FPSO單點(diǎn)生產(chǎn)滑環(huán)可靠性提升與維修技術(shù)

魏海

(中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司，天津 300459)

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)外海上油氣開發(fā)的重要設(shè)施，我國(guó)在單點(diǎn)滑環(huán)堆棧系統(tǒng)研發(fā)、設(shè)計(jì)、維護(hù)、維修等方面的大部分工作，均依托國(guó)外公司技術(shù)支持，攻克技術(shù)難關(guān)，掌握核心技術(shù)意義重大。為此，以某海上油田的浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置(FPSO)單點(diǎn)為例，從FPSO單點(diǎn)生產(chǎn)滑環(huán)密封滲漏原因入手，分析生產(chǎn)滑環(huán)可靠性提升與維修進(jìn)技術(shù)。

1 案例分析

該FPSO單點(diǎn)屬于SBM公司的水上軟鋼臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)。見圖1，主體結(jié)構(gòu)包括：4腿導(dǎo)管架、將軍柱、主軸承和縱搖/橫搖軸承、滑環(huán)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、泄放及回收系統(tǒng)、系泊臂(YOKE)、系泊腿等。

圖1 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)示意

滑環(huán)堆棧是FPSO單點(diǎn)系泊的重要組成部分，用于傳輸原油、天然氣、電力、儀表信號(hào)等。該FPSO單點(diǎn)共有5層滑環(huán)，從下至上依次為14 in氣滑環(huán)(1#滑環(huán))、14 in液滑環(huán)(2#滑環(huán))、6 in液滑環(huán)(3#滑環(huán))、6 in液滑環(huán)(4#滑環(huán))、電滑環(huán)。

據(jù)歷年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，3#和4#滑環(huán)多次出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，此前的解決方法是FPSO生產(chǎn)方通過(guò)單點(diǎn)滑環(huán)廠家提供的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)服務(wù)解決滲漏問(wèn)題，但該方法一直存在服務(wù)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、條款受限多等諸多問(wèn)題，不能及時(shí)、快速解決滑環(huán)滲漏，對(duì)油田的安全生產(chǎn)造成諸多隱患。

滑環(huán)滲漏原因復(fù)雜多樣，主要原因包括：密封質(zhì)量、密封安裝、密封結(jié)構(gòu)形式、密封設(shè)計(jì)參數(shù)、驅(qū)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)、軸承同心度、流程變化，以及介質(zhì)變化等。結(jié)合3#和4#滑環(huán)的實(shí)際使用和運(yùn)行情況，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

1.1 滑環(huán)驅(qū)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)形式的影響

以4#滑環(huán)為例，對(duì)生產(chǎn)滑環(huán)泄漏狀態(tài)及海況等信息的長(zhǎng)時(shí)間觀察發(fā)現(xiàn)：FPSO載荷小、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)時(shí)，無(wú)泄漏；而風(fēng)浪較大時(shí)，泄漏較明顯，同時(shí)驅(qū)動(dòng)臂處有輕微振動(dòng)。多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)滑環(huán)在個(gè)別方位上內(nèi)外環(huán)間隙會(huì)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)間隙0.25 mm，見圖2，初步分析滑環(huán)泄漏與軸承、驅(qū)動(dòng)臂有關(guān)。

圖2 生產(chǎn)滑環(huán)個(gè)別位置受外力變化

滑環(huán)驅(qū)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)形式與布置對(duì)滑環(huán)的正常運(yùn)行至關(guān)重要，該油田單點(diǎn)滑環(huán)驅(qū)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)形式發(fā)生過(guò)多次升級(jí)及優(yōu)化，目前主要存在2種布置形式，垂直布置和切線布置，見圖3。

圖3 滑環(huán)驅(qū)動(dòng)臂布置

從結(jié)構(gòu)形式上來(lái)看，切線位置布置更為合理，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)物的晃動(dòng)沖擊對(duì)滑環(huán)的旋轉(zhuǎn)部分的影響更小，從而更能保證滑環(huán)內(nèi)外環(huán)的配合間隙。

