液壓式浸沒(méi)泵在半潛式儲(chǔ)油平臺(tái)上的應(yīng)用

尤學(xué)剛，程糾，吳堯增，劉孔忠，劉偉杰，汪建平

(中海石油(中國(guó))有限公司 海南分公司，?？?570100)

陵水17-2氣田開(kāi)發(fā)工程項(xiàng)目采用半潛式平臺(tái)回接水下生產(chǎn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)水深1 500 m。氣田采出的天然氣在平臺(tái)處理合格后通過(guò)海管外輸，凝析油儲(chǔ)存在平臺(tái)的4個(gè)立柱內(nèi)，通過(guò)油輪定期外輸[1]。

半潛式平臺(tái)的船體立柱部分除儲(chǔ)存凝析油外，還儲(chǔ)存有污油、壓載水、富乙二醇、貧乙二醇、淡水和柴油。凝析油艙除具備儲(chǔ)存凝析油功能外，由于位于密封空間，需要特別關(guān)注平臺(tái)的整體安全。所述項(xiàng)目所有油艙周圍均設(shè)有空艙，根據(jù)API505規(guī)范，空艙劃分為1級(jí)1區(qū)，起到隔離危險(xiǎn)區(qū)與非危險(xiǎn)區(qū)域的作用。設(shè)置大量的空艙，使得船體內(nèi)可布置設(shè)備及管線的有效空間減小，無(wú)法布置機(jī)艙和泵艙。陵水17-2平臺(tái)為全球首座10萬(wàn)t級(jí)半潛式儲(chǔ)油生產(chǎn)平臺(tái)，沒(méi)有同規(guī)格的平臺(tái)可參考。考慮到液壓式浸沒(méi)泵具有可靠性高、現(xiàn)場(chǎng)無(wú)防爆問(wèn)題、壽命長(zhǎng)、集成方便等優(yōu)點(diǎn)[2]，在FPSO及半潛式平臺(tái)上大量使用。為滿足平臺(tái)應(yīng)用需求，對(duì)在液壓系統(tǒng)上設(shè)置儲(chǔ)能器保證臺(tái)風(fēng)期間系統(tǒng)的安全；使用真空自吸裝置提高泵的吸入性能；在排載泵管柱上設(shè)置密封裝置保證船艙的水密等方面進(jìn)行討論。

1 選型

凝析油艙高度為59 m，遠(yuǎn)高于以往FPSO的油艙，無(wú)法采用深井泵和長(zhǎng)軸泵[3]。綜合考慮，采用液壓式浸沒(méi)泵作為凝析油、污油、壓載水、富乙二醇和貧乙二醇的輸送泵，每個(gè)立柱設(shè)置1臺(tái)獨(dú)立的HPU(液壓站)，供本立柱的各泵使用，系統(tǒng)集成了貨油裝卸、掃艙、壓載等多種功能[2]。此方案具有船體內(nèi)部操作、維護(hù)工作量小、介質(zhì)艙無(wú)電氣設(shè)備、本質(zhì)安全性高等特點(diǎn)。淡水和柴油的用戶需求量小，采用普通的離心泵即可，占地空間小，布置在底部機(jī)械處所。

根據(jù)實(shí)際使用需求，各泵均采用常規(guī)貨油泵。每個(gè)立柱布置1臺(tái)排載泵，所有壓載艙通過(guò)2個(gè)主環(huán)路總管相連，總管接入排載泵，所有4臺(tái)排載泵均可以互為備用，滿足規(guī)范要求的每個(gè)壓載艙至少有2臺(tái)泵能排水的要求，4個(gè)角各布置1臺(tái)排載泵(見(jiàn)圖1)。

圖1 2個(gè)主環(huán)路總管

由于排載泵的入口需要連接大的管線，將排載泵泵頭安裝在吸入盒內(nèi)，吸入盒側(cè)面設(shè)置入口管口。污油泵的取水口有3個(gè)不同的高度，3個(gè)高度的管線通過(guò)三通接入總管，再?gòu)牡撞拷尤氡玫奈牒小?/p>

