浮式生產儲油卸油船多通道流體旋轉接頭性能分析

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(武漢理工大學 交通學院,武漢 430063)

兼有生產與儲油作用的浮式生產儲油卸油船(floating production storage & offloading, FPSO)單點系泊系統的核心設備——多通道流體旋轉接頭在機械強度、耐腐蝕、抗疲勞能力、密封性能等方面要求極高，這一關鍵設備長期以來被少數外國公司所壟斷，如挪威APL公司、荷蘭Bluewater公司、挪威Maritime Tentech公司、荷蘭IHC公司、荷蘭SBM公司以及美國FMC SOFEC公司。一套單點系泊裝置投資少則千萬美元，多則幾千萬美元，約占整個FPSO投資的1/3。近年來，海洋油氣資源開采逐步走向深海，擴展到了邊際油田。作為FPSO的核心部件之一，多通道流體旋轉接頭的國產化訴求越來越急切，多通道流體旋轉接頭國產化技術攻關勢在必行，研究其相關技術意義重大。

1 FPSO單點系泊系統多通道流體旋轉接頭的主要功能和特點

FPSO單點系泊是指錨泊系統與船體只有一個接觸點，系泊定位系統中的關鍵設備多通道流體旋轉接頭可隨風、浪、流轉動，在運動中保證海底石油從相對靜止的管路輸入到“風向標式”的旋轉船體儲油艙中，要保證管道流體連續不斷、暢通無阻。多通道流體旋轉接頭結構特殊，由三大部分組成：即旋轉(動環)部分、密封部分和靜止(定環)部分，其結構如圖1a)所示，多通道縱向堆疊形式外觀見圖1b)所示。

圖1 多通道流體旋轉接頭的結構和外

靜止(定環)部分由流體輸入管與靜腔貫通，旋轉(動環)部分由流體輸出管與旋轉腔貫通，靜腔和旋轉腔組成完整的流體腔通道，密封部分對靜止(定環)部分和旋轉(動環)部分接觸面之間的流體進行密封，防止流體泄漏及流體間的互混。

2 FPSO多通道流體旋轉接頭分類

FPSO由于作業油田的情況各異而采用不同的系泊系統，其內部多通道流體旋轉接頭的結構也有差異。我國FPSO的單點系泊方式，大體分為三大類：轉塔式系泊、塔式系泊和浮筒式系泊[1]。

2.1 轉塔式系泊多通道流體旋轉接頭

轉塔式系泊是目前應用最廣泛的一種系泊方式，分為外轉塔系泊系統和內轉塔系泊系統。外轉塔系泊系統有一鋼質箱體型結構，能從FPSO船艏或船艉靠攏或延伸一段距離，并為旋轉軸承和轉塔提供基座。內轉塔系泊系統一般在靠近FPSO船艏部分，被支撐在一個大的滾柱軸承上。軸承的外圈被連接到船體上，而內圈與轉塔的固定部分結合為一體。兩種系泊系統都允許FPSO隨海況自由轉動。

圖2為SBM公司設計的轉塔式系泊多通道流體旋轉接頭[2]。其固定部分25，旋轉環24，旋轉環和固定部分共同構成旋轉腔22、23。被傳輸流體從海底管路輸送到旋轉接頭的輸入管11，再流向定環和動環組成的旋轉腔22、23，再經由輸出管14流向儲油船。整個流程也可以反過來，用于向井內注射流體。密封圈布置于旋轉腔的兩側，上下各一，防止內部流體滲漏。在運行中，旋轉環24(包括輸出管14)，圍繞著固定環25旋轉，兩者之間裝有軸承34、35(34為圓柱滾軸承，35為球軸承)，用于減小磨損，保持機器平穩運轉。

11-輸入管；14-輸出管；22、23-旋轉腔；24-旋轉環；25-固定環；34-圓柱滾軸承；35-球軸承；圖2 轉塔系泊多通道流體旋轉接頭結構圖

2.2 塔式系泊多通道流體旋轉接頭

塔式系泊系統是把固定塔結構固定在海床上，為永久系泊的FPSO或油輪裝卸載生產油氣提供錨點。

圖3為Exxon Production Research公司設計的轉塔式多通道流體旋轉接頭[3]。為防止液體傳輸導管在從旋轉接頭總成向儲油船輸送的過程中發生扭、絞或斷裂，系泊旋轉接頭24和流體旋轉接頭20互連成一個整體，同時轉動。旋轉接頭的固定部分35、35b，通過沉頭螺釘39連接。流體從海底管路輸送到旋轉接頭輸入管31，再流向定環和動環組成的旋轉腔32，經由輸出管33流向儲油艙。整個流程也可以反過來，用于向井內注射流體。O型密封圈37a、37b用于旋轉腔的第一道密封，防止內部流體滲漏。U型密封圈38a、38b則用于外部密封，防止外部的液體、氣體和固體雜質進入旋轉接頭。在運行中，旋轉體34(包括輸出管33)，圍繞著固定環35旋轉，兩者之間裝有軸承36a和36b，以減小磨損。

