FPSO單點(diǎn)滑環(huán)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析

李牧，李鵬，劉詩(shī)學(xué)，姚志義，孫恪成，牛志剛

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300451)

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)是FPSO的關(guān)鍵裝備之一，特別是在海況惡劣的海域，其完好性與否直接決定著現(xiàn)場(chǎng)的安全和生產(chǎn)狀態(tài)。目前，國(guó)內(nèi)外常用的單點(diǎn)形式主要為STP型、BTM型、YOKE型，但是由于現(xiàn)場(chǎng)保養(yǎng)、維修不當(dāng)或是受到極端環(huán)境不可抗力的原因，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)曾發(fā)生多起重大事故，損失嚴(yán)重。我國(guó)運(yùn)營(yíng)的18條FPSO均為單點(diǎn)系泊，單點(diǎn)系統(tǒng)全部由國(guó)外公司提供，其中SBM 7條，SOFEC 4條，APL 6條，BLUEWATER 1條，全由單點(diǎn)公司掌握單點(diǎn)系統(tǒng)及產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)。實(shí)際使用中，因技術(shù)研究不足，對(duì)事故的處理很被動(dòng)，為此，調(diào)研國(guó)內(nèi)外各油公司以往單點(diǎn)滑環(huán)運(yùn)維記錄和操作經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)典型案例對(duì)單點(diǎn)滑環(huán)系統(tǒng)故障機(jī)理按專業(yè)類別進(jìn)行梳理整合，從“不同單點(diǎn)的相似故障”和“同一故障引起的連鎖反應(yīng)”兩個(gè)維度提出單點(diǎn)滑環(huán)故障機(jī)理分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。

1 故障機(jī)理及風(fēng)險(xiǎn)因素

根據(jù)大多數(shù)單點(diǎn)公司的設(shè)計(jì)規(guī)律，滑環(huán)堆疊順序從下到上依次為液滑環(huán)、電滑環(huán)、公用系統(tǒng)滑環(huán)、光纖通訊滑環(huán)，主要導(dǎo)考慮因素是滑環(huán)重量的分布(見(jiàn)圖1)，盡可能將較重的滑環(huán)安排在下部，以提高整個(gè)滑環(huán)堆棧的穩(wěn)定性，減少根部的彎矩。

圖1 典型單點(diǎn)滑環(huán)堆棧布置示意

結(jié)合單點(diǎn)滑環(huán)故障案例分析，總結(jié)風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別信息見(jiàn)表1。

表1 FPSO單點(diǎn)滑環(huán)重大故障風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

考慮工藝流程專業(yè)故障和電氣專業(yè)故障2個(gè)主要因素，參考的主要國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范如下。

1)American Society of Mechanical Engineers (ASME)。

2)OCIMF (Third Edition-1999)。

3)NEN-EN 1474-1(2009)。

2 故障類別

2.1 工藝流程專業(yè)故障

2.1.1 天然氣外輸滑環(huán)泄露

2019年4月，采油公司協(xié)同單點(diǎn)公司對(duì)渤海某FPSO天然氣滑環(huán)一級(jí)密封圈泄露情況進(jìn)行測(cè)試及調(diào)研工作。

