浮式生产储油卸油船多通道流体旋转接头性能分析

浮式生产储油卸油船多通道流体旋转接头性能分析宋志鹏 ,郑绍春(武汉理工大学 交通学院 ,武汉 430063)摘 要 :考虑到多通道流体旋转接头是浮式生产储油卸油船中单点系泊系统中的关键设备 ,在机械强度 、耐腐蚀 、抗疲劳能力 、密封性能等方面要求极高 ,而目前国内的研究不多 ,因此 ,从不同角度分析国外 3 种不同 单点系泊方式中所采用的多通道流体旋转接头结构形式的技术特征和技术难点 ,为其国产化提供技术参考 和借鉴 。关键词 :多通道流体旋转接头 ;浮式生产储油卸油船单点系泊系统 ;转塔式系泊中图分类号 : U664 . 84文献标志码 : A文章编号 :167127953 (2010) 0420053205兼有生产与储油作用的浮式生产储油卸油船(f lo ati ng p ro ductio n sto ra ge & off loa di ng , F P2SO) 单点系泊系统的核心设备 多通道流体旋 转接头在机械强度、耐腐蚀 、抗疲劳能力 、密封性 能等方面要求极高 ,这一关键设备长期以来被少 数外国公司所垄断 ,如挪威 A PL 公司、荷兰 Bl ue2 wat er 公司、挪威 Ma riti me Te nt ech 公司、荷兰I H C 公 司 、荷 兰 SB M 公 司 以 及 美 国 FM C SO F EC 公司。一套单点系泊装置投资少则千万 美元 ,多则几千万美元 , 约占整个 F PSO 投资的1/ 3 。近年来 ,海洋油气资源开采逐步走向深海 ,扩展到了边际油田。作为 F PSO 的核心部件之 一 ,多通道流体旋转接头的国产化诉求越来越急切 ,多通道流体旋转接头国产化技术攻关势在必行 ,研究其相关技术意义重大。无阻。多通道流体旋转接头结构特殊 ,由三大部分组成 :即旋转 (动环) 部分 、密封部分和静止 ( 定 环) 部分 ,其结构如图 1a ) 所示 , 多通道纵向堆叠形式外观见图 1 b) 所示 。F P SO 单点系泊系统多通道流体旋转接头的主要功能和特点F PSO 单点系泊是指锚泊系统与船体只有一 个接触点 ,系泊定位系统中的关键设备多通道流 体旋转接头可随风、浪、流转动 ,在运动中保证海 底石油从相对静止的管路输入到“风向标式”的旋 转船体储油舱中 ,要保证管道流体连续不断、畅通1图 1 多通道流体旋转接头的结构和外观静止 ( 定 环) 部 分由 流 体 输 入 管 与 静 腔 贯 通 ,旋转 ( 动环) 部分由流体输出管与旋转腔贯 通 ,静腔和旋转腔组成完整的流体腔通道 , 密封 部分对静止 ( 定环) 部分和旋转 ( 动环) 部分接触 面之间的流体进行密封 , 防止流体泄漏及流体 间的互混 。F PSO 多通道流体旋转接头分类F PSO 由于作业油田的情况各异而采用不同 的系泊系统 ,其内部多通道流体旋转接头的结构 也有差异。我国 F PSO 的单点系泊方式 ,大体分 为三大类 : 转塔 式系泊 、塔 式系泊 和浮筒 式系532收稿日期 :2009209207修回日期 :2009210227作者简介 :宋志鹏 (19872) ,男 ,研究生 。研究方向 :船舶建造工艺E2ma il :jia nzao go ngyi 163 . co m第 4 期船 海工 程第 39 卷泊 1 。2 . 1转塔式系泊多通道流体旋转接头转塔式系泊是目前应用最广泛的一种系泊方 式 ,分为外转塔系泊系统和内转塔系泊系统 。外 转塔系泊系统有一钢质箱体型结构 , 能从 F P SO船艏或船艉靠拢或延伸一段距离 ,并为旋转轴承 和转塔提供基座。内转塔系泊系统一般在靠近F PSO 船艏部分 ,被支撑在一个大的滚柱轴承上 。 轴承的外圈被连接到船体上 ,而内圈与转塔的固 定部分结合为一体。两种系泊系统都允许 F P SO 随海况自由转动。图 2 为 SB M 公司设计的转塔式系泊多通道流体旋转接头 2 。其固定部分 25 ,旋转环 24 ,旋 转环和固定部分共同构成旋转腔 22 、23 。被传输 流体从海底管路输送到旋转接头的输入管 11 ,再 流向定环和动环组成的旋转腔 22 、23 , 再经由输出管 14 流向储油船 。整个流程也可以反过来 ,用 于向井内注射流体。密封圈布置于旋转腔的两 侧 ,上下各一 ,防止内部流体渗漏。在运行中 ,旋 转环 24 (包括输出管 14) ,围绕着固定环 25 旋转 , 两者之间装有轴承 34 、35 ( 34 为圆柱滚轴承 , 35 为球轴承) ,用于减小磨损 ,保持机器平稳运转。112输入管 ;142输出管 ;22 、232旋转腔 ;242旋转环 ;252固定环 ; 342圆柱滚轴承 ;352球轴承 ;图 2 转塔系泊多通道流体旋转接头结构图2 . 