FPSO外輸軟管緊急脫開裝置設計計算

王 丹，趙會軍，余 捷

(中海油能源發(fā)展采油服務公司 技術中心，天津 300452)

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FPSO外輸軟管緊急脫開裝置設計計算

王 丹，趙會軍，余 捷

(中海油能源發(fā)展采油服務公司 技術中心，天津 300452)

針對外輸軟管將原油外輸期間，輸油軟管會受到海浪作用發(fā)生擺動，存在斷裂導致原油大量泄漏的風險問題，研制緊急脫開裝置保護外輸軟管，分析緊急脫開裝置工作原理，完成其閥體壁厚、裝置的流量系數(shù)、密封比壓及致斷螺栓設計，為實現(xiàn)裝置國產(chǎn)化提供參考。

FPSO；外輸軟管；緊急脫開裝置

海洋油氣勘探開發(fā)在世界能源開發(fā)中的地位逐漸凸顯，浮式生產(chǎn)儲油卸油系統(tǒng)(floating production storage and offloading system，F(xiàn)PSO)作為海洋石油開發(fā)中的關鍵裝備，其作用是將井口采出的原油進行油氣水分離，并儲存合格的原油，然后由穿梭油輪將原油運輸回陸地[1]。FPSO儲存的原油通過外輸軟管輸送至穿梭油船，多條輸油軟管通過法蘭連接起來。外輸軟管漂浮于海上，隨著波浪不斷擺動，一旦受力過大發(fā)生斷裂，會造成大面積的原油泄漏。因此，需在外輸軟管上加上一個緊急脫開裝置，以防止FPSO進行輸油作業(yè)時外輸軟管意外斷裂造成的原油泄漏事故[2-3]。

緊急脫開裝置也叫破斷節(jié)(marine breakaway couplings)，與陸上用的拉斷閥[4]原理一致。該裝置是在危險發(fā)生時確保觸發(fā)、瞬間閉合閥門、極少的滴漏和相對小的壓力損失。緊急脫開裝置的要求是自動、可靠、快速脫離，并且保證常規(guī)操作無動作。

緊急脫開裝置種類多樣，一般由2個彈簧力關閉的單向閥組成，見圖1。按照脫開原理可以分為：致斷螺栓型和鋼索拽拉型緊急脫開裝置；按照閥門的關閉形式，分為推動型、翻轉(zhuǎn)型、閥瓣型緊急脫開裝置。針對推動型的致斷螺栓脫開裝置進行裝置的原理分析及設計計算。

圖1 緊急脫開裝置結(jié)構(gòu)

1 緊急脫開裝置原理

緊急脫開裝置結(jié)構(gòu)簡單，對推動型的致斷螺栓脫開裝置來說，在正常輸油時，2個單向閥常開；當發(fā)生突發(fā)狀況時，2單向閥分離，同時閥門在彈簧力作用下立即關閉[5]。

致斷螺栓保證了輸送軟管及連接裝置不受意外張力的損傷，這種張力可以是軸向的也可以是非軸向的。在受到緊急超負荷外力時，觸發(fā)緊急脫開裝置，分離的單向閥2個端面內(nèi)部閥門在瞬間自動關閉，避免原油的泄漏造成環(huán)境污染。通過幾顆特殊設定的應力致斷螺栓保護軟管不受損害。注意：該閥的螺栓是一次性的。圖2為致斷螺栓型脫開裝置的作用過程。

圖2 致斷螺栓型脫開裝置原理

閥門的關閉形式以推動型最常用，當致斷螺栓斷裂后，2個閥芯中間連接部分分開，閥芯在彈簧作用下將推到與閥體接觸地方實現(xiàn)密封，彈簧預緊力的設計很關鍵。密封圈多安裝于閥芯上，密封圈采用O型圈，材料的耐油性要好。

2 理論計算

緊急脫開裝置實際也是一種閥門，其理論設計計算主要包含閥體壁厚、裝置的流量系數(shù)、密封比壓及致斷螺栓設計，其中以后2者的設計最為關鍵。

2.1 閥體壁厚計算

閥體壁厚的設計可參照文獻[6]所用壁厚設計公式。

(1)

式中：p——計算壓力，MPa；

Dn——計算內(nèi)徑，mm；

[σ]——許用拉應力，MPa；

C——腐蝕余量，mm，設計給定。

2.2 裝置流量系數(shù)

閥門的流量系數(shù)是衡量閥門流通能力的指標，流量系數(shù)越大則代表流體通過閥門時的壓力損失越小。緊急脫開裝置要求原油外輸時盡量降低壓力損失，縮短原油外輸?shù)臅r間，降低外輸?shù)娘L險。