現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)主要故障為下部法蘭一級(jí)密封出現(xiàn)較嚴(yán)重的完整性破損。針對(duì)一級(jí)密封圈的失效原理、動(dòng)態(tài)密封是一種特殊的設(shè)計(jì)，可分別安裝在上、下法蘭加工精密的密封槽中。動(dòng)態(tài)密封在滑環(huán)內(nèi)部靜止和旋轉(zhuǎn)兩部分之間形成壓力密封界面。在恒定的生產(chǎn)壓力下，密封效果最好，壓力波動(dòng)過(guò)大會(huì)對(duì)密封產(chǎn)生不良影響。不允許從密封背面引入背壓，會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)密封的完整性造成損害?；诟蓺饷芊庠?，在密封試壓中應(yīng)把上一級(jí)密封與下一級(jí)密封看作整體來(lái)試壓，若發(fā)現(xiàn)有泄漏再分開(kāi)更為合理；二級(jí)密封和三級(jí)密封試壓同理。當(dāng)一級(jí)密封泄漏嚴(yán)重時(shí)，可視為第一級(jí)密封失效，把一級(jí)密封泄露管線隔離，然后讓氣密封經(jīng)由二級(jí)的密封來(lái)承擔(dān)。同理，若二級(jí)密封失效，應(yīng)由三級(jí)密封來(lái)承擔(dān)。最重要的是，根據(jù)干氣密封原理，泄漏的管線必須是常開(kāi)的，除非因泄露嚴(yán)重要用作為其中一級(jí)密封而關(guān)閉。由于干氣密封的形成需要一定時(shí)間，而且當(dāng)干氣密封穩(wěn)定后，不建議頻繁通過(guò)開(kāi)關(guān)泄放閥檢測(cè)密封而給密封狀態(tài)帶來(lái)外界干擾。

2.1.2 液滑環(huán)泄露

2017年3月，對(duì)某單點(diǎn)大風(fēng)過(guò)后檢查發(fā)現(xiàn)，位于單點(diǎn)第二層，6#滑環(huán)、4#滑環(huán)基座位置有輕微原油滲漏，打開(kāi)泄露監(jiān)測(cè)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)每5 s滴1滴原油，查看原地的重油罐，發(fā)現(xiàn)進(jìn)入大量原油，見(jiàn)圖2。

圖2 滑環(huán)底部原油泄露現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景

初步判斷是由于輸送介質(zhì)流量波動(dòng)瞬間增大，致使密封瞬間造成沖擊引發(fā)泄露，見(jiàn)圖3。

圖3 滑環(huán)底部原油泄露位置

根據(jù)以上檢測(cè)/檢查結(jié)果，推斷6#滑環(huán)下層的第一層密封保護(hù)應(yīng)該已破損，但滑環(huán)原本的第二道密封保護(hù)狀態(tài)是否良好還需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)滑環(huán)泄漏量。

2.1.3 單點(diǎn)液滑環(huán)大修

2013年8月，南海某FPSO在經(jīng)歷臺(tái)風(fēng)之后，單點(diǎn)艙內(nèi)出現(xiàn)異常的響聲和振動(dòng)，單點(diǎn)廠家現(xiàn)場(chǎng)檢查后，確認(rèn)問(wèn)題發(fā)生在液滑環(huán)，隨即對(duì)液壓密封系統(tǒng)進(jìn)行泄放并對(duì)多點(diǎn)的密封液壓油取樣。液滑環(huán)在泄放后重新恢復(fù)密封壓力，油田復(fù)產(chǎn)后，異常的響聲和振動(dòng)消失。通過(guò)對(duì)油樣進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示各點(diǎn)所取油樣的清潔度均未達(dá)標(biāo)。結(jié)合液滑環(huán)的異常狀況分析，認(rèn)為動(dòng)密封長(zhǎng)期受壓導(dǎo)致變形和內(nèi)部零件(如軸承)發(fā)生磨損，是引起液滑環(huán)產(chǎn)生異常響聲和振動(dòng)的重要因素。

液滑環(huán)的設(shè)計(jì)壽命是20年，在理想狀態(tài)下在20年的使用期間不需要進(jìn)行維修，而且在生產(chǎn)期間如果液滑環(huán)內(nèi)部出現(xiàn)了故障也不具備維修的條件，因此必須盡可能提高液滑環(huán)在生產(chǎn)期間的可靠性。為了保證液滑環(huán)的長(zhǎng)期正常運(yùn)行，綜合決定在塢修期間進(jìn)行液滑環(huán)解體大修。經(jīng)過(guò)液滑環(huán)大修后，液滑環(huán)將重新?lián)碛行碌?0年設(shè)計(jì)使用壽命。

