單點(diǎn)系泊系統(tǒng)液體旋轉(zhuǎn)接頭密封圈實(shí)驗(yàn)研究

熊清海，孟祥志，呂偉，高奇，張德珍

1.大連迪施船機(jī)有限公司，遼寧大連116620

2.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧沈陽110819

3.大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧大連116026

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)液體旋轉(zhuǎn)接頭密封圈實(shí)驗(yàn)研究

熊清海1，孟祥志2，呂偉1，高奇1，張德珍3

1.大連迪施船機(jī)有限公司，遼寧大連116620

2.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧沈陽110819

3.大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧大連116026

液體旋轉(zhuǎn)接頭是單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，目前全部依賴進(jìn)口，它的國產(chǎn)化具有重要的戰(zhàn)略意義。密封圈是液體旋轉(zhuǎn)接頭最重要的部件之一，密封圈的摩擦扭矩是液體旋轉(zhuǎn)接頭設(shè)計(jì)所需要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。研制了專門的密封圈實(shí)驗(yàn)機(jī)和液壓油供油系統(tǒng)，利用該實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)液體旋轉(zhuǎn)接頭的密封圈在19種油壓下的摩擦扭矩進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，得到了密封圈的摩擦扭矩隨液壓油溫度和壓力變化的規(guī)律，利用MATLAB軟件得到了密封圈摩擦扭矩-油壓曲線的擬合方程和液體旋轉(zhuǎn)接頭密封圈旋轉(zhuǎn)扭矩的計(jì)算方法，為液體旋轉(zhuǎn)接頭的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)；液體旋轉(zhuǎn)接頭；密封圈；實(shí)驗(yàn)研究

海洋油氣裝備制造業(yè)是國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，是高端裝備制造業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向[1]。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)是海洋油氣工程領(lǐng)域的關(guān)鍵裝備之一，目前已經(jīng)在我國各海域油田中得到大量應(yīng)用。高壓多通道液體旋轉(zhuǎn)接頭是單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，目前全部依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴，且供貨周期長，因此自主研發(fā)液體旋轉(zhuǎn)接頭具有重要的戰(zhàn)略意義。密封圈是整個(gè)液體旋轉(zhuǎn)接頭最重要的部件之一，它對(duì)旋轉(zhuǎn)接頭的可靠性、耐久性和安全性具有關(guān)鍵性的影響，也是國內(nèi)外旋轉(zhuǎn)接頭研制方面最主要的差距所在。本文利用自主研制的小樣密封圈扭矩實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)液體旋轉(zhuǎn)接頭中的密封圈性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了關(guān)鍵的技術(shù)數(shù)據(jù)，為液體旋轉(zhuǎn)接頭的自主研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

1 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)液體旋轉(zhuǎn)接頭

單點(diǎn)系泊是指海洋工程船舶通過單點(diǎn)形式系泊在另一個(gè)固定式或浮式結(jié)構(gòu)物上，船舶圍繞該結(jié)構(gòu)物可以隨風(fēng)浪流作360°回轉(zhuǎn)，由于風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，被系泊船舶將會(huì)停泊在環(huán)境力最小的方位上[2]。對(duì)海洋油氣開采來說，它還必須具有流體輸轉(zhuǎn)功能。如圖1所示為內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，位于儲(chǔ)油駁船（FPSO）中的旋轉(zhuǎn)接頭是單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。旋轉(zhuǎn)接頭由若干滑環(huán)、堆棧構(gòu)成（如圖2所示），具有輸轉(zhuǎn)油、氣、水、電等功能[3-5]。

液體旋轉(zhuǎn)接頭的結(jié)構(gòu)如圖3所示，輸油管直接與系泊點(diǎn)的水下輸油立管相連，內(nèi)環(huán)固定于駁船船身，外環(huán)相對(duì)于內(nèi)環(huán)可360°回轉(zhuǎn)。內(nèi)外環(huán)接合面上設(shè)置若干密封圈，用來保證輸轉(zhuǎn)液、氣時(shí)不產(chǎn)生泄漏。為了提高裝置的密封效果，在兩道密封圈之間添加高壓液壓油，形成高壓油密封系統(tǒng)。高壓油的壓力將隨著輸送腔內(nèi)壓力的變化而實(shí)時(shí)變化，液體旋轉(zhuǎn)接頭因密封圈產(chǎn)生的摩擦扭矩也隨之變化。在液體旋轉(zhuǎn)接頭設(shè)計(jì)時(shí)弄清楚密封圈摩擦扭矩的變化規(guī)律對(duì)液體旋轉(zhuǎn)接頭的外部支承、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的強(qiáng)度和疲勞計(jì)算具有重要意義。