2 設(shè)計(jì)思路

為滿足平臺(tái)的生產(chǎn)需要，結(jié)合平臺(tái)現(xiàn)狀，對(duì)液壓式浸沒(méi)泵系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化：①在液壓油回油管線上設(shè)置緩沖器，保證臺(tái)風(fēng)期間整個(gè)液壓系統(tǒng)的本質(zhì)安全；②由于排載泵和污油泵的入口連接管線，特別是排載泵連接的管線需要從環(huán)形壓載水管線接入，管線長(zhǎng)，管件多，入口阻力大，泵安裝真空自吸裝置，可大大提高泵的吸入能力，同時(shí)起到快速排載的作用；③在排載泵管柱上設(shè)置水密裝置，保證穿艙處以上的區(qū)域全部為水密區(qū)域，上部區(qū)域所有房間均不采用水密設(shè)計(jì)，減少投資。

2.1 臺(tái)風(fēng)期間系統(tǒng)的安全

液壓式浸沒(méi)泵非工作狀態(tài)時(shí)，HPU上的液壓油補(bǔ)給泵啟動(dòng)，給液壓油系統(tǒng)提供一定的壓力，保證液壓油系統(tǒng)的壓力高于介質(zhì)艙內(nèi)介質(zhì)的靜水壓力，機(jī)械密封正常受壓，保證液壓油系統(tǒng)的安全。否則若液壓系統(tǒng)無(wú)壓力，艙內(nèi)介質(zhì)的靜水壓力長(zhǎng)時(shí)間高于液壓油的壓力時(shí)，易損壞液貨密封和機(jī)械密封，造成液壓油系統(tǒng)發(fā)生故障。臺(tái)風(fēng)期間，主電關(guān)閉，僅有UPS(不間斷電源)工作，若用UPS給補(bǔ)給泵提供電力，短時(shí)間內(nèi)就會(huì)耗光所有的電力；若要保證補(bǔ)給泵在臺(tái)風(fēng)期間一直工作，則需求UPS的容量非常大，投資增大。在液壓油系統(tǒng)的回油管上增加1個(gè)儲(chǔ)能器(見(jiàn)圖2)，在平臺(tái)失電前提前給儲(chǔ)能器充滿氮?dú)?，保證液壓油系統(tǒng)能維持一定的壓力，可以很好地解決臺(tái)風(fēng)期間，平臺(tái)電力不足的情況。

圖2 液壓系統(tǒng)上增加儲(chǔ)能器

2.2 真空自吸裝置的使用

通常，液貨泵配備真空自吸裝置起到超級(jí)掃艙的作用[4]，即通過(guò)抽真空將吸入盒內(nèi)的介質(zhì)先清空，使介質(zhì)艙內(nèi)和管線內(nèi)的介質(zhì)盡可能地流入吸入盒中，超級(jí)掃艙，可快速裝載下一批貨物。本半潛式平臺(tái)靠錨鏈系泊固定，每個(gè)艙裝卸同一種介質(zhì)，不要求能快速裝載下一批貨物，除介質(zhì)艙定期年檢需要清艙外，平時(shí)對(duì)艙內(nèi)的殘液量不做嚴(yán)格的要求。

排載泵和污油泵在泵頭均裝配有吸入盒，并在吸入盒頂部安裝真空自吸裝置的吸入管。排載泵在吸入盒內(nèi)安裝液位變送器，通過(guò)液位的高低來(lái)啟停真空自吸裝置。根據(jù)ABS MODU規(guī)范要求，至少有2臺(tái)泵能有效排空每個(gè)壓載艙。由于本平臺(tái)為4立柱設(shè)計(jì)，即要求每臺(tái)泵均能排空鄰近立柱的任意壓載艙即可，泵入口管線阻力根據(jù)計(jì)算考慮為9 m水柱。在0.7 MPa(表壓)壓力的空氣作用下，自吸裝置產(chǎn)的的真空度隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖3，其中實(shí)線為排載泵的自吸裝置真空度曲線，自吸裝置可在30 s內(nèi)產(chǎn)生6 m的真空度，可極大地改善泵的吸入性能，盡可能將鄰近立柱的壓載艙及長(zhǎng)距離管線內(nèi)的介質(zhì)排空。

圖3 自吸裝置真空度變化

真空自吸裝置的核心部件為噴射器，排載泵的噴射器固定在頂板上，實(shí)物見(jiàn)圖4。

圖4 排載泵噴射器實(shí)物

2.3 排載泵管柱上設(shè)置密封裝置

所有液壓式浸沒(méi)泵中，排載泵的管柱最長(zhǎng)，達(dá)到59 m。泵頭及吸入盒安裝在底部機(jī)械處所區(qū)域，上穿9 m標(biāo)高的甲板至豎井區(qū)域，再上穿59 m標(biāo)高的立柱頂部甲板，泵頂板固定在立柱頂部甲板，起到水密立柱頂部甲板的作用。而管柱從底部機(jī)械處所區(qū)域上穿到豎井區(qū)域，需要在9 m標(biāo)高的穿艙處保證水密性，見(jiàn)圖5。