通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐應(yīng)用，對(duì)驅(qū)動(dòng)臂進(jìn)行適應(yīng)性改造，主要包括重新強(qiáng)度計(jì)算、改造驅(qū)動(dòng)塊，重新預(yù)制等。后又根據(jù)在線監(jiān)測(cè)裝置獲取的受力數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：驅(qū)動(dòng)臂的應(yīng)變?cè)? d內(nèi)具有明顯的變化，驅(qū)動(dòng)臂沿滑環(huán)徑向存在拉壓行為，但無(wú)明顯彎曲行為、驅(qū)動(dòng)臂無(wú)扭轉(zhuǎn)作用力，說(shuō)明驅(qū)動(dòng)臂對(duì)于滑環(huán)無(wú)過(guò)于明顯外部作用力，其滑環(huán)間隙配合的變化很可能由于設(shè)備老化及測(cè)量誤差引起。鑒于4#滑環(huán)為2003年生產(chǎn)，所以在后續(xù)滑環(huán)翻新大修時(shí)應(yīng)考慮對(duì)滑環(huán)軸承進(jìn)行翻新大修，以便恢復(fù)其正常工作狀態(tài)。

1.2 輸送介質(zhì)顆粒物的影響

取樣分析輸送介質(zhì)，在失效的滑環(huán)密封周圍可提取到毫米級(jí)的密封及滑環(huán)本體磨損剝離物，觀察發(fā)現(xiàn)，滑環(huán)密封表面基本完好。

結(jié)合分析滑環(huán)密封工作方式，認(rèn)為輸送介質(zhì)中顆粒物在不超過(guò)原設(shè)計(jì)工況的情況下對(duì)滑環(huán)密封的磨損情況基本可控；如果滑環(huán)配備有重油密封輔助系統(tǒng)(HOS系統(tǒng))，則顆粒物對(duì)滑環(huán)密封的影響將會(huì)進(jìn)一步降低。此外，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)取樣與監(jiān)測(cè)，未發(fā)現(xiàn)明顯的由于輸送介質(zhì)顆粒物導(dǎo)致滑環(huán)密封出現(xiàn)異常磨損失效的情況。

1.3 滑環(huán)密封結(jié)構(gòu)形式的影響

不同結(jié)構(gòu)形式的滑環(huán)，其密封失效次數(shù)有明顯區(qū)別，設(shè)計(jì)安裝有HOS系統(tǒng)的滑環(huán)可靠性較好，使用壽命明顯較長(zhǎng)。這是由于HOS系統(tǒng)所使用的重油密度可達(dá)到2 kg/m以上，可將生產(chǎn)流程中的顆粒物隔絕在滑環(huán)密封工作面以上；并且利用重力原理，使環(huán)形空間內(nèi)的重油保護(hù)層對(duì)滑環(huán)密封的工作面始終保持潤(rùn)滑的狀態(tài)。由于在滑環(huán)本體上加裝HOS系統(tǒng)改造工作量巨大，并且容易導(dǎo)致滑環(huán)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，后續(xù)滑環(huán)設(shè)計(jì)建造時(shí)，應(yīng)根據(jù)輸送介質(zhì)情況將HOS系統(tǒng)作為必要配置，進(jìn)行有針對(duì)性的考慮或設(shè)計(jì)預(yù)留接口。

1.4 滑環(huán)運(yùn)行參數(shù)變化的影響

4#滑環(huán)設(shè)計(jì)壓力6.6 MPa，溫度15 ℃～70 ℃；而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的操作壓力0.1～0.5 MPa，操作溫度為：28 ℃～55 ℃。顯然，滑環(huán)操作溫度在允許范圍，而操作壓力卻遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壓力。根據(jù)滑環(huán)工作原理，當(dāng)操作壓力遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壓力時(shí)，蓄能彈簧的密封會(huì)無(wú)法完全展開，不能起到密封作用。當(dāng)惡劣海況發(fā)生時(shí)，結(jié)構(gòu)物對(duì)滑環(huán)非固定部分施加的外力達(dá)到峰值，在個(gè)別位置會(huì)使滑環(huán)內(nèi)外環(huán)配合發(fā)生一定程度的增大，導(dǎo)致增大的配合間隙無(wú)法得到有效的補(bǔ)充，從而發(fā)生泄漏?；h(huán)密封結(jié)構(gòu)示意于圖4。

圖4 滑環(huán)密封結(jié)構(gòu)示意

基于以上分析，為徹底解決4#滑環(huán)密封泄漏的問(wèn)題，需要選擇設(shè)計(jì)壓力和操作壓力更加匹配低壓滑環(huán)密封，以實(shí)現(xiàn)更好的密封效果。通過(guò)計(jì)算，4#滑環(huán)密封設(shè)計(jì)壓力變更為1.4 MPa，設(shè)計(jì)溫度不變，見表1。

