渤海海域水下軟剛臂單點的升級和改進

黃永鋒，余俊雄，彭湘桂，楊 軼，趙 磊，蘇 亮

（中海石油（中國）有限公司曹妃甸作業(yè)公司，天津 300451）

0 引言

渤海某油田FPSO的單點系泊系統(tǒng)為水下軟剛臂單點系泊系統(tǒng)，如圖1 所示，通過鉸接軟剛臂與FPSO 進行連接，主要由固定部分和旋轉(zhuǎn)部分組成［1］。該單點設(shè)計水下YOKE，通過錨鏈連接FPSO，另一端連接于回轉(zhuǎn)塔水下轉(zhuǎn)臺。當FPSO 隨風、波、流環(huán)境力作用下運動時，會通過YOKE 驅(qū)動轉(zhuǎn)臺帶動整個回轉(zhuǎn)塔旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)FPSO 繞單點運動的風向標效應(yīng)。其中基盤、內(nèi)塔、滑環(huán)內(nèi)芯等為固定部分，YKOE、轉(zhuǎn)臺、外塔、扭矩筒、外框架為旋轉(zhuǎn)部分，為滿足單點的旋轉(zhuǎn)，在水上、水下各設(shè)置了一套軸承［2］。

圖1 系泊系統(tǒng)總覽

運行期間出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)響聲，電滑環(huán)損壞，水上、水下軸承片損壞，流體滑環(huán)泄漏等。為預(yù)防單點出現(xiàn)災(zāi)難性的故障，對單點進行更換并分析老單點系統(tǒng)存在的問題，同時針對缺陷進行相應(yīng)地優(yōu)化。單點的故障分析主要應(yīng)用的方法是通過調(diào)研走訪的方式，收集單點出現(xiàn)問題的歷史，分析故障之間的相互關(guān)系，最終查找根本原因是水上、水下軸承引發(fā)的；然后通過有限元建模的方法進行分析，發(fā)現(xiàn)軸承設(shè)計理想狀態(tài)與實際偏差很大，造成運行時的接觸應(yīng)力遠超設(shè)計值；新單點的設(shè)計針對發(fā)現(xiàn)的問題進行局部的優(yōu)化升級，對結(jié)構(gòu)偏弱的地方進行了局部加強，并對水上、水下軸承的安裝結(jié)構(gòu)和材質(zhì)進行升級，以便能夠延長軸承壽命；對新單點運行中新增加的軸承密封問題又進行了改進，最終實現(xiàn)單點的安全穩(wěn)定運行。

1 單點故障分析

1.1 單點問題及邏輯

單點系泊系統(tǒng)在操作過程中出現(xiàn)過多次故障，尤其是從2009年開始，出現(xiàn)了很多問題。這些問題大部分是發(fā)生在單點的連接部位，主要問題有單點上部模塊振動嚴重；高壓電滑環(huán)4次故障；扭矩筒的3 個加強環(huán)上出現(xiàn)裂紋；外套筒錐體8 個螺栓斷裂；水下軸承片松動錯位，磨損；水上軸承偏磨，開裂；生產(chǎn)滑環(huán)螺栓斷裂；發(fā)現(xiàn)YOKE 橫搖軸承整體錯位；液體滑環(huán)故障泄漏［3］。

通過單點問題及故障的歷史收集，以單點運動載荷傳遞方向為主線，分析了問題及故障之間的內(nèi)在聯(lián)系，如圖2 所示。基于單點系統(tǒng)受環(huán)境力影響產(chǎn)生的載荷產(chǎn)生的故障結(jié)果，最終識別出在上述失效事件中，水上軸承的偏磨、水下軸承的松動和過度磨損是造成單點失效的根本原因，其他故障都是由于軸承損壞造成的次生故障［4］。因此，后續(xù)將以水上、水下軸承的故障分析為主線，分析失效原因和優(yōu)化方案。

圖2 單點故障邏輯關(guān)系

1.2 水下軸承故障

老單點水下軸承系統(tǒng)由1 組軸承、2 個徑向軸承、1 個軸向軸承組成，如圖3 所示。軸向軸承由12 片軸承片組成，軸承片由為帶用自潤滑材料制造，通過螺栓固定在軸承座上。