流量系數(shù)表示流體流經(jīng)閥門時產(chǎn)生單位壓力損失時流體的流量，一般式的流量系數(shù)計算如下[6]。

(2)

式中：C——流量系數(shù)；

qV——體積流量；

ρ——流體密度；

Δp——閥門的壓力損失。

2.3 密封比壓計算

緊急脫開裝置的2個單向閥要求在致斷螺栓斷裂時，保證正常的啟閉并在關閉時達到密封不泄漏，其中閥門驅(qū)動力和密封副密封的合理設計計算是關鍵。閥門的驅(qū)動力是由閥門密封副密封設計計算所決定。閥門能在關閉時達到有效的密封，其密封副密封設計計算是主要環(huán)節(jié)。閥門密封的副密封，一般采用密封副2平整光滑密封面相互擠壓來阻止介質(zhì)通過，因此密封面上的總作用力及密封比壓計算如下[7]。

(3)

式中：QMZ——密封面上總作用力，N；

QMJ——密封面處介質(zhì)作用力，N；

QM1——彈簧的預緊力，N。

(4)

式中：DMN——密封面內(nèi)徑，mm；

bM——密封面寬度，mm；

p——計算壓力，MPa。

(4)

式中：F1——彈簧預加變形量，mm；

G——材料切變模量，MPa；

d——彈簧直徑，mm；

Dz——彈簧中徑，mm；

n——彈簧有效圈數(shù)。

而密封面上的密封比壓由下式求得。

(5)

q應滿足qMF

2.4 致斷螺栓設計

緊急脫開裝置的2個單向閥之間靠幾個致斷螺栓連接，隨著外輸軟管的搖擺，螺栓的受力不斷變化，這里分2種情況進行分析計算：①受最大拉力導致斷裂；②受循環(huán)的脈動載荷導致疲勞破壞。

1)最大拉應力。

(6)

式中：σmax——最大拉應力，MPa；

F——螺栓承受最大拉力，N；

d——螺栓的最小截面直徑，mm。

2)疲勞破壞[8]。拉力幅Fa是影響螺栓疲勞強度的最大因素。

(7)

式中：Fa——螺栓的拉力幅；

Fmax——螺栓的拉力最大值；

F0——螺栓的預緊力。

由于拉力幅是主要因素，因此可按應力幅進行螺栓疲勞強度的計算。

(8)

式中：nsa——計算安全系數(shù)；

3 結(jié)論

由于各種原因，目前緊急脫開裝置在國內(nèi)尚未有廠家生產(chǎn)，全部依賴國外進口(與外輸軟管一起)。因此，設計出經(jīng)濟性好、可靠性高、安全性好的緊急脫開裝置，具有現(xiàn)實意義。

[1] 袁中立,李春.FPSO的現(xiàn)狀與關鍵技術[J].石油工程建設,2005(6):25-29.

[2] 徐慧,張彩瑩,羅延生,等.海上漂浮輸油軟管拉伸與彎曲力學特性[J].油氣儲運,2012(4):279-282.

[3] 王維相.國內(nèi)外橡膠軟管工業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].橡膠工業(yè),2000(2):117-121.

[4] 王丹,鄭曉濤,董海杰,等.FPSO外輸軟管破斷節(jié)裝置提升安全性[J].石油與裝備,2013(52):81-82.

[5] 王偉杰,田永花.緊急關斷球閥在海洋石油平臺的選型應用[J].閥門,2012(4):22-24.

[6] 陸培文.實用閥門設計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.

[7] 陳國順.閥門密封副密封設計理論及計算方法的分析與研究[J].閥門,2010(3):11-13.

[8] 周志鴻,李靜.螺栓疲勞強度計算方法的對比與選擇[J].鑿巖機械氣動工具,2005(4):4-10.

Design of the Emergency Release Device for FPSO Off-loading Hose

WANG Dan, ZHAO Hui jun, YU Jie

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

As the offshore oil processing station, FPSO is responsible for transmitting crude oil to oil tankers by off-loading hoses. During transmission, the hoses will be affected by the waves with the risk of leaking crude oil. The emergency release device is developed to protect the hoses. The working principle of the emergency release device was introduced. The valve body thickness, flow coefficient, the sealing pressure and the breaking bolt were studied in detail which provides reference for equipment nationalization.

FPSO; off-loading hoses; emergency release device

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.016

2016-07-10

中海油總公司項目(C/KJF ETCY 003-2010)

王丹 (1986—)，男，碩士，工程師

U674.38

A

1671-7953(2016)05-0062-03

修回日期：2016-08-10

研究方向:海洋石油裝備、設備密封

E-mail:wangdanbulls2008@126.com