圖5 排載泵布置說(shuō)明

常規(guī)做法是用50 m長(zhǎng)的護(hù)管將穿艙的泵管柱完全套住，水只會(huì)流到護(hù)管里，不會(huì)進(jìn)入堅(jiān)井區(qū)域，從而起到水密作用。但是50 m長(zhǎng)的護(hù)管在船艙里很占用空間，安裝固定難度非常大，且提泵維修時(shí)無(wú)法拆卸中間支撐。

分析后提出，取消此護(hù)管，在穿艙處安裝1個(gè)膨脹節(jié)，下端通過(guò)1段短節(jié)即甲板支座固定在甲板上，在泵管柱上的連接部位增加1副密封法蘭，見(jiàn)圖6。

圖6 排載泵管柱上的密封法蘭

膨脹節(jié)上端通過(guò)螺栓與密封法蘭連接，起到水密作用，見(jiàn)圖7。

圖7 排載泵管柱密封裝置布置示意

膨脹節(jié)采用船用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，易采配。由于排載泵管柱包括高壓液壓進(jìn)油管、低壓液壓回油管、隔離空腔管、液貨管、掃艙管、自吸裝置管[5]，若密封法蘭直接與甲板支座連接，船體由于運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致此水密裝置對(duì)泵管柱產(chǎn)生作用力。以往項(xiàng)目中未在管柱的中部位置安裝過(guò)水密法蘭，考慮通過(guò)膨脹節(jié)可減少由于增加水密裝置導(dǎo)致泵本體整體受力大的變化，同時(shí)起到水密作用。采用此方案，4臺(tái)排載泵的安裝減重70 t，泵整體安裝工作難度及工作量也大大減小，且更有利于后期泵的維護(hù)。同時(shí)，此水密裝置的設(shè)置，可保證9 m標(biāo)高以上的區(qū)域滿足水密要求，將所有操作間的門(mén)設(shè)計(jì)為非水密型式，減少投資。

水密裝置主要參數(shù)如下。

壓力：0.6 MPa(表壓)，直徑:1 000 mm；

膨脹節(jié)波數(shù)4，軸向位移44 mm，橫向位移2.9 mm。

3 安裝

關(guān)于貨油泵的安裝[6-7]，需要特別注意焊接順序，泵座本身的焊縫不能位于船體的橫向方向，應(yīng)盡量與船的縱向方向平行。本項(xiàng)目中除了排載泵的安裝有特殊考慮外，其他泵的安裝與其他項(xiàng)目類似。排載泵由于底部安裝有吸入盒，吸入盒固定在艙內(nèi)的甲板上。排載泵為兩點(diǎn)支撐，泵的重量主要作用在吸入盒上，頂板為彈性支撐，與其他貨油泵的懸掛支撐形式不一樣。安裝順序：先安裝底部吸入盒，再安裝泵頂板、焊接頂部甲板支座，及連接管柱水密裝置，焊接水密裝置處的甲板支座。中間管柱的水密裝置連接為首次應(yīng)用，為豎直方向最后的焊接及連接部位，剩下為中間拉桿的連接等。

4 結(jié)論

15臺(tái)液壓式浸沒(méi)泵已在陵水17-2平臺(tái)全部調(diào)試完成，各項(xiàng)性能指標(biāo)良好，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

1)在液壓式浸沒(méi)泵液壓系統(tǒng)上設(shè)置儲(chǔ)能器，可保證臺(tái)風(fēng)期間系統(tǒng)的安全，即使平臺(tái)沒(méi)有電源，利用儲(chǔ)能器預(yù)充的氮?dú)庖部杀ＷC液壓系統(tǒng)不會(huì)被外部介質(zhì)污染，很好地解決了平臺(tái)上這一特殊時(shí)間的系統(tǒng)安全問(wèn)題。

2)將液壓式浸沒(méi)泵的超級(jí)掃艙功能應(yīng)用到提高泵的吸入性能上，保證在復(fù)雜的吸入管網(wǎng)上，較大的吸入阻力情況下，泵能正常工作。

3)在多根管組成的泵管柱上設(shè)置密封法蘭，并通過(guò)水密裝置與艙壁固定，既可保證船艙的水密，又能減少現(xiàn)場(chǎng)的安裝量，使排載泵盡早投入使用。