圖3 水上、水下軸承結(jié)構(gòu)

建立有限元模型分析水下軸承的故障原因，建模范圍選取自海底基盤頂部至內(nèi)套筒頂，通過對單點整體的在位分析發(fā)現(xiàn)，由于各種外載荷和安裝精度的影響，導(dǎo)致水下軸承的軸承座不是保持水平狀態(tài)，存在一個傾角，該傾角的存在將使得水下軸承與轉(zhuǎn)臺面不再保持全接觸，而是局部接觸［5］。通過加載載荷和調(diào)整單點軸承的傾斜角度，發(fā)現(xiàn)水下徑向軸承實際已經(jīng)起不到作用，水下軸向止推軸承接觸應(yīng)力呈現(xiàn)為非均勻分布，大部分軸承片不受力，應(yīng)力只是集中在幾片軸承片上，造成其接觸應(yīng)力大于設(shè)計值，如圖4 所示。由于海底泥沙的進入，可以預(yù)見其磨損速率快，壽命將減少。而實際情況也與分析結(jié)果相同，單點更換前通過潛水檢查發(fā)現(xiàn)了水下軸向軸承片已經(jīng)由于受力造成定位螺栓切斷，全部軸承片移位，通過測量發(fā)現(xiàn)軸承片的磨損厚度也超標。

圖4 水下軸承片應(yīng)力分析結(jié)果

1.3 水上軸承故障

老單點水上軸承系統(tǒng)也是由1 組軸承、2 個徑向軸承、1 個軸向軸承組成。軸向軸承由12 片軸承片組成，軸承片用低摩擦因數(shù)材料制造，與水下軸承一樣通過螺栓固定在軸承座上。

建立有限元模型分析水上軸承的故障原因，自內(nèi)套筒頂端至上層建筑頂端［6］。當考慮了FPSO 運動的偏心載荷（跨接軟管Riser、棧橋）后，軸向軸承處于明顯的非均勻接觸狀態(tài)，徑向軸承和軸向軸承只有一半的軸承片處于接觸狀態(tài)，另一半處于非接觸狀態(tài)，如圖5 所示。

圖5 水上軸承偏心

由于單點跨界軟管和棧橋等造成的偏心載荷，造成軸承片的接觸應(yīng)力也是遠遠大于原設(shè)計的均勻受力的情況。由于水上軸承的材料為PTFE，是一種強度較低的材料，可以預(yù)見水上軸承片的磨損不均勻且容易損壞［7］。而通過現(xiàn)場檢查及測量發(fā)現(xiàn)的實際情況也與分析結(jié)果相同，測量發(fā)現(xiàn)FPSO 側(cè)的軸向軸承磨損嚴重，而背靠FPSO 側(cè)的軸承片沒有磨損，可以觀察到上部軸向軸承多處發(fā)現(xiàn)裂紋。

2 新單點升級

2.1 水下軸承升級

新單點水下軸承針對軸承錯位、磨損嚴重等情況進行了改進，適應(yīng)工作環(huán)境，主要進行的改進如圖6 所示。具體有：（1）增加定位銷數(shù)量，銷孔設(shè)計成階梯形，防止脫落失效；（2）軸向軸承增加密封，防止泥沙進入加劇磨損；（3）增加軸承片安裝的軸承槽約束軸承片；（4）增加軸承片的厚度，增加軸承磨損壽命；（5）軸承安裝位置微調(diào)，是徑向軸承與軸向軸承互不干涉；（6）水下軸承增加潤滑系統(tǒng)，可從水上注入潤滑脂輔助潤滑。

圖6 水下軸承片設(shè)計改進

2.2 水上軸承升級

新單點上部結(jié)構(gòu)利舊，因此水上軸承的安裝結(jié)構(gòu)未更換，但是為消除軸承片偏磨的問題也進行了改進，主要是更換了軸承片的材料，由原來的純PTFE材料改為新的具有纖維增強特質(zhì)的PTFE材料，抗沖擊載荷性能更強，壓縮強度由原來的99 MPa提高到414 MPa，剪切強度由49 MPa 提高到100 MPa，摩擦因數(shù)要比舊單點水上軸承略低，可以增加軸承壽命［8］。

