邊際油田水下液滑環總體設計分析

(中海油能源發展采油服務公司，天津 300457)

隨著我國海洋油氣開發的加速發展，對渤海灣60個邊際油田開發的技術研究顯得越來越重要。單點系泊系統的主要作用是將FPSO定位于預定海域，同時起著輸送井流、電力、通信等作用。在整個單點系泊系統中，液滑環是最核心的部件之一。目前，液滑環的設計和制造技術仍然被國外單點公司所壟斷，這些公司各自擁有自己的液滑環技術并保有相關專利。我國所有海域使用的FPSO單點系泊液滑環，從設計到加工制造全部依賴進口，不僅價格昂貴，而且供貨周期長，給油田順利投產和維護替換帶來經濟壓力和進度壓力。

為此，通過對國外同類設計的調研，提出新的“雙進雙出”的腔體設計方案，設計了10種截面方案，分別進行了2維和3維的流場分析，根據流場分析結果，選出最佳腔體界面方案。

1 液滑環原理概述

常用液滑環型式為一個環形構件，包括內環和外環結構。在生產期間應免于維護，無需定期加注滑油，具有完全防水功能。滑環中心為中空形式，它是液體傳送的流通通道。對地靜止的管線與滑環的內環入口相連，對地旋轉的管線與滑環的外環出口相連。液滑環可以單獨使用，也可以將幾個滑環疊裝起來成為一個通道組使用。

較常用的液滑環口徑為6、8、10和12 in(指進出口管徑)，液滑環的輸送管直徑越大、壓力越高，價格越高。在目前的油田開發項目中，中海油等公司的做法是提供所需液滑環的技術要求，由單點公司進行配套和總成。

2 “長青號”液滑環拆解分析

通過對“長青號”FPSO的舊液滑環的拆解來獲得液滑環的內部構造、機加工精度、材質、密封件等專業參數，作為進一步分析的技術基礎。主要測繪和分析工作內容如下。

1)單點液滑環內外環的形狀、加工尺寸、配合尺寸等。

2)單點液滑環內外環的原材料、化學成分、機械性能、金相組織等。

3)外購件標識等相關信息。

3 邊際油田液滑環總體設計方案

3.1 液滑環基本設計要求

針對渤海灣邊際油田的開發特點和海洋環境條件，提出液滑環的基本設計要求。

1)設計壽命為20年(內環、外環)。

2)結構計算疲勞系數為3.0。

3)內環和外環平均每天旋轉2周。

4)軸承和密封磨損基于100%生產時率考慮。

5)用于約20 m水下。

設計參數見表1。

表1 液滑環設計參數表

3.2 總體設計方案

本文分別提出了單進單出外環分體、單進單出外環整體、雙進雙出油封垂直排列、回轉軸承蝶形等方案，經多次計算分析及調研國外液滑環設計型式，最終確定液滑環的總體設計方案為：回轉軸承為“蝶形”方式。其主要特點：內腔進出口采用雙進雙出式；采用多道密封圈，形成折線式密封形式；設有沉沙槽和排沙孔；軸承采用三排滾柱式回轉支承；根據工況要求，軸承外設置有防水罩；見圖1和圖2。

圖1 液滑環設計方案形成過程

圖2 液滑環總體設計方案

3.3 液滑環結構形式

液滑環結構主要包括內環、外環、壓蓋、軸承、軸承罩、支架等組成。

安裝在支架上的內環與大地保持相對靜止，外環與FPSO保持相對靜止，即外環可以保證FPSO隨風浪流方向的改變圍繞內環進行360°自由旋轉。軸承使內環與外環保持同心，并使外環能夠自由旋轉。

液滑環的進出口管徑均為6 in。內環上連接2個6 in的入口管，外環上連接2個6 in的出口管，以確保流體傳輸。在外環的內壁上開設有環狀空腔。空腔形狀和尺寸是根據流場分析和機加工工藝綜合考慮后確定的。

在環狀空腔的上下兩側、內外環之間以及外環和壓蓋之間的相對運動面間設置了多道密封件進行密封，防止內部流體泄漏。

液滑環設有泄漏檢測。任何泄漏情況都可通過每道主油封后的檢漏孔來檢測。每個主油封的外側都設有2個檢漏孔。如果第1道主油封發生泄漏，傳輸介質就會流入第1道主油封后的檢漏孔，安裝在檢漏孔處的傳感器立即發出報警信號，同時，第2道主油封會起作用。如果第2道主油封發生泄漏，傳輸介質就會流入第2道主油封后的檢漏孔，安裝在檢漏孔處的傳感器會發出報警信號，同時，第3道主油封會起作用。如果第3道主油封發生泄漏，安裝在檢漏孔處的傳感器發出報警信號，此時必須盡快更換液滑環上的密封件。