2.2 電氣專業(yè)故障

2.2.1 單點(diǎn)高壓電滑環(huán)故障

通過(guò)單點(diǎn)高壓電滑環(huán)給油田其他設(shè)施供電，某單點(diǎn)更換之后運(yùn)行了約3年，在2017 年11 月至12月，共發(fā)生55次報(bào)警，最大報(bào)警值11.6 fc，說(shuō)明高壓電滑環(huán)已經(jīng)出現(xiàn)損傷，有失效的趨勢(shì)。隨即對(duì)該油田開(kāi)始對(duì)單點(diǎn)高壓電滑環(huán)進(jìn)行維修，檢查發(fā)現(xiàn)，三相滑環(huán)及電刷磨損嚴(yán)重，并且有嚴(yán)重的電弧放電痕跡，電刷夾口上半部分損壞嚴(yán)重，碳刷部分及碳刷彈簧已全部磨損殆盡；另外，碳刷連接導(dǎo)線處有明顯金屬熔液溢出。電刷夾口下咬合面碳刷基本完整，但表面灼燒嚴(yán)重，碳刷彈簧失效。碳刷固定端與碳刷之間金屬導(dǎo)電片嚴(yán)重變形隆起，滑環(huán)上合面灼燒嚴(yán)重，并成魚(yú)鱗狀，下合面比上合面情況要好，但有明顯電弧放電現(xiàn)象。

9001/9002 電滑環(huán)無(wú)明顯損傷，但腔室內(nèi)部有大量金屬碎屑，另高壓電滑環(huán)頂部非旋轉(zhuǎn)部分與低壓滑環(huán)旋轉(zhuǎn)部分有明顯磨擦痕跡。

2.2.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

1)根據(jù)電刷的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及安裝方式分析，電刷能夠有效避免水平振動(dòng)導(dǎo)致的電刷和滑環(huán)之間的接觸不良(9001/9002 滑環(huán)無(wú)明顯電弧放電，說(shuō)明水平振動(dòng)對(duì)滑環(huán)無(wú)直接影響)。

2)自2014年5月份，新高壓電滑環(huán)上線后，9001、9002 電刷電流基本保持在330 A左右(9001/9002變壓器并聯(lián)運(yùn)行)，9007電刷電流基本保持在500 A左右(新滑環(huán)額定電流640 A，限定運(yùn)行電流值520 A)。

根據(jù)滑環(huán)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示，9007電流始終大于9001或9002將近180 A,而滑環(huán)上部溫度較底部溫度高出8 ℃，電刷溫度更是接近60 ℃。見(jiàn)圖4。

圖4 滑環(huán)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

3)高壓電滑環(huán)維修發(fā)現(xiàn)其中2個(gè)探頭安裝位置與資料顯示不符：資料顯示弧光探頭安裝在滑環(huán)頂部，電刷溫度探頭在滑環(huán)上部；而現(xiàn)場(chǎng)檢查，弧光探頭安裝在滑環(huán)底部(遠(yuǎn)離9007)，電刷溫度探頭監(jiān)測(cè)9001滑環(huán)A相電刷(緊鄰9007滑環(huán))，見(jiàn)圖5。

圖5 滑環(huán)監(jiān)控布置

初步分析認(rèn)為9007電滑環(huán)故障是由于其負(fù)載電流較高導(dǎo)致電刷導(dǎo)電片發(fā)生形變，同時(shí)滑環(huán)水平振動(dòng)加劇了導(dǎo)電片隆起變形，最終導(dǎo)致電刷與滑環(huán)接觸面不足；另外，高壓電滑環(huán)固定部分與低壓滑環(huán)旋轉(zhuǎn)部分互相摩擦，掉落的金屬碎屑也對(duì)滑環(huán)運(yùn)行產(chǎn)生了不良影響。

3 連鎖影響分析

以渤海某FPSO電滑環(huán)故障為例，電滑環(huán)故障的直接原因是負(fù)載電流較高導(dǎo)致電刷導(dǎo)電片發(fā)生形變，導(dǎo)致電刷失效。但從單點(diǎn)系統(tǒng)整體角度出發(fā)，單點(diǎn)塔設(shè)計(jì)的偏心載荷于系泊力傳遞過(guò)程中的局部振動(dòng)，一定程度上加速了電滑環(huán)的故障發(fā)生。水下軟剛臂力學(xué)傳遞關(guān)系見(jiàn)圖6。