2.3 水下YOKE結(jié)構(gòu)改進

水下YOKE主要承擔連接系泊鏈與單點塔體的功能，通過兩個掛耳與塔體上的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)相連，YOKE 系統(tǒng)上設(shè)有橫搖軸承，用以釋放FPSO 橫搖運動自由度。舊單點YOKE 系統(tǒng)出現(xiàn)過軸承蓋板固定螺栓松動、橫搖軸承片松動等問題，如果YOKE系統(tǒng)出現(xiàn)故障，對單點系泊系統(tǒng)也會造成災(zāi)難性的后果。

新單點YKOE系統(tǒng)針對上述問題做了改進，如圖7 所示，具體如下。

（1）橫搖徑向軸承和橫搖軸向軸承片寬帶增加，增大了軸承與YOKE之間的接觸面積，從而改善了軸承受力。

（2）橫搖軸向軸承增加了安裝凹槽，用以固定軸承，起到限位作用。

（3）安裝兩道唇形密封，阻擋泥沙進入軸系。

（4）固定螺栓改為雙頭液壓拉伸螺栓，螺栓材料等級提升。

（5）YOKE部分構(gòu)建提高鋼級，提高關(guān)鍵部件的疲勞壽命。

（6）鎖盤增加備用鎖緊裝置，一旦鎖盤失效，則會啟動備用鎖緊裝置，該做法相當于給橫搖軸承處增加了一道保險。

2.4 外套筒結(jié)構(gòu)升級

外套筒式連接水下和水上的結(jié)構(gòu)，是傳遞扭矩的主要結(jié)構(gòu)，下部坐在轉(zhuǎn)臺上，上部與連接單點上部結(jié)構(gòu)。舊單點出現(xiàn)外套筒螺栓斷裂，外套筒頂部與上部結(jié)構(gòu)的插尖由于存在間隙而發(fā)生震動等情況［9］。

新單點針對外套筒做了如下改進。

（1）過渡錐區(qū)域連接形式由螺栓連接該成焊接，連接形式得到加強。

（2）舊單點水下外套筒驅(qū)動為4 塊凸肩驅(qū)動，新單點改為6 塊，如圖8 所示，限制了外套筒在水平方向上的運動，能夠有效降低沖擊載荷，同時降低外套筒驅(qū)動槽處的應(yīng)力水平［10］。

圖8 新舊外套筒驅(qū)動凸肩對比

（3）外套筒頂部與單點上部模塊相連處增加了新的液壓緩沖器，替換了舊單點曾于機械阻尼結(jié)構(gòu)，如圖9 所示，機械阻尼結(jié)構(gòu)僅為普通的彈簧阻尼，緩沖效果未達到預(yù)期設(shè)想。新加的Damper 阻尼結(jié)構(gòu)則同時具有“彈簧” 和“液壓” 雙重阻尼系統(tǒng)，因此也能更平緩地傳遞外套筒與上部模塊之間的載荷，從而有效降低由“外套筒－插尖” 驅(qū)動帶來的上部模塊的振動［11］。

圖9 新舊緩沖器對比

2.5 扭矩筒和液體滑環(huán)升級

扭矩筒用于連接上部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)與液體滑環(huán)系統(tǒng)，主要作業(yè)是驅(qū)動滑環(huán)轉(zhuǎn)動。老單點扭矩筒曾出現(xiàn)裂紋，因為此處屬于高應(yīng)力區(qū)域，受到單點回轉(zhuǎn)時的多頻次高頻沖擊載荷（系泊載荷），使得焊縫易產(chǎn)生疲勞裂紋［12］。老單點的液體滑環(huán)也出現(xiàn)軸承鎖環(huán)緊固螺栓全部斷裂和滑環(huán)中間軸承鎖環(huán)抗剪銷斷裂失效等問題。