3.4 液滑環運行機理及特點

1)油封水平放置，可減少原油中泥沙進入，減少磨損，安裝簡便。

2)新腔型截面形式，可有效減小原油對腔體的沖擊載荷，且流場合理可減少環縫處的泥沙沉積。

3)沉沙槽的設置可截留部分殘留的泥沙，使原油進一步潔凈，保護后續油封。排沙孔的設置用于在檢修時通過高壓水，有效清除沉積在沉沙槽中的沉沙。

4)雙進雙出型式可使油壓沖擊力相互抵消，減小側向沖擊載荷，整體穩定性好。

5)內環管路采用機加工成型，避免焊接產生的高應力區。

6)結構合理，易于安裝，密封性好，維護量少。

7)根據工況需求，進行防水設計。

4 液滑環腔體型式分析和確定

4.1 研究方案

考慮到油氣輸送時的整體沖擊的平衡，將設計方案分為兩種:①單進單出的液滑環;②雙進雙出的液滑環。首先分別對兩種滑環的初始設計草圖進行建模與流場計算，然后根據流場分布特點設計其他截面的腔體，分析計算其流場的壓力與速度分布，找出相對較好的腔體設計，并通過理論分析指出不同腔體設計間的差異。主要研究方案分為以下幾部分。

1)初始設計模型(單進單出與雙進雙出)的分析與建立。

2)初始設計模型的流場分析與改進建議。

3)新設計方案的流場分析計算與總結。

4)新液滑環初始設計的建議。

4.2 模型說明

液滑環的流場分析與計算采用專業流體力學計算軟件Fluent12.1完成。選型計算采用2D(二維)建模與分析。相應2D流體力學模型與網格劃分見圖3。

圖3 新液滑環流體力學模型與網格劃分

網格均采用Tri網格，其中單進單出滑環模型共劃分14 489個單元；雙進雙出模型共劃分11 392個單元。原油屬于高粘性流體，渤海原油性質見表2，油井的輸油量為10 750 m3/d，換算流速如下。

表2 渤中3-2油田原油性質

1)單進單出流速。

2)雙進雙出流速。

4.3 單進單出液滑環的流場計算

4.3.1 初始設計液滑環的流場計算

按網格完成Fluent流場分析，由于原油的粘性較高而且變化范圍很大，這次分別采用低粘度37.03 mPa·s和高粘度168.3 mPa·s計算。不同粘度下的流場壓力分布圖與流場速度矢量分布見圖4、5。

圖4 單進單出液滑環初始模型壓力云圖

圖5 單進單出液滑環初始模型速度矢量

從壓力分布圖不難看出，粘度的改變對壓力的大小和分布影響不大，低粘度下腔體內的壓力分布略高于高粘度。粘度對速度分布影響較大，低粘度下的速度場分布的峰值和變化范圍均明顯高于高粘度下的速度場分布。從速度場矢量分布圖上不難看出，初始設計方案均存在明顯的渦旋流動。

4.3.2 不同設計方案下的流場計算

按初始設設計的流場分布給出不同的設計方案，分別計算其在低粘度和高粘度下的壓力場和速度場分布。分別計算10種不同的設計模型，計算結果見表3。

表3 單進單出最大壓力與最大速度

由表3可見，不同的設計方案對最大壓力和最大流速影響較小，但從云圖上可以看出，不同的設計對壓力分布和速度分布有明顯影響，尤其對速度場分布影響很大。

1)腔體下緣需按傾斜設計，有助于消除底部渦旋。

2)軸線距離對整體速度場影響較大，距離近最大速度降低，且渦旋出現較小。

3)當軸線距離較大時產生較大的高度差，此時需控制下緣傾斜的角度。

4)腔體上緣可適當提升，用以減小壓力場和速度場的最大值分布。

4.4 雙進雙出液滑環的流場計算

4.4.1 初始設計液滑環的流場計算

分別采用低粘度37.03 mPa·s和高粘度168.3 mPa·s計算。不同粘度下的流場壓力分布圖與流場速度矢量分布圖見圖6和圖7。

圖6 雙進雙出液滑環初始模型壓力云圖

圖7 雙進雙出液滑環初始模型速度矢量分布

從壓力分布圖不難看出，與單進單出模式類似，粘度的改變對壓力的大小和分布影響不大，低粘度下腔體內的壓力分布略高于高粘度。雙進雙出模式下粘度對速度分布影響同樣較大，低粘度下的速度場分布的峰值和變化范圍均明顯高于高粘度下的速度場分布。