圖1 內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)主要示意

圖2 液體旋轉(zhuǎn)接頭堆棧

圖3 旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)

2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)的液體旋轉(zhuǎn)接頭密封圈結(jié)構(gòu)如圖4所示，它由唇形密封圈、背壓環(huán)和蓄能彈簧等三部分組成。唇形密封圈由PTFE+石墨+碳纖維等混合燒結(jié)而成，背壓環(huán)用來防止唇形密封圈因受壓擠出咬唇而破壞，蓄能彈簧材質(zhì)為INCONEL 718，具有良好的回彈和耐腐蝕性，使唇形密封圈在受壓下可保持穩(wěn)定，并使密封唇口產(chǎn)生預(yù)緊力，從而達(dá)到良好的密封性。

圖4 密封圈截面

為了研究密封圈的摩擦扭矩變化規(guī)律及密封性能，作者研制了小樣密封圈扭矩實(shí)驗(yàn)機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 小樣密封圈實(shí)驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)機(jī)的內(nèi)環(huán)2可繞軸3轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)環(huán)和外環(huán)6之間的空腔內(nèi)充滿液壓油，二者間由兩個(gè)唇型彈簧蓄能密封圈4密封，外環(huán)利用兩個(gè)外環(huán)定位套杯1對(duì)其進(jìn)行軸向和周向定位，定位套杯本身利用箱體軸承座孔定位，每個(gè)定位套杯通過4個(gè)內(nèi)六角螺釘與箱體連接使之固定，而每個(gè)定位套杯與外環(huán)之間靠4個(gè)螺釘連接，從而限制外環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)機(jī)頂部外環(huán)上開有兩個(gè)油孔，用于連接高壓油密封系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過扭矩傳感器測量軸和內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的扭矩，此扭矩即為密封圈的旋轉(zhuǎn)扭矩。

壓力油系統(tǒng)的液壓原理如圖6所示。齒輪泵將油箱中的液壓油泵入實(shí)驗(yàn)機(jī)內(nèi)、外環(huán)之間的空腔，當(dāng)回油口處的截止閥2關(guān)閉后，通過調(diào)節(jié)可調(diào)溢流閥來慢慢改變實(shí)驗(yàn)機(jī)供油壓力。供油壓力值通過回油口處的壓力表讀取。油箱中的油溫通過油箱處的溫度表來測量。

圖6 壓力油系統(tǒng)液壓原理

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

主電機(jī)采用YVP225S-50-B型變頻調(diào)速三相異步電機(jī)，額定功率為37 kW，調(diào)速范圍為0～3 000 r/min。擺線減速機(jī)采用擺線針輪減速器，傳動(dòng)比為29。扭矩傳感器采用JC2C型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，扭矩量程為0～1 000 N·m，工作轉(zhuǎn)速為0～4 000 r/min。測試系統(tǒng)采用湘儀動(dòng)力測試儀器有限公司生產(chǎn)的JW-3扭矩儀。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)時(shí)，先把油壓調(diào)整到一定壓力后，記錄扭矩傳感器的扭矩值和油箱油溫。小樣密封圈實(shí)驗(yàn)機(jī)的軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為1.0 r/min。在設(shè)定的油壓下運(yùn)轉(zhuǎn)1 h，每隔3 min記錄一次數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)油壓分別為0、0.5、1.0、1.5、……、8.5、9.0 MPa共19個(gè)壓力，每個(gè)壓力做4輪實(shí)驗(yàn)。圖8～10分別為0、4.0和9.0 MPa油壓下，小樣密封圈的扭矩-油溫測試曲線結(jié)果。

圖8 油壓0 MPa下的扭矩-油溫測試曲線

圖9 油壓4.0 MPa下的扭矩-油溫測試曲線

當(dāng)油箱油溫為25℃時(shí)，各壓力下的小樣密封圈扭矩最大值和平均值的試驗(yàn)曲線如圖11所示。

利用MATLAB軟件得到兩條曲線的擬合方程，其中平均值扭矩-壓力曲線擬合方程為：

最大值扭矩-壓力曲線擬合方程為：

式中：P為液壓油壓，MPa；T為密封圈的摩擦扭矩，N·m。

內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)液體旋轉(zhuǎn)接頭的密封圈布置如圖3所示，上部的第一和第二道密封圈空腔內(nèi)充滿高壓油，形成高壓油密封系統(tǒng)來提高密封件的密封效果。

