渤海某FPSO氣滑環(huán)密封在線更換技術(shù)應(yīng)用

李德斌,張寶雷,夏華波

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

渤海某FPSO位于蓬勃作業(yè)區(qū)，采用水上塔架式軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，其中單點(diǎn)堆棧氣滑環(huán)承擔(dān)FPSO與平臺(tái)之間天然氣介質(zhì)的輸送功能。2018年10月，F(xiàn)PSO生產(chǎn)方例行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)該滑環(huán)天然氣泄漏量明顯，隨后生產(chǎn)方進(jìn)行了臨時(shí)性修復(fù)。2019年4月，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試確認(rèn)該單點(diǎn)堆棧氣滑環(huán)第一道、第二道密封失效，為了確保單點(diǎn)系泊系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)的可靠性與完整性并徹底解決天然氣滑環(huán)密封圈泄漏、公共滑環(huán)中部模塊與下部模塊相對(duì)位移的故障，油田生產(chǎn)方擬實(shí)施在線滑環(huán)密封更換作業(yè)。針對(duì)渤海FPSO設(shè)施上氣滑環(huán)密封更換作業(yè)，存在管理界面多、動(dòng)復(fù)員時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高昂等問題?？紤]以渤海某FPSO單點(diǎn)氣滑環(huán)密封更換施工作業(yè)為背景，對(duì)傳統(tǒng)更換方案進(jìn)行改進(jìn)。

1 單點(diǎn)氣滑環(huán)密封系統(tǒng)

1.1 滑環(huán)密封結(jié)構(gòu)

滑環(huán)系統(tǒng)作為單點(diǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，滑環(huán)組塊分別由原油轉(zhuǎn)換滑環(huán)、電旋轉(zhuǎn)頭(電滑環(huán))、光纖通訊滑環(huán)、公用液壓源和放氣管線旋轉(zhuǎn)頭以及配套液壓控制系統(tǒng)組成。渤海某FPSO采用塔架式單點(diǎn)系統(tǒng)，滑環(huán)系統(tǒng)采用堆疊式布置，見圖1?；h(huán)系統(tǒng)是FPSO在風(fēng)浪流作用下，單點(diǎn)系統(tǒng)繞動(dòng)過程的連接模塊。以滑環(huán)外部腔道(外環(huán))與內(nèi)核模塊(內(nèi)環(huán))為主要組成部分，其中外環(huán)同時(shí)與單點(diǎn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模塊相連。在船體運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)在驅(qū)動(dòng)臂作用下外環(huán)與內(nèi)環(huán)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)[2]。

圖1 外轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系統(tǒng)及滑環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成

滑環(huán)系統(tǒng)中密封元件作為密封關(guān)鍵組件[3]，用以保護(hù)滑環(huán)運(yùn)行過程中，輸送油氣介質(zhì)不發(fā)生泄漏。通常環(huán)式密封結(jié)構(gòu)由頂部密封和底部密封構(gòu)成，對(duì)于天然氣滑環(huán)上下密封結(jié)構(gòu)又由主密封、輔密封、三級(jí)密封構(gòu)成，見圖2。

這樣的密封結(jié)構(gòu)可以最大化密封系統(tǒng)的安全性，在主輔密封失效后三級(jí)密封仍然起到介質(zhì)物密封的作用，而且通常三級(jí)密封會(huì)采用剛性結(jié)構(gòu)，大大降低三級(jí)密封的失效可能。

1.2 滑環(huán)密封原理

滑環(huán)密封組件是由密封圈及彈性構(gòu)件組合的壓力輔助裝置，其中密封圈及彈簧均具有優(yōu)異的耐腐蝕能力，滿足長(zhǎng)期使用免維護(hù)的特性。當(dāng)密封圈安裝在滑環(huán)密封槽內(nèi)，彈性構(gòu)件受壓，壓力被分解為向密封圈兩側(cè)的張力，使密封圈向兩側(cè)擴(kuò)張，促使密封圈緊貼滑環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)靜止環(huán)的密封面，形成密封。