新單點針對扭矩筒和液體滑環(huán)做了如下改進。

（1）由原來的1 個軸承帶動其余2 個軸承驅(qū)動方式變成了3 個軸承分別單獨驅(qū)動。

（2）新設(shè)計消除了舊單點扭矩筒中的大開口設(shè)計，提高扭矩筒強度。

（3）新滑環(huán)抗剪銷數(shù)量增至4 個，提升抗剪承載能力。

（4）滑環(huán)驅(qū)動方式由原來的集中驅(qū)動1 個滑環(huán)改為均勻驅(qū)動3 個滑環(huán)。

升級后，單點運行平穩(wěn)。在運行過程中，又根據(jù)出現(xiàn)的局部問題進行了改進。

3 水下軸承套改進

2018年，在單點潛水檢查時發(fā)現(xiàn)新增加的水下軸承密封已經(jīng)脫落。由于原密封是一個整體的圓環(huán)形狀，是在陸地時套到單點上的，目前單點在海上這種密封已經(jīng)無法安裝，面對這種情況進行了改進。

為了能夠滿足目前安裝的需求，單點水下密封的設(shè)計需要設(shè)計成拼接的形式，由于圓形密封的半徑達到了4 m，這個密封周長約12.5 m，考慮設(shè)計成一段或者幾段的形式，考慮到水下安裝的便利性和可操作性，初步設(shè)計為一段，只留一個V 型拼接口，如圖10 所示。

圖10 新設(shè)計水下密封

根據(jù)水下密封運行的工況和環(huán)境特點，選用耐候性較好的聚氨酯材料，聚氨酯彈性體性能介于塑料和橡膠之間，耐油、耐磨、耐低溫、耐老化、硬度高、有彈性。HPU（耐高溫水解型聚氨酯）是耐水解的澆筑性聚氨酯彈性體。在90 ℃的水中和礦物油中穩(wěn)定性很好。由于其優(yōu)秀的耐水解能力，可用于冶金、鋼鐵、煤礦開采等多個行業(yè)。聚氨酯材料正好可以滿足水下密封運行需要的耐海水、耐磨、耐老化、有彈性等要求，因此選擇了聚氨酯材料來制作水下密封。

常規(guī)密封的制作都是采用磨具澆鑄的工藝，考慮到本密封的直徑長達4 m，模具制作難度大，費用非常高，經(jīng)過研究，采用先進的數(shù)控無模具車削工藝制作密封，這種工藝加工精度高、費用低，且由于圖紙及水下測量的長度都可以有偏差，車削的長度也考慮了一點的富裕量。加工成型后的密封也便于包裝運輸。

通過水下密封外形設(shè)計、接口設(shè)計、固定裝置設(shè)計、選擇合適的材料和加工方法，能夠?qū)嵭兴麓笮兔芊獾闹谱骱桶惭b，解決了單點系統(tǒng)的隱患。

4 結(jié)束語

單點系泊系統(tǒng)是油田依托FPSO 模式開發(fā)的核心裝備，單點系統(tǒng)如果出現(xiàn)問題將影響到全油田的生產(chǎn)。水下軟剛臂單點系泊系統(tǒng)的優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡單、造價低，但結(jié)構(gòu)單薄、載荷傳遞復(fù)雜、偏載、水下部件維護困難等也是其先天的缺陷。渤海油田某水下軟剛臂單點出現(xiàn)問題后，首次通過發(fā)現(xiàn)單點問題及故障的時間順序，以單點運動載荷傳遞方向為主線，分析了內(nèi)在聯(lián)系，識別失效模式；然后通過局部有限元建模分析的方法驗證其設(shè)計上的缺陷；再針對結(jié)構(gòu)薄弱點和設(shè)計缺陷進行局部升級；最終在二次投用后對發(fā)現(xiàn)的問題再進行改進，實現(xiàn)了單點系泊系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。由于單點系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有改變，其軸承偏磨、結(jié)構(gòu)震動等缺陷依然存在，需今后在單點的運維中提高警惕，并繼續(xù)探尋改進措施。