2 塔式系泊多通道流体旋转接头塔式系泊系统是把固定塔结构固定在海床 上 ,为永久系泊的 F PSO 或油轮装卸载生产油气提供锚点 。图 3 为 Exxo n Pro ductio n Re search 公司设计 的转塔式多通道流体旋转接头 3 。为防止液体 传输导管在从旋转接头总成向储油船输送的过 程中发生扭 、绞或断裂 , 系泊旋转接头 24 和流 体旋转接头 20 互连成一个整体 , 同时转动 。旋 转接头的固定部分 35 、35 b ,通过沉头螺钉 39 连 接 。流体从海底管路输送到旋转接 头输 入管31 ,再流向定环和动环组成的旋转腔 32 ,经由输 出管 33 流向储油舱 。整个流程也可以反过来 , 用于向井内注射流体 。O 型密封圈 37a 、37 b 用 于旋转腔的第一道密封 ,防止内部流体渗漏 。U54型密封圈 38a 、38 b 则用于外部密封 , 防止外部的液体 、气体和固体杂质进入旋转接头 。在运 行中 ,旋转体 34 ( 包括输出管 33 ) , 围绕着固定环 35 旋转 ,两者之间装有轴承 36a 和 36 b ,以减小磨损 。2 . 3浮筒式系泊多通道流体旋转接头浮筒被锚泊在海上 ,作为系泊点为 F PSO 装、 卸气体或液体产品服务 , 与具有风向标效应的F PSO 之间的连接。浮筒为装置提供浮力和稳定 性 ,容纳各种各样的零部件 ,提供井口平台与 F P2SO 之间传输液体的连接界面 。图 4 为 SB M 公司设计的浮筒式系泊多通道 流体旋转接头 4 。浮筒 8 通过系泊缆 9 固定于海 底 4 , 输油管 5 、6 、7 将原油输送到流体旋转接 头 10 ,再由输送管 11 输送到储油船 2 上 ,储油船 2 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 浮式生产储油卸油船多通道流体旋转接头性能分析 宋志鹏 ,郑绍春202流体旋转接头 ;242系泊旋转接头 ;312输入管 ;322旋转腔 ;332输出管 ;342旋转体 ;35a 、35 b2固定部分 ;36a 、36 b2轴承 ;37a 、37 b2O 型密封圈 ;38a 、38 b2U 型密封圈 ; 392沉头螺钉图 3 塔式系泊多通道流体旋转接头22储油船 ;32缆绳 ;42海底 ;5 、6 、72输油管 ; 82浮筒 ; 92系泊缆 ;102旋转接头 ;112输送管 ;13 、142输入管 ;152环状空腔 ;16 、172输出管 ; 182输入管 ;192密封圈 ;202回转支承 ;212定换 ; 222动环图 4 浮筒式系泊多通道流体旋转接 头与浮筒通过缆绳 3 连接 。旋转接头含 3 根输入管 13 、14 和 18 , 均位于定环 21 内 。动环 22 与 定环 21 之间形成环状空腔 15 , 密封圈 19 防止 液体泄漏 , 同时阻止外界杂质 、气液进入 接头体 。输出管 16 、17 将环状空腔内的流体导出 ,输送到储油船上 。定环和动环之间通过回转支 承 20 连接 。使用中不需将多个旋转接头堆砌 在一起即可完成流体输送 , 但是当传输的是多种不同物体时 ,为防止各物质互混 , 则需要将多个独立的旋转接头 。2 . 4 FPSO 多通道流体旋转接头结构对比整体上看 ,转塔式系泊和塔式系泊使用的旋 转接头比较相近 ,都采用多通道、多层堆叠设计 ,具有较大的通用性 ; 而浮筒式系泊由于所有重量由浮体的浮力承受 ,所有其旋转接头的尺寸和重 量会有较大限制 ,且其通道数目一般最多设 2 个 ,堆叠层数也仅 23 层 ,与转塔式系泊和塔式系泊 旋转接头有较大差别 。旋转接头的型式随着下列因素而变化。1) 工作水深。浮筒系泊多通道流体旋转接 头用于较浅水域 ,适用水深约在 1388 m 。塔式 系泊多通道流体旋转接头也仅用于较浅水域 ,适 用水深在 20106 m 。转塔系泊多通道流体旋转 接头适用水域较广 ,适用水深 201 400 m 。2) 石油理化特性 。原油充足时 , 流体压力 大 ,对旋转接头的密封要求也较高 ,此时需设定更复杂的密封圈组合 ,在必要情况下需单独设置特殊通道注射压力液体 ,以保持密封圈两侧的压力 稳定。原油温度较高时 ,密封圈的磨损会随之加剧 ,此时通道和密封圈的设置也需要作出相应的改变 ,以降低温度或使热量均匀分布。石油的成 分较为复杂 ,当石蜡、沥青含量较高时 ,管道在长期的输送过程中会淤积大量杂质 ,导致输送量剧 减甚至堵塞 。此时则需设计对应的管道系统 ,必要时设置专用清洁通道 ,使用专用机器人定期清 洁管道。55 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第 4 期船 海工 程第 39 卷值稍大) ,使其两侧流体压力平衡 5 。3 . 