護(hù)，無需定期加注滑油，具有完全防水功能?；h(huán)中心為中空形式，它是液體傳送的流通通道。對(duì)地靜止的管線與滑環(huán)的內(nèi)環(huán)入口相連，對(duì)地旋轉(zhuǎn)的管線與滑環(huán)的外環(huán)出口相連。液滑環(huán)可以單獨(dú)使用，也可以將幾個(gè)滑環(huán)疊裝起來成為一個(gè)通道組使用。

較常用的液滑環(huán)口徑為6、8、10和12 in(指進(jìn)出口管徑)，液滑環(huán)的輸送管直徑越大、壓力越高，價(jià)格越高。在目前的油田開發(fā)項(xiàng)目中，中海油等公司的做法是提供所需液滑環(huán)的技術(shù)要求，由單點(diǎn)公司進(jìn)行配套和總成。

2 “長青號(hào)”液滑環(huán)拆解分析

通過對(duì)“長青號(hào)”FPSO的舊液滑環(huán)的拆解來獲得液滑環(huán)的內(nèi)部構(gòu)造、機(jī)加工精度、材質(zhì)、密封件等專業(yè)參數(shù)，作為進(jìn)一步分析的技術(shù)基礎(chǔ)。主要測(cè)繪和分析工作內(nèi)容如下。

1)單點(diǎn)液滑環(huán)內(nèi)外環(huán)的形狀、加工尺寸、配合尺寸等。

2)單點(diǎn)液滑環(huán)內(nèi)外環(huán)的原材料、化學(xué)成分、機(jī)械性能、金相組織等。

3)外購件標(biāo)識(shí)等相關(guān)信息。

3 邊際油田液滑環(huán)總體設(shè)計(jì)方案

3.1 液滑環(huán)基本設(shè)計(jì)要求

針對(duì)渤海灣邊際油田的開發(fā)特點(diǎn)和海洋環(huán)境條件，提出液滑環(huán)的基本設(shè)計(jì)要求。

1)設(shè)計(jì)壽命為20年(內(nèi)環(huán)、外環(huán))。

2)結(jié)構(gòu)計(jì)算疲勞系數(shù)為3.0。

3)內(nèi)環(huán)和外環(huán)平均每天旋轉(zhuǎn)2周。

4)軸承和密封磨損基于100%生產(chǎn)時(shí)率考慮。

5)用于約20 m水下。

設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 液滑環(huán)設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.2 總體設(shè)計(jì)方案

本文分別提出了單進(jìn)單出外環(huán)分體、單進(jìn)單出外環(huán)整體、雙進(jìn)雙出油封垂直排列、回轉(zhuǎn)軸承蝶形等方案，經(jīng)多次計(jì)算分析及調(diào)研國外液滑環(huán)設(shè)計(jì)型式，最終確定液滑環(huán)的總體設(shè)計(jì)方案為：回轉(zhuǎn)軸承為“蝶形”方式。其主要特點(diǎn)：內(nèi)腔進(jìn)出口采用雙進(jìn)雙出式；采用多道密封圈，形成折線式密封形式；設(shè)有沉沙槽和排沙孔；軸承采用三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承；根據(jù)工況要求，軸承外設(shè)置有防水罩；見圖1和圖2。

圖1 液滑環(huán)設(shè)計(jì)方案形成過程

圖2 液滑環(huán)總體設(shè)計(jì)方案

3.3 液滑環(huán)結(jié)構(gòu)形式

液滑環(huán)結(jié)構(gòu)主要包括內(nèi)環(huán)、外環(huán)、壓蓋、軸承、軸承罩、支架等組成。

安裝在支架上的內(nèi)環(huán)與大地保持相對(duì)靜止，外環(huán)與FPSO保持相對(duì)靜止，即外環(huán)可以保證FPSO隨風(fēng)浪流方向的改變圍繞內(nèi)環(huán)進(jìn)行360°自由旋轉(zhuǎn)。軸承使內(nèi)環(huán)與外環(huán)保持同心，并使外環(huán)能夠自由旋轉(zhuǎn)。

液滑環(huán)的進(jìn)出口管徑均為6 in。內(nèi)環(huán)上連接2個(gè)6 in的入口管，外環(huán)上連接2個(gè)6 in的出口管，以確保流體傳輸。在外環(huán)的內(nèi)壁上開設(shè)有環(huán)狀空腔?？涨恍螤詈统叽缡歉鶕?jù)流場(chǎng)分析和機(jī)加工工藝綜合考慮后確定的。