根據(jù)圖9實(shí)驗(yàn)結(jié)果和式（1）、（2），可以計(jì)算單點(diǎn)系泊系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)接頭液滑環(huán)密封圈在不同油壓下的扭矩值。當(dāng)高壓油系統(tǒng)油壓為k MPa時(shí)，計(jì)算公式為：

式中：Tk為當(dāng)油壓為k MPa時(shí)，旋轉(zhuǎn)接頭液滑環(huán)密封圈的扭矩值，N·m；Tk小樣為油壓k MPa時(shí)，小樣密封圈的扭矩實(shí)測值，N·m；mk為油壓k MPa時(shí)，旋轉(zhuǎn)接頭液滑環(huán)密封圈的圈數(shù)；D為旋轉(zhuǎn)接頭液滑環(huán)密封圈的內(nèi)徑，mm；mk小樣為油壓k MPa時(shí)，小樣密封圈的圈數(shù)；D小樣為小樣密封圈的內(nèi)徑，mm。

當(dāng)各道密封圈之間的油壓有n個(gè)壓力時(shí)，所有密封圈的總摩擦阻力矩為：

圖10 油壓9.0 MPa下的扭矩-油溫測試曲線

圖11 25℃時(shí)的扭矩-油壓曲線

4 結(jié)論

為了研究內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)接頭液滑環(huán)密封圈的旋轉(zhuǎn)扭矩和密封性能，研制了專門的小樣密封圈實(shí)驗(yàn)機(jī)及壓力供油系統(tǒng)。對(duì)16種供油壓力下的密封圈旋轉(zhuǎn)扭矩進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了小樣密封圈扭矩-油溫曲線和扭矩-油壓曲線。得到了扭矩-油壓曲線的擬合方程和旋轉(zhuǎn)接頭液滑環(huán)密封圈旋轉(zhuǎn)扭矩的計(jì)算方法，驗(yàn)證了彈簧蓄能密封圈的密封可靠性，為液體旋轉(zhuǎn)接頭的研制提供了數(shù)據(jù)支持。

[1]劉生法.內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)介紹[J].廣東造船，2014（2）：25-28.

[2]劉生法.單點(diǎn)系泊系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探討[J].中國海洋平臺(tái)，2012，27（1）：39-43.

[3]宋志鵬，鄭紹春.浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油船多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭性能分析[J].船海工程，2010，39（4）：53-57.

[4]孫見君，顧伯勤，魏龍.在役機(jī)械密封端面摩擦扭矩的測量與控制[J].石油機(jī)械，2005，33（3）：59-61.

[5]劉志剛，何炎平.FPSO轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)的技術(shù)特征及發(fā)展趨勢[J].中國海洋平臺(tái)，2006，21（5）：1-6.

Experimentalstudyon sealring ofliquid swivelfor single point mooring system

XIONG Qinghai1，MENG Xiangzhi2，LYU Wei1，GAO Qi2，ZHANG Dezhen3
1.DieselMarine Dalian Limited，Dalian 116620，China
2.Schoolof MechanicalEngineering and Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China
3.College of Information Science and Technology，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China

Liquid swivel is one of the key equipment in the single point mooring system.At present，it is all dependent on import，so localization of this equipment has important strategic significance.The seal ring is one of the most important parts of the swivelin single point mooring system.The friction torque of the sealring is one of the important data for the design of the liquid swivel.A special seal ring experimentalmachine and hydraulic oilsupply system were developed.The friction torques of the seal ring sample were tested under 19 hydraulic pressures.Variation law of the friction torque，which changes with the oil temperature and pressure was researched.The fitting equation of friction torque-oil pressure curves for the sealring and the calculation method of the rotary torque of the swivel seal ring were presented by MATLAB.The key data were provided for the product design of the swivel.

single point mooring system；liquid swivel；sealring；experimentalstudy

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.004

熊清海（1985-），男，四川資陽人，工程師，2013年畢業(yè)于中國石油大學(xué)，現(xiàn)主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造和海洋石油工程裝備方向的研究工作。Email：xiongqinghai@cosco-shipyard.com

2016-11-14