3 旋转接头制造材料整体上看 ,优秀的旋转接头质量小、强度高、 磨损小、加工简单 、维修方便、造价低 ,这也是对其 制造材料的指导性要求。具体看来 ,采用模块化设计的旋转接头 ,更易因地制宜 ,使用不同材料制 造 。整个旋转接头中 ,对材料要求最高的属于定 环和动环相接触的部位 。此部件最突出的要求是 保证良好耐磨性的同时保持接触面的有效润滑 (避免启动力矩过大) 。再者 ,材料的导热性要好 , 热膨胀小 ,以有效控制部件间隙 。若管道内的流体具有高腐蚀性 ,则需使用抗腐蚀材料制造管道 等零件。除了有特殊要求的部件 ,其他部件均可 采用价格相对低廉的常用金属材料制造。另外 , 由于旋转接头的大型部件较多 ,且都是铸造成型 后机加工 ,所以材料的铸造性能应有所保证。另一种思路是对材料采用表面处理 ,即零部件本身 使用普通材料 ,但针对其使用环境 ,对某一个面或 多个面进行化学处理 ,或敷设特殊材料涂层 ,这样 使零部件也能达到使用要求。3 . 4 旋转接头加工精度目前我国的机械加工设备技术成熟 ,各型数 控加工中心品种繁多 ,基本能满足旋转接头的精 度要求。考虑到多通道流体旋转接头本身属于单 件小批量生产 ,所以加工精度较为容易保证。但 小型部件易加工的同时也应看到 ,旋转接头制造的难点在于大型部件的精确加工 ,所以这对生产 商的硬件要求会更高。3 . 5 旋转接头调试与质量检测由于我国的多通道流体旋转接头目前完全依 赖进口 ,所以国内对于调试和质量检测设施与规范比较匮乏 。需要学习国外设备生产商的成熟思 想与技术 ,制定一套适合我国国情的规范 ,制造较 为实用的检测设备。目前我国有海洋石油工程 设计指南之类的资料对旋转接头有一定描述 ,但 作为规范来约束旋转接头的生产和使用 ,则还远远不足。实验设备方面 ,我国对旋转接头无专用 检测、调试设施。旋转接头的检测和调试需模拟 实际使用情况 , 针对不同数目通道 , 不同流体压 力 、温度 、成分 ,在不同转速、旋转频率下 ,承受小 量力矩 ,完成模拟实验 ,检测其密封效果、磨损情况等。参照国外经验 ,可以使用多自由度液压缸 支撑平台 ,在多个方向各装设一段可调节弹簧 ,模3) 海况。整体来看 ,适用海况由低到高依次为 :浮筒式系泊 、塔式系泊 、转塔式系泊。针对不 同海况 ,旋转接头的旋转量 、旋转频率各不相同 , 因而磨损情况也不一样。旋转接头的磨损包括机 械部分 (定环和动环) 磨损和密封圈的磨损 。针对不同海况 ,需设计不同的机械结构和密封圈结构 , 必要时设置轴承、内外环止动片等机构来降低磨 损 ,延长寿命。F P SO 多通道流体旋转接头的核心技术要求F PSO 多通道流体旋转接头的核心技术要 求包括五个方面 : 结构设计 、密封设计 , 制造材 料冶炼技术 , 部件精确加工技术和调试与检测 技术 。3 . 1 旋转接头结构设计根据不同油田的实际油气产量 、压力、温度 、 原油成分 ,在设计旋转接头时应尽量注意以下四 点 : 缩小旋转圈的半径 ,这样可以大幅减轻整体 质量 ,减少耗材 ,降低加工难度 ,保证装置精度 ,有 效控制成本 ; 化整为零 ,模块化设计 ,将大型部件进一步拆分为多个标准件 ,可以降低加工难度 , 更容易保证整体精度 ,其良好的互换性也方便维 修和更换 ;且各部分可独立采用不同材料 ,不需大 范围使用某些贵重金属。 合理布置环形空间内 的通道 ,在不影响安装、使用和维护的前提下最大限度地利用内部空间 ,容纳更多管系 ,做到紧凑和 实用 ; 零部件 (如回转支承、螺钉等) 设计尽量使 用市场上已有的标准件的尺寸 , 以方便维护、更 换 ,并降低造价 。3 . 2 旋转接头密封设计根据所输送流体的压力、温度和原油成分 ,密 封圈的剖面形状、材料和布置方式各不相同。当旋转腔内流体压力较大时 ,需设计更多层 次的密封圈 ,或选用横截面更有效的密封圈 ,如从 简单的 O 型圈到加挡环的 O 型圈到 V 型圈 、U型圈、Y 型圈等 。为防止密封圈扭转 、翻滚 、被挤 入旋转缝隙 ,安装密封圈的沟槽在必要时也需作 出相应的调整 ,从最常用的矩形槽到 V 形槽、半 圆形槽、燕尾槽 、三角形槽等。旋转腔内流体压力 过大、使用多层密封圈仍难以保证密封效果的 ,需设计压力平衡系统 ,在密封圈的内侧也填充压力 液体 (填充液体的压力值一般比产品液体的压力563 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 浮式生产储油卸油船多通道流体旋转接头性能分析 宋志鹏 ,郑绍春拟海上工作环境。考虑到旋转接头固定在支撑体的平台上 ,所承受的载荷和转矩有限 ,且其核心问 题在于机械部分的密封效果和磨损情况的监测 , 所以模拟实验中需拟合的要素不多 ,使用普通检 测装置即可满足功能上的需要 。再用不同长度的输油管路将不同高度的输油接头连接至整旋转接头的法兰盘上。