在環(huán)狀空腔的上下兩側(cè)、內(nèi)外環(huán)之間以及外環(huán)和壓蓋之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)面間設(shè)置了多道密封件進(jìn)行密封，防止內(nèi)部流體泄漏。

液滑環(huán)設(shè)有泄漏檢測(cè)。任何泄漏情況都可通過每道主油封后的檢漏孔來檢測(cè)。每個(gè)主油封的外側(cè)都設(shè)有2個(gè)檢漏孔。如果第1道主油封發(fā)生泄漏，傳輸介質(zhì)就會(huì)流入第1道主油封后的檢漏孔，安裝在檢漏孔處的傳感器立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)，第2道主油封會(huì)起作用。如果第2道主油封發(fā)生泄漏，傳輸介質(zhì)就會(huì)流入第2道主油封后的檢漏孔，安裝在檢漏孔處的傳感器會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)，第3道主油封會(huì)起作用。如果第3道主油封發(fā)生泄漏，安裝在檢漏孔處的傳感器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，此時(shí)必須盡快更換液滑環(huán)上的密封件。

3.4 液滑環(huán)運(yùn)行機(jī)理及特點(diǎn)

1)油封水平放置，可減少原油中泥沙進(jìn)入，減少磨損，安裝簡(jiǎn)便。

2)新腔型截面形式，可有效減小原油對(duì)腔體的沖擊載荷，且流場(chǎng)合理可減少環(huán)縫處的泥沙沉積。

3)沉沙槽的設(shè)置可截留部分殘留的泥沙，使原油進(jìn)一步潔凈，保護(hù)后續(xù)油封。排沙孔的設(shè)置用于在檢修時(shí)通過高壓水，有效清除沉積在沉沙槽中的沉沙。

4)雙進(jìn)雙出型式可使油壓沖擊力相互抵消，減小側(cè)向沖擊載荷，整體穩(wěn)定性好。

5)內(nèi)環(huán)管路采用機(jī)加工成型，避免焊接產(chǎn)生的高應(yīng)力區(qū)。

6)結(jié)構(gòu)合理，易于安裝，密封性好，維護(hù)量少。

7)根據(jù)工況需求，進(jìn)行防水設(shè)計(jì)。

4 液滑環(huán)腔體型式分析和確定

4.1 研究方案

考慮到油氣輸送時(shí)的整體沖擊的平衡，將設(shè)計(jì)方案分為兩種:①單進(jìn)單出的液滑環(huán);②雙進(jìn)雙出的液滑環(huán)。首先分別對(duì)兩種滑環(huán)的初始設(shè)計(jì)草圖進(jìn)行建模與流場(chǎng)計(jì)算，然后根據(jù)流場(chǎng)分布特點(diǎn)設(shè)計(jì)其他截面的腔體，分析計(jì)算其流場(chǎng)的壓力與速度分布，找出相對(duì)較好的腔體設(shè)計(jì)，并通過理論分析指出不同腔體設(shè)計(jì)間的差異。主要研究方案分為以下幾部分。

1)初始設(shè)計(jì)模型(單進(jìn)單出與雙進(jìn)雙出)的分析與建立。

2)初始設(shè)計(jì)模型的流場(chǎng)分析與改進(jìn)建議。

3)新設(shè)計(jì)方案的流場(chǎng)分析計(jì)算與總結(jié)。

4)新液滑環(huán)初始設(shè)計(jì)的建議。

4.2 模型說明

液滑環(huán)的流場(chǎng)分析與計(jì)算采用專業(yè)流體力學(xué)計(jì)算軟件Fluent12.1完成。選型計(jì)算采用2D(二維)建模與分析。相應(yīng)2D流體力學(xué)模型與網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 新液滑環(huán)流體力學(xué)模型與網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格均采用Tri網(wǎng)格，其中單進(jìn)單出滑環(huán)模型共劃分14 489個(gè)單元；雙進(jìn)雙出模型共劃分11 392個(gè)單元。原油屬于高粘性流體，渤海原油性質(zhì)見表2，油井的輸油量為10 750 m3/d，換算流速如下。

表2 渤中3-2油田原油性質(zhì)

1)單進(jìn)單出流速。

2)雙進(jìn)雙出流速。

4.3 單進(jìn)單出液滑環(huán)的流場(chǎng)計(jì)算

4.3.1 初始設(shè)計(jì)液滑環(huán)的流場(chǎng)計(jì)算

按網(wǎng)格完成Fluent流場(chǎng)分析，由于原油的粘性較高而且變化范圍很大，這次分別采用低粘度37.03 mPa·s和高粘度168.3 mPa·s計(jì)算。不同粘度下的流場(chǎng)壓力分布圖與流場(chǎng)速度矢量分布見圖4、5。