4.4.2 不同設計方案下的流場計算

按初始設計的流場分布給出不同的設計方案，分別計算其在低粘度和高粘度下的壓力場和速度場分布。分別計算9種不同的設計模型，計算結果見表4。

表4 雙進雙出最大壓力與最大速度總表

由表4可見，不同的設計方案對最大壓力影響較小，最大速度隨設計方案有一定改變。分析壓力場和速度場不難發現，雙進雙出的腔體截面形式有和單進單出類似的規律。

1)腔體下緣底端需與出油口底端處在同一高度，不然容易造成沉積。

2)腔體下緣需按傾斜設計，最后通過倒角與底緣連接，有助于消除底部渦旋。

3)腔體上緣可適當提升，用以減小壓力場和速度場的最大值分布。

5 新液滑環的三維流場計算

通過分析單進單出與雙進雙出的設計方案，選取其中壓力與速度分布較合理，渦旋流動較小的設計方案進行3D(三維)流場分析，分別采用單進單出的方案2與雙進雙出的方案9進行分析。

考慮入油口與出油口不正對的情況，若出油口位于入油口正后方，則整體結構還存在對稱性，較大壓力和沉積主要出現在入油口附近，故建立入油口附近區域的3D模型。

5.1 單進單出3D流場分析

流場分析采用低粘度計算，考慮到矢量運算的計算量較大和結構的對稱性，先對入油口及其周邊區域進行3D建模分析，見圖8。

圖8 單進單出3D流場

若出油口既不位于正前方也不位于其正后方，則需要建立整體的3D模型完成流場分析與計算。為了能夠同時監視入油口、出油口和中間流通狀態建立如圖9所示的監視截面。

圖9 單進單出新液滑環整體流場模型和有限元網格劃分

3D建模及網格共劃分975 110個單元。在計算整體流場同時，對圖中的3個監測面的壓力場與速度場進行了跟蹤分析。通過對平面流場的分析計算不難發現，高粘度情況下的最大壓力較大，故這里采用最大粘度模擬整體流場；考慮到沉積對出、入油口流速的可能影響，這里假設出入油口直徑為98 mm，入油口流速為4.123 8 m/s。

整體流場的壓力分布和速度分布見圖10。

圖10 單進單出整體3D流場

可以看到，當出油口比較接近入油口時，入油口接近出油口一側容易產生較大的渦旋流動，該流動一般發生在腔體的下邊緣線中部，由于下邊緣線采用了斜面設計，當滑環的轉動時所產生的沉積會得到沖刷。

5.2 雙進雙出3D流場分析

雙進雙出的3D流場分析采用的是高粘度計算，考慮到結構的對稱性，先對入油口及其周邊區域進行3D建模分析，進行其壓力分布云圖和速度分布見圖11。

圖11 雙進雙出3D流場的速度矢量分布

完成平面流場模擬對稱性分析后建立三維流場模型及網格見圖12，共劃分單元831 500個。

圖12 雙進雙出滑環的有限元模型及其網格劃分

高粘度計算的雙進雙出的3D全域流場壓力分布、速度分布見圖13。

圖13 雙進雙出模型3D流場

可以看出，新設計滑環模型的壓力場中承壓面分布合理；腔體靠近入油口一側的底部的流速場為流體向兩側分流產生的投影區，不會有明顯沉積。

5.3 流場分析結果

分析單進單出與雙進雙出的壓力場和速度場不難發現，兩種類型滑環的腔體截面形式有類似規律。

1)腔體下緣底端需與出油口底端處在同一高度，不然容易造成沉積。

2)腔體下緣需按傾斜設計，最后通過倒角與底緣連接，有助于降低沖擊壓力。

3)腔體上緣可適當提升，用以減小壓力場和速度場的最大值分布。在型腔形狀設計時，應予以充分考慮。

6 結束語

液滑環作為單點系泊系統的關鍵部件，它的國產化可以大大降低油田的開發成本。本項目通過國外液滑環的拆解分析得到真實數據，結合渤海灣邊際油田的設計要求提出了新的液滑環設計方案。在對新的液滑環設計方案的計算分析中，積累了寶貴的經驗，對未來液滑環設計制造的國產化進行了有益的探索和嘗試。

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