参考文献 1 吕立功 ,景勇 ,温宝贵 ,等. F PSO 系泊系统设计上的考虑J . 中国造船 ,2005 ,46 (11) :3482356 . 2 J a n A Foolen. Ro tata ble swivel fo r o ne o r mo re co n2 duit s. U nited States of A merica , U nited Stat es Pa2 tent 4288106 P . 1979 . 3 J o hn E O rtloff . Mo tio n deco upling mechani sm fo r f l uid swivel stack . U nit ed St ate s of A merica , U nit ed States Pat ent 4602586 P . 1984 . 4 Rene Per rato ne . Swivel . U nited State s of A merica , U nited State s Patent 5071171 P . 1989 . 5 J o stein Er stad. High p re ssure f l uid co nnecto r . U nit2ed State s of A merica , U nited States Patent 5718458 P . 1995 .补充要求多通道流体旋转接头国产化 ,除要考虑上述 技术因素外 ,设计时还需考虑应便于人工作业维 修 ,在相邻两个接头单元之间设置一定的人工作 业空间 ,通过该空间可以完成相邻两个接头之间 的完全拆卸与组装。如在 F PSO 转塔舱专门设置 各个接头单元的人工作业平台 。同时要考虑旋转 接头应在某一接头单元出故障拆卸维修时 ,其他 接头仍能正常工作 。为此 ,可以把液体旋转接头 模块化 ,使旋转接头单元之间可以任意上下连接 ,4Performance Requirement s of Multi2channel Fluid Swivel Stack in FPSOSO NG Zhi2peng , ZHENG Shao2chun( School of Transpo rtatio n , Wuha n U niver sit y of Technolo gy , Wuha n 430063 , China)Abstract : Multi2cha nnel f l uid swivel stack i s t he key equip ment of single2point moo ring system in t he f loating p ro duc2 tio n sto rage & off loading ( F PSO) . Beca use of t he ext remel y demanding in mecha nical st rengt h , co r ro sio n resi st ance , re2 si sta nce to f atigue , sealing , etc. t hi s key equip ment ha s lo ng been a small number of fo reign co mp anie s mo nopolies , a nd do me stic suppo rt fo r t hei r resea rch i s sca nt . In t hi s pap er , t hree t yp es of single2point moo ring app roach were adop ted int he multi2channel f l uid swivel stack st r uct ure , f ro m a diff erent point of view of it s t echnical f eat ure s and technical difficul2tie s fo r it s localizatio n to p ro vide technical info r matio n and ref erence.Key words : multi2 cha nnel f l uid swivel stack ; si ngle2point moo ri ng system fo r F PSO ; t ur ret moo ring(上接第 52 页)质 ,进行通风、干燥 ,进行涂层状态的检查 ;对大面 积锈蚀磨损 ,进行相应除油 、除锈 、涂漆等系列工作。液舱涂装、属狭小舱室涂装 ,注意安全防护 ,涂装后 ,需经过保养处理等才能装载液体介质。 在测量船上墩修理下水以前