圖4 單進(jìn)單出液滑環(huán)初始模型壓力云圖

圖5 單進(jìn)單出液滑環(huán)初始模型速度矢量

從壓力分布圖不難看出，粘度的改變對(duì)壓力的大小和分布影響不大，低粘度下腔體內(nèi)的壓力分布略高于高粘度。粘度對(duì)速度分布影響較大，低粘度下的速度場(chǎng)分布的峰值和變化范圍均明顯高于高粘度下的速度場(chǎng)分布。從速度場(chǎng)矢量分布圖上不難看出，初始設(shè)計(jì)方案均存在明顯的渦旋流動(dòng)。

4.3.2 不同設(shè)計(jì)方案下的流場(chǎng)計(jì)算

按初始設(shè)設(shè)計(jì)的流場(chǎng)分布給出不同的設(shè)計(jì)方案，分別計(jì)算其在低粘度和高粘度下的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)分布。分別計(jì)算10種不同的設(shè)計(jì)模型，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 單進(jìn)單出最大壓力與最大速度

由表3可見，不同的設(shè)計(jì)方案對(duì)最大壓力和最大流速影響較小，但從云圖上可以看出，不同的設(shè)計(jì)對(duì)壓力分布和速度分布有明顯影響，尤其對(duì)速度場(chǎng)分布影響很大。

1)腔體下緣需按傾斜設(shè)計(jì)，有助于消除底部渦旋。

2)軸線距離對(duì)整體速度場(chǎng)影響較大，距離近最大速度降低，且渦旋出現(xiàn)較小。

3)當(dāng)軸線距離較大時(shí)產(chǎn)生較大的高度差，此時(shí)需控制下緣傾斜的角度。

4)腔體上緣可適當(dāng)提升，用以減小壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的最大值分布。

4.4 雙進(jìn)雙出液滑環(huán)的流場(chǎng)計(jì)算

4.4.1 初始設(shè)計(jì)液滑環(huán)的流場(chǎng)計(jì)算

分別采用低粘度37.03 mPa·s和高粘度168.3 mPa·s計(jì)算。不同粘度下的流場(chǎng)壓力分布圖與流場(chǎng)速度矢量分布圖見圖6和圖7。

圖6 雙進(jìn)雙出液滑環(huán)初始模型壓力云圖

圖7 雙進(jìn)雙出液滑環(huán)初始模型速度矢量分布

從壓力分布圖不難看出，與單進(jìn)單出模式類似，粘度的改變對(duì)壓力的大小和分布影響不大，低粘度下腔體內(nèi)的壓力分布略高于高粘度。雙進(jìn)雙出模式下粘度對(duì)速度分布影響同樣較大，低粘度下的速度場(chǎng)分布的峰值和變化范圍均明顯高于高粘度下的速度場(chǎng)分布。

4.4.2 不同設(shè)計(jì)方案下的流場(chǎng)計(jì)算

按初始設(shè)計(jì)的流場(chǎng)分布給出不同的設(shè)計(jì)方案，分別計(jì)算其在低粘度和高粘度下的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)分布。分別計(jì)算9種不同的設(shè)計(jì)模型，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 雙進(jìn)雙出最大壓力與最大速度總表

由表4可見，不同的設(shè)計(jì)方案對(duì)最大壓力影響較小，最大速度隨設(shè)計(jì)方案有一定改變。分析壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)不難發(fā)現(xiàn)，雙進(jìn)雙出的腔體截面形式有和單進(jìn)單出類似的規(guī)律。

1)腔體下緣底端需與出油口底端處在同一高度，不然容易造成沉積。

2)腔體下緣需按傾斜設(shè)計(jì)，最后通過倒角與底緣連接，有助于消除底部渦旋。

3)腔體上緣可適當(dāng)提升，用以減小壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的最大值分布。

5 新液滑環(huán)的三維流場(chǎng)計(jì)算

通過分析單進(jìn)單出與雙進(jìn)雙出的設(shè)計(jì)方案，選取其中壓力與速度分布較合理，渦旋流動(dòng)較小的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行3D(三維)流場(chǎng)分析，分別采用單進(jìn)單出的方案2與雙進(jìn)雙出的方案9進(jìn)行分析。