2.3 浮筒式系泊多通道流體旋轉接頭

浮筒被錨泊在海上，作為系泊點為FPSO裝、卸氣體或液體產品服務，與具有風向標效應的FPSO之間的連接。浮筒為裝置提供浮力和穩定性，容納各種各樣的零部件，提供井口平臺與FPSO之間傳輸液體的連接界面。

20-流體旋轉接頭；24-系泊旋轉接頭；31-輸入管；32-旋轉腔；33-輸出管；34-旋轉體；35a、35b-固定部分；36a、36b-軸承；37a、37b-O型密封圈；38a、38b-U型密封圈；39-沉頭螺釘圖3 塔式系泊多通道流體旋轉接頭

2-儲油船；3-纜繩；4-海底；5、6、7-輸油管；8-浮筒；9-系泊纜；10-旋轉接頭；11-輸送管；13、14-輸入管；15-環狀空腔；16、17-輸出管；18-輸入管；19-密封圈；20-回轉支承；21-定換；22-動環圖4 浮筒式系泊多通道流體旋轉接頭

圖4為SBM公司設計的浮筒式系泊多通道流體旋轉接頭[4]。浮筒8通過系泊纜9固定于海底4，輸油管5、6、7將原油輸送到流體旋轉接頭10，再由輸送管11輸送到儲油船2上，儲油船2與浮筒通過纜繩3連接。旋轉接頭含3根輸入管13、14和18，均位于定環21內。動環22與定環21之間形成環狀空腔15，密封圈19防止液體泄漏，同時阻止外界雜質、氣液進入接頭體。輸出管16、17將環狀空腔內的流體導出，輸送到儲油船上。定環和動環之間通過回轉支承20連接。使用中不需將多個旋轉接頭堆砌在一起即可完成流體輸送，但是當傳輸的是多種不同物體時，為防止各物質互混，則需要將多個獨立的旋轉接頭。

2.4 FPSO多通道流體旋轉接頭結構對比

整體上看，轉塔式系泊和塔式系泊使用的旋轉接頭比較相近，都采用多通道、多層堆疊設計，具有較大的通用性；而浮筒式系泊由于所有重量由浮體的浮力承受，所有其旋轉接頭的尺寸和重量會有較大限制，且其通道數目一般最多設2個，堆疊層數也僅2～3層，與轉塔式系泊和塔式系泊旋轉接頭有較大差別。

旋轉接頭的型式隨著下列因素而變化。

1) 工作水深。浮筒系泊多通道流體旋轉接頭用于較淺水域，適用水深約在13～88 m。塔式系泊多通道流體旋轉接頭也僅用于較淺水域，適用水深在20～106 m。轉塔系泊多通道流體旋轉接頭適用水域較廣，適用水深20～1 400 m。

2) 石油理化特性。原油充足時，流體壓力大，對旋轉接頭的密封要求也較高，此時需設定更復雜的密封圈組合，在必要情況下需單獨設置特殊通道注射壓力液體，以保持密封圈兩側的壓力穩定。原油溫度較高時，密封圈的磨損會隨之加劇，此時通道和密封圈的設置也需要作出相應的改變，以降低溫度或使熱量均勻分布。石油的成分較為復雜，當石蠟、瀝青含量較高時，管道在長期的輸送過程中會淤積大量雜質，導致輸送量劇減甚至堵塞。此時則需設計對應的管道系統，必要時設置專用清潔通道，使用專用機器人定期清潔管道。

3) 海況。整體來看，適用海況由低到高依次為：浮筒式系泊、塔式系泊、轉塔式系泊。針對不同海況，旋轉接頭的旋轉量、旋轉頻率各不相同，因而磨損情況也不一樣。旋轉接頭的磨損包括機械部分(定環和動環)磨損和密封圈的磨損。針對不同海況，需設計不同的機械結構和密封圈結構，必要時設置軸承、內外環止動片等機構來降低磨損，延長壽命。

3 FPSO多通道流體旋轉接頭的核心技術要求

FPSO多通道流體旋轉接頭的核心技術要求包括五個方面：結構設計、密封設計，制造材料冶煉技術，部件精確加工技術和調試與檢測技術。

3.1 旋轉接頭結構設計

根據不同油田的實際油氣產量、壓力、溫度、原油成分，在設計旋轉接頭時應盡量注意以下四點：①縮小旋轉圈的半徑，這樣可以大幅減輕整體質量，減少耗材，降低加工難度，保證裝置精度，有效控制成本；②化整為零，模塊化設計，將大型部件進一步拆分為多個標準件，可以降低加工難度，更容易保證整體精度，其良好的互換性也方便維修和更換；且各部分可獨立采用不同材料，不需大范圍使用某些貴重金屬。③合理布置環形空間內的通道，在不影響安裝、使用和維護的前提下最大限度地利用內部空間，容納更多管系，做到緊湊和實用；④零部件(如回轉支承、螺釘等)設計盡量使用市場上已有的標準件的尺寸，以方便維護、更換，并降低造價。