彈性構(gòu)件給密封圈提供永久彈力，有效彌補(bǔ)材料磨損及配合零件的偏移或偏心，由此可形成有效的密封，同時(shí)介質(zhì)壓輔助密封圈蓄能，當(dāng)密封圈兩側(cè)壓力越大，密封圈與滑環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)靜止環(huán)的密封面貼合的越緊密，通過彈簧彈力和介質(zhì)壓力的協(xié)同作用，從而使整個(gè)滑環(huán)密封組件無論在高壓或低壓狀態(tài)下，都可實(shí)現(xiàn)有效密封作用。

2 滑環(huán)密封完整性測(cè)試

2.1 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

測(cè)試所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)是OCIMF 1999年第三版。

對(duì)于天然氣介質(zhì)，滑環(huán)應(yīng)保持在高于最低設(shè)計(jì)溫度下進(jìn)行測(cè)試，相應(yīng)操作壓力見表1。

表1 滑環(huán)設(shè)計(jì)壓力和操作壓力 MPa

在滿足相應(yīng)測(cè)試要求的前提下，根據(jù)各密封圈尺寸同時(shí)參考泄漏量標(biāo)準(zhǔn)(見表2)，判斷密封環(huán)狀態(tài)。

表2 天然氣滑環(huán)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

考慮到該設(shè)施上7″天然氣滑環(huán)的實(shí)際使用情況，參照廠家所提供測(cè)試程序按照操作壓力的115%作為測(cè)試壓力，采用氮?dú)庾鳛闇y(cè)試介質(zhì)。

2.2 測(cè)試準(zhǔn)備及測(cè)試工作

完成總體工作準(zhǔn)備包括所需的工程輔助、提前做好生產(chǎn)隔離等[5]。從氣滑環(huán)UW1到UP1和US1安裝壓力導(dǎo)通裝置，見圖3。

圖3 臨時(shí)液壓管線導(dǎo)通裝置

分別選取50%，115%生產(chǎn)壓力對(duì)密封進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，緩慢升壓利用肥皂水對(duì)天然氣模塊所有接頭進(jìn)行測(cè)漏并觀察。需要注意的是，在完成每一道密封的測(cè)試后，需通過對(duì)應(yīng)接頭完成泄放過程。

測(cè)試結(jié)果，117 FPSO單點(diǎn)天然氣滑環(huán)主、輔密封結(jié)構(gòu)破損，三級(jí)密封完好。由于2道密封結(jié)構(gòu)已經(jīng)失效,存在很大安全隱患[4]，影響油田正常生產(chǎn)。為排除隱患，同時(shí)不影響油田的產(chǎn)量，決定采用在線更換破損密封結(jié)構(gòu)。

3 滑環(huán)密封更換

3.1 更換前準(zhǔn)備

對(duì)于生產(chǎn)狀態(tài)下的FPSO設(shè)施，應(yīng)先拆除影響的施工的格柵、護(hù)欄等結(jié)構(gòu)物。拆除管線保溫層，將維修工字鋼架盡量調(diào)高，用木塊等材料保持抬高狀態(tài)。將施工所需淡水源、空氣源、制氮機(jī)/氮?dú)馄考敖宇^、氮?dú)馄拷M接頭、電源等提前布置到位，這部分可與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件相匹配，由施工方與生產(chǎn)方明確責(zé)任界面劃分。

預(yù)先與生產(chǎn)方確認(rèn)停產(chǎn)計(jì)劃，在停產(chǎn)前清除模塊上所有潤滑脂、污垢、碎屑等殘余以減少密封圈與滑環(huán)模塊本體表面的損傷，需注意的是潤滑脂必須全部清除。