考慮入油口與出油口不正對(duì)的情況，若出油口位于入油口正后方，則整體結(jié)構(gòu)還存在對(duì)稱性，較大壓力和沉積主要出現(xiàn)在入油口附近，故建立入油口附近區(qū)域的3D模型。

5.1 單進(jìn)單出3D流場(chǎng)分析

流場(chǎng)分析采用低粘度計(jì)算，考慮到矢量運(yùn)算的計(jì)算量較大和結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，先對(duì)入油口及其周邊區(qū)域進(jìn)行3D建模分析，見圖8。

圖8 單進(jìn)單出3D流場(chǎng)

若出油口既不位于正前方也不位于其正后方，則需要建立整體的3D模型完成流場(chǎng)分析與計(jì)算。為了能夠同時(shí)監(jiān)視入油口、出油口和中間流通狀態(tài)建立如圖9所示的監(jiān)視截面。

圖9 單進(jìn)單出新液滑環(huán)整體流場(chǎng)模型和有限元網(wǎng)格劃分

3D建模及網(wǎng)格共劃分975 110個(gè)單元。在計(jì)算整體流場(chǎng)同時(shí)，對(duì)圖中的3個(gè)監(jiān)測(cè)面的壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)進(jìn)行了跟蹤分析。通過對(duì)平面流場(chǎng)的分析計(jì)算不難發(fā)現(xiàn)，高粘度情況下的最大壓力較大，故這里采用最大粘度模擬整體流場(chǎng)；考慮到沉積對(duì)出、入油口流速的可能影響，這里假設(shè)出入油口直徑為98 mm，入油口流速為4.123 8 m/s。

整體流場(chǎng)的壓力分布和速度分布見圖10。

圖10 單進(jìn)單出整體3D流場(chǎng)

可以看到，當(dāng)出油口比較接近入油口時(shí)，入油口接近出油口一側(cè)容易產(chǎn)生較大的渦旋流動(dòng)，該流動(dòng)一般發(fā)生在腔體的下邊緣線中部，由于下邊緣線采用了斜面設(shè)計(jì)，當(dāng)滑環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的沉積會(huì)得到?jīng)_刷。

5.2 雙進(jìn)雙出3D流場(chǎng)分析

雙進(jìn)雙出的3D流場(chǎng)分析采用的是高粘度計(jì)算，考慮到結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，先對(duì)入油口及其周邊區(qū)域進(jìn)行3D建模分析，進(jìn)行其壓力分布云圖和速度分布見圖11。

圖11 雙進(jìn)雙出3D流場(chǎng)的速度矢量分布

完成平面流場(chǎng)模擬對(duì)稱性分析后建立三維流場(chǎng)模型及網(wǎng)格見圖12，共劃分單元831 500個(gè)。

圖12 雙進(jìn)雙出滑環(huán)的有限元模型及其網(wǎng)格劃分

高粘度計(jì)算的雙進(jìn)雙出的3D全域流場(chǎng)壓力分布、速度分布見圖13。

圖13 雙進(jìn)雙出模型3D流場(chǎng)

可以看出，新設(shè)計(jì)滑環(huán)模型的壓力場(chǎng)中承壓面分布合理；腔體靠近入油口一側(cè)的底部的流速場(chǎng)為流體向兩側(cè)分流產(chǎn)生的投影區(qū)，不會(huì)有明顯沉積。

5.3 流場(chǎng)分析結(jié)果

分析單進(jìn)單出與雙進(jìn)雙出的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)不難發(fā)現(xiàn)，兩種類型滑環(huán)的腔體截面形式有類似規(guī)律。

1)腔體下緣底端需與出油口底端處在同一高度，不然容易造成沉積。

2)腔體下緣需按傾斜設(shè)計(jì)，最后通過倒角與底緣連接，有助于降低沖擊壓力。

3)腔體上緣可適當(dāng)提升，用以減小壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的最大值分布。在型腔形狀設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)予以充分考慮。

6 結(jié)束語

液滑環(huán)作為單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的國產(chǎn)化可以大大降低油田的開發(fā)成本。本項(xiàng)目通過國外液滑環(huán)的拆解分析得到真實(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合渤海灣邊際油田的設(shè)計(jì)要求提出了新的液滑環(huán)設(shè)計(jì)方案。在對(duì)新的液滑環(huán)設(shè)計(jì)方案的計(jì)算分析中，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)未來液滑環(huán)設(shè)計(jì)制造的國產(chǎn)化進(jìn)行了有益的探索和嘗試。

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