3.2 旋轉接頭密封設計

根據所輸送流體的壓力、溫度和原油成分，密封圈的剖面形狀、材料和布置方式各不相同。

當旋轉腔內流體壓力較大時，需設計更多層次的密封圈，或選用橫截面更有效的密封圈，如從簡單的O型圈到加擋環的O型圈到V型圈、U型圈、Y型圈等。為防止密封圈扭轉、翻滾、被擠入旋轉縫隙，安裝密封圈的溝槽在必要時也需作出相應的調整，從最常用的矩形槽到V形槽、半圓形槽、燕尾槽、三角形槽等。旋轉腔內流體壓力過大、使用多層密封圈仍難以保證密封效果的，需設計壓力平衡系統，在密封圈的內側也填充壓力液體(填充液體的壓力值一般比產品液體的壓力值稍大)，使其兩側流體壓力平衡[5]。

3.3 旋轉接頭制造材料

整體上看，優秀的旋轉接頭質量小、強度高、磨損小、加工簡單、維修方便、造價低，這也是對其制造材料的指導性要求。具體看來，采用模塊化設計的旋轉接頭，更易因地制宜，使用不同材料制造。整個旋轉接頭中，對材料要求最高的屬于定環和動環相接觸的部位。此部件最突出的要求是保證良好耐磨性的同時保持接觸面的有效潤滑(避免啟動力矩過大)。再者，材料的導熱性要好，熱膨脹小，以有效控制部件間隙。若管道內的流體具有高腐蝕性，則需使用抗腐蝕材料制造管道等零件。除了有特殊要求的部件，其他部件均可采用價格相對低廉的常用金屬材料制造。另外，由于旋轉接頭的大型部件較多，且都是鑄造成型后機加工，所以材料的鑄造性能應有所保證。另一種思路是對材料采用表面處理，即零部件本身使用普通材料，但針對其使用環境，對某一個面或多個面進行化學處理，或敷設特殊材料涂層，這樣使零部件也能達到使用要求。

3.4 旋轉接頭加工精度

目前我國的機械加工設備技術成熟，各型數控加工中心品種繁多，基本能滿足旋轉接頭的精度要求。考慮到多通道流體旋轉接頭本身屬于單件小批量生產，所以加工精度較為容易保證。但小型部件易加工的同時也應看到，旋轉接頭制造的難點在于大型部件的精確加工，所以這對生產商的硬件要求會更高。

3.5 旋轉接頭調試與質量檢測

由于我國的多通道流體旋轉接頭目前完全依賴進口，所以國內對于調試和質量檢測設施與規范比較匱乏。需要學習國外設備生產商的成熟思想與技術，制定一套適合我國國情的規范，制造較為實用的檢測設備。目前我國有《海洋石油工程設計指南》之類的資料對旋轉接頭有一定描述，但作為規范來約束旋轉接頭的生產和使用，則還遠遠不足。實驗設備方面，我國對旋轉接頭無專用檢測、調試設施。旋轉接頭的檢測和調試需模擬實際使用情況，針對不同數目通道，不同流體壓力、溫度、成分，在不同轉速、旋轉頻率下，承受小量力矩，完成模擬實驗，檢測其密封效果、磨損情況等。參照國外經驗，可以使用多自由度液壓缸支撐平臺，在多個方向各裝設一段可調節彈簧，模擬海上工作環境。考慮到旋轉接頭固定在支撐體的平臺上，所承受的載荷和轉矩有限，且其核心問題在于機械部分的密封效果和磨損情況的監測，所以模擬實驗中需擬合的要素不多，使用普通檢測裝置即可滿足功能上的需要。

4 補充要求

多通道流體旋轉接頭國產化，除要考慮上述技術因素外，設計時還需考慮應便于人工作業維修，在相鄰兩個接頭單元之間設置一定的人工作業空間，通過該空間可以完成相鄰兩個接頭之間的完全拆卸與組裝。如在FPSO轉塔艙專門設置各個接頭單元的人工作業平臺。同時要考慮旋轉接頭應在某一接頭單元出故障拆卸維修時，其他接頭仍能正常工作。為此，可以把液體旋轉接頭模塊化，使旋轉接頭單元之間可以任意上下連接，再用不同長度的輸油管路將不同高度的輸油接頭連接至整旋轉接頭的法蘭盤上。

[1] 呂立功，景勇，溫寶貴，等.FPSO系泊系統設計上的考慮[J].中國造船，2005，46(11)：348-356.

[2] Jan A Foolen. Rotatable swivel for one or more conduits. United States of America, United States Patent 4288106 [P].1979.

[3] John E Ortloff. Motion decoupling mechanism for fluid swivel stack. United States of America, United States Patent 4602586[P].1984.

[4] Rene Perratone. Swivel. United States of America, United States Patent 5071171[P].1989.

[5] Jostein Erstad. High pressure fluid connector. United States of America, United States Patent 5718458[P].1995.