為最大限度的縮短停產(chǎn)周期，該設(shè)施滑環(huán)系統(tǒng)更換采用非限位狀態(tài)下實(shí)施。密封更換的關(guān)鍵是分離滑環(huán)驅(qū)動(dòng)臂[6]，同時(shí)保持滑環(huán)系統(tǒng)內(nèi)、外環(huán)保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。拆除滑環(huán)的A字形驅(qū)動(dòng)臂，用倒鏈臨時(shí)固定滑環(huán)模塊并連接至模塊吊耳，并優(yōu)先拆除驅(qū)動(dòng)臂的A架。用倒鏈或吊帶懸掛住驅(qū)動(dòng)臂拆除連接A架法蘭面的螺栓，直至驅(qū)動(dòng)臂重量逐漸全部落在吊帶上[7]，最后將螺栓全部拆除。

3.2 密封更換實(shí)施

3.2.1 中心環(huán)拆除

以117 FPSO設(shè)施為例，首先在滑環(huán)下部安裝6個(gè)液壓千斤頂拆除滑環(huán)頂部及底部所有螺栓頂帽；然后，沿圓周均勻分布安裝6個(gè)全螺紋長(zhǎng)攻螺絲和6個(gè)引導(dǎo)銷，參數(shù)見表3；最后，下放中部墊片及底部法蘭。

表3 輔助拆卸工具

需要注意的是，下放過程應(yīng)先使用千斤頂下降5 mm安裝全螺紋長(zhǎng)攻螺絲，再使用千斤頂下放30 mm下放底部法蘭。間隔順序?qū)τ谡麄€(gè)中心環(huán)拆除過程的安全性至關(guān)重要[8]。

3.2.2 更換滑環(huán)上、下密封圈

以下密封圈更換過程為例，滑環(huán)底部密封中心環(huán)下降足夠空間后，拆除O型圈、3道密封圈,以及軸向滑動(dòng)軸承，見圖4。稍將密封進(jìn)行潤滑并安裝替換滑動(dòng)軸，提升千斤頂直到螺栓緊貼中部墊片[9]。將新密封及O型圈、軸向滑動(dòng)軸承安裝進(jìn)空腔中，移除下方中心環(huán)時(shí)的螺栓固定及中部墊片。最后，使用液壓千斤頂完成滑環(huán)回裝并移除引導(dǎo)銷。

圖4 拆卸密封及O型圈

上密封圈的更換過程與下密封圈基本相同，需要注意的是，在回裝完成后參照螺栓型號(hào)對(duì)螺栓打好轉(zhuǎn)矩[10]。

3.2.3 螺栓轉(zhuǎn)矩緊固作業(yè)

施工作業(yè)中需對(duì)模塊中所有的M24、M30螺栓進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的卸載和緊固。由于操作空間有限,所以在密封更換過程中需要用特殊的拉伸器。所有的螺栓采用90%緊固，在整個(gè)松緊及最后2個(gè)緊固步驟過程中需要非常小心，并且需在施工作業(yè)前確認(rèn)拉伸器型號(hào)及具體的操作程序。

施工中，所有M24、M30的螺栓均采用4個(gè)拉伸器以對(duì)角線形式相距相同距離同時(shí)緊固。同時(shí)拉伸器液壓軟管應(yīng)當(dāng)是內(nèi)部互通的并且壓力由單獨(dú)1個(gè)氣泵提供，保證供壓均勻，作業(yè)動(dòng)作同步。

4 結(jié)論

以渤海某FPSO天然氣滑環(huán)密封更換項(xiàng)目為例，提出臨時(shí)液壓密封閉環(huán)的方法，通過滑環(huán)互換性分析和海上更換方案改進(jìn)，成功實(shí)施了單點(diǎn)氣滑環(huán)密封在線更換作業(yè)。在線更換方式相比較傳統(tǒng)的施工方式可為生產(chǎn)作業(yè)方減少大量停產(chǎn)、復(fù)產(chǎn)時(shí)間，同時(shí)可解決占用船舶資源時(shí)間過長(zhǎng)，吊裝風(fēng)險(xiǎn)大等問題，可供類似的密封更換項(xiàng)目參考。