表1 4#滑環(huán)新舊密封參數(shù)表

依據(jù)該思路，先后完成滑環(huán)低壓密封設(shè)計(jì)、FAT試驗(yàn)、整體回裝等工作。降壓設(shè)計(jì)后的滑環(huán)自安裝后至今未發(fā)現(xiàn)再次泄漏。同時(shí)優(yōu)化3#和4#滑環(huán)的運(yùn)行策略：3#滑環(huán)的運(yùn)行溫度變化與液量有關(guān)，因此對(duì)該滑環(huán)要嚴(yán)格控制在允許的最大輸送氣量?jī)?nèi)；而4#滑環(huán)的運(yùn)行溫度與液量變化無(wú)關(guān)，因此以控制最高允許的操作溫度為原則。使用實(shí)踐表明，通過(guò)優(yōu)化滑環(huán)運(yùn)行工況等措，可有效提升滑環(huán)運(yùn)行的可靠性。

2 滑環(huán)增加國(guó)產(chǎn)化重油注入裝置

為提高3#滑環(huán)可靠運(yùn)行，油田生產(chǎn)方對(duì)3#滑環(huán)新增重油自動(dòng)注入裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要工作包括：自動(dòng)注入系統(tǒng)的控制策略制訂、流程圖設(shè)計(jì)、PLC編程設(shè)計(jì)、管線設(shè)計(jì)、設(shè)備選型等，并完成相應(yīng)的施工安裝、調(diào)試，實(shí)現(xiàn)定時(shí)、定量向滑環(huán)自動(dòng)注入重油。

實(shí)踐表明，安裝國(guó)產(chǎn)化重油注入裝置后，3#滑環(huán)密封頻繁滲漏的現(xiàn)象明顯緩解，有效提升了滑環(huán)運(yùn)行的可靠性。由于該設(shè)備是自主獨(dú)立設(shè)計(jì)，節(jié)省了約200萬(wàn)元的設(shè)計(jì)安裝費(fèi)用和長(zhǎng)時(shí)間的等待期。

3 滑環(huán)受力分析在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

大部分FPSO安裝有軟剛臂單點(diǎn)系泊裝置在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于對(duì)環(huán)境、船體和系泊系統(tǒng)的受力情況的監(jiān)測(cè)分析，但對(duì)單點(diǎn)滑環(huán)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析卻很少。為更好地監(jiān)測(cè)滑環(huán)運(yùn)行狀態(tài)和驅(qū)動(dòng)臂的受力，建立國(guó)內(nèi)首個(gè)海上大型滑環(huán)系統(tǒng)力學(xué)行為的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，見圖5。

圖5 生產(chǎn)滑環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置示意圖

該系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)滑環(huán)內(nèi)外環(huán)的姿態(tài)變化、相對(duì)位移和加速度等，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵受力部位的應(yīng)變值等的實(shí)時(shí)測(cè)量，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成管理，這對(duì)于分析滑環(huán)失效的原因能夠提供很好的數(shù)據(jù)支撐。

根據(jù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：滑環(huán)內(nèi)環(huán)(固定端)全年幅值變化約為0.05°，滑環(huán)外環(huán)(非固定端)幅值增大約為1.5°，因此滑環(huán)內(nèi)外環(huán)角度差約為1.5°?；h(huán)堆棧頂部的生產(chǎn)滑環(huán)會(huì)受到一定程度系泊回復(fù)力的影響，會(huì)對(duì)傾斜度造成一定影響。因此，在今后的滑環(huán)堆棧設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免將對(duì)同心度要求高的高壓電滑環(huán)部分布置在滑環(huán)堆棧頂部。

4 結(jié)論

滑環(huán)操作壓力遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壓力時(shí)，蓄能彈簧的彈力不會(huì)起到密封作用，在此種工況下，會(huì)引起滑環(huán)泄露。因此滑環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮滑環(huán)的實(shí)際運(yùn)行壓力，以此選擇合適的密封形式。針對(duì)所述案例，對(duì)彈簧蓄能密封圈的密封系統(tǒng)重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從根源上解決了滑環(huán)密封泄露問(wèn)題。

通過(guò)滑環(huán)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，滑環(huán)堆棧頂部受到FPSO系泊回復(fù)力的影響會(huì)更大，因此，應(yīng)盡量避免將對(duì)同心度要求高的電滑環(huán)部分布置在滑環(huán)堆棧頂部，以提升單點(diǎn)電滑環(huán)的運(yùn)行可靠性。