圖6 水下軟剛臂力學(xué)傳遞關(guān)系

雖然新單點(diǎn)在2015年更換期間采取了多項(xiàng)改進(jìn)設(shè)計(jì)，一定程度上減緩了整個(gè)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)“松散”的系泊力傳遞狀態(tài)，但由于其單柱結(jié)構(gòu)的固有特性，仍存在上部模塊連同跨接軟管的偏心載荷。根據(jù)船級(jí)社的分析報(bào)告和作業(yè)區(qū)的故障反饋，發(fā)現(xiàn)偏心載荷最終傳遞到滑環(huán)裝置，造成滑環(huán)受力不均勻，對(duì)其造成損壞。

在FPSO單點(diǎn)系統(tǒng)的運(yùn)維過(guò)程中，首先被發(fā)現(xiàn)的往往是小的故障點(diǎn)，如發(fā)現(xiàn)單點(diǎn)通訊滑環(huán)出現(xiàn)通訊間斷的問(wèn)題，所屬專業(yè)儀表部門可能首先將其列為一般性的設(shè)備故障，通常是對(duì)損壞部位進(jìn)行檢修。但當(dāng)發(fā)現(xiàn)通訊滑環(huán)總是在FPSO旋轉(zhuǎn)至一定角度時(shí)發(fā)生通訊中斷，旋轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離特定角度時(shí)，通訊又自行恢復(fù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)該類現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注整個(gè)單點(diǎn)轉(zhuǎn)塔是否出現(xiàn)了偏心轉(zhuǎn)動(dòng)，從整個(gè)系統(tǒng)角度，對(duì)塔軸所在的軸承偏心度進(jìn)行調(diào)查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除更大的隱患。列舉單點(diǎn)系泊系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)源及可能影響的零件或部位見(jiàn)表2。

表2 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)源連鎖影響零件或部位

4 結(jié)論

1)無(wú)論是軟剛臂YOKE單點(diǎn)還是內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，其液體、氣體滑環(huán)的密封形式，考慮到未來(lái)海上可能面臨在線更換問(wèn)題，建議采用可局部拆卸更換的密封形式，同時(shí)把非粘接型密封圈備件安裝在滑環(huán)堆棧上并做好封存保護(hù)；另外，滑環(huán)層間隙應(yīng)預(yù)留足夠的空間，至少滿足單側(cè)滑環(huán)密封的拆卸。

2)如果單點(diǎn)塔空間相對(duì)寬松的條件下，建議采用獨(dú)立滑環(huán)組塊連接，盡量采用帶有摩擦損耗塊的Y型滑環(huán)驅(qū)動(dòng)臂，可以釋放非平面載荷，同時(shí)以犧牲滑動(dòng)塊的方式延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)臂本體的壽命。

3)電滑環(huán)內(nèi)部各集電環(huán)之間要留有足夠間隙，同時(shí)，電刷和集電環(huán)的接觸方式應(yīng)滿足一定的偏移運(yùn)動(dòng)，以克服包括垂直的運(yùn)動(dòng)和周向的不均勻壓力導(dǎo)致的失效；同時(shí)還應(yīng)在電器材料選擇上注意避免使用易發(fā)生摩擦脫落粉末的材料。

4)電滑環(huán)內(nèi)部建議加裝正壓惰氣吹掃裝置，以確保電滑環(huán)腔室內(nèi)部干燥。

5)單點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到單點(diǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)處受外力較大，長(zhǎng)期運(yùn)行容易發(fā)生失效，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件、機(jī)械件等位置，建議在設(shè)計(jì)階段預(yù)留并加裝監(jiān)測(cè)裝置，以便長(zhǎng)期跟蹤和監(jiān)控單點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)。