圓筒型FPSO液壓儀表管串油關(guān)鍵技術(shù)研究

胡瑾華，白保衛(wèi)，譚曉光

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東青島 266520）

多點(diǎn)系泊式圓筒型海上油氣生產(chǎn)儲卸平臺（FPSO）創(chuàng)新地采用了圓形船體結(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)船型FPSO，其具有更好的抗風(fēng)浪和定位能力。某英國北海圓筒型FPSO是公司歷年來承攬建造的首艘圓形FPSO項(xiàng)目，采用了挪威Sevan Marine公司的Sevan 400圓筒型概念設(shè)計(jì)，其穩(wěn)定性通過船體雙層底下部的壓載水艙壓排載控制，壓載水艙又通過船體中心井內(nèi)的液壓開關(guān)閥調(diào)節(jié)進(jìn)水，液壓開關(guān)閥通過儀表管與上部液壓動(dòng)力單元（HPU）連接，因此，確保液壓動(dòng)力系統(tǒng)工作的可靠和穩(wěn)定性對于整個(gè)FPSO的投產(chǎn)運(yùn)行至關(guān)重要。

液壓動(dòng)力系統(tǒng)中，液壓儀表管是串聯(lián)各個(gè)工作單元的重要組成部分，由于生產(chǎn)、儲存、切割組裝過程中，儀表管內(nèi)部會存在較多雜質(zhì)，進(jìn)入到油液中的各種顆粒污染物會導(dǎo)致液壓元件中出現(xiàn)阻尼小孔或節(jié)流小孔堵塞引起元器件失靈等問題，進(jìn)而影響整個(gè)液壓系統(tǒng)的正常工作。儀表管串油的目的就是利用串油介質(zhì)反復(fù)串洗儀表管內(nèi)部，將雜質(zhì)清除，以保證其連接的液壓設(shè)備元器件能夠正常運(yùn)行。

1 液壓動(dòng)力系統(tǒng)組成

圓筒型FPSO包含下部圓形浮筒式船體、上部生產(chǎn)工藝模塊及生活樓，船體與上部模塊通過船體上方主甲板分開。船艙底部中心井的液壓開關(guān)閥通過主甲板上方的HPU（液壓動(dòng)力單元）模塊連接的儀表管驅(qū)動(dòng)控制閥門開關(guān)。儀表管路徑通常設(shè)計(jì)從艙底匯集后通過托架集中布置貫穿上方主甲板，從主甲板穿出后上升并下掛于工藝甲板（高于主甲板6m）下再下行連接到HPU模塊。液壓動(dòng)力系統(tǒng)組成如圖1～圖2 所示。

圖1 液壓動(dòng)力系統(tǒng)組成

圖2 S2 MX 46油品黏度曲線

2 儀表管串油方案

FPSO下船體為塢內(nèi)建造，建造完成后需要出塢完成所有上部模塊的集成安裝，出塢后，船體中心井會壓載進(jìn)水，此時(shí)無法再進(jìn)行儀表管的串油作業(yè)，因此船體內(nèi)儀表管串油必須在塢內(nèi)建造階段完成。然而，由于上部模塊在塢內(nèi)建造階段無法全部吊裝上船，下掛于上部模塊底層的儀表管托架無法就位，造成主甲板上方部分儀表管無法安裝。因此，上述液壓系統(tǒng)無法完成整體串油，此時(shí)通常設(shè)置儀表管連接分割點(diǎn)為主甲板上方位置，上下分開串油后再進(jìn)行連接，連接后無法再進(jìn)行整體串油。

另外，串油介質(zhì)須選擇與設(shè)計(jì)使用的油品一致，串油前需完成儀表管試壓，以確保儀表管連接無泄漏。試壓介質(zhì)通常選擇跟串油介質(zhì)一樣的油品或不含氯離子的純凈水，勿使用氮?dú)獾榷栊詺怏w，避免船艙內(nèi)密閉空間窒息風(fēng)險(xiǎn)，試壓壓力通常為儀表管設(shè)計(jì)壓力的1.5倍。

3 雷諾數(shù)Re設(shè)定

儀表管串油的一個(gè)關(guān)鍵因素為設(shè)定合理的雷諾數(shù)，雷諾數(shù)是一種可用來表征流體流動(dòng)情況的無量綱數(shù)，是流動(dòng)流體的慣性力與黏滯力之比，以Re表示。流體在管道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)通常分為層流、紊流（湍流）、過渡狀態(tài)（介于層流和紊流之間）。層流，即流體質(zhì)點(diǎn)僅沿著與管軸平行的方向作直線運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)無徑向脈動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)之間互不混合；紊流（或湍流），即流體質(zhì)點(diǎn)除了沿管軸方向向前運(yùn)動(dòng)外，還有徑向脈動(dòng)，各質(zhì)點(diǎn)的速度在大小和方向上都隨時(shí)變化，質(zhì)點(diǎn)互相碰撞和混合。雷諾數(shù)小，意味著流體流動(dòng)時(shí)各質(zhì)點(diǎn)間的黏性力占主要地位，流體各質(zhì)點(diǎn)平行于管路內(nèi)壁有規(guī)則地流動(dòng)，呈層流流動(dòng)狀態(tài)。雷諾數(shù)大，意味著慣性力占主要地位，流體呈紊流（也稱湍流）流動(dòng)狀態(tài)，一般管道雷諾數(shù)Re＜2 000為層流狀態(tài)，Re＞4 000為紊流狀態(tài)，Re=2 000～4 000為過渡狀態(tài)。

綜上，只有串油介質(zhì)在管道內(nèi)呈紊流狀態(tài)，油體質(zhì)點(diǎn)徑向脈動(dòng)，沖刷管壁，才能達(dá)到串油清潔效果。因此，儀表管串油時(shí)雷諾數(shù)需設(shè)定為Re＞4 000。

4 油溫控制

雷諾數(shù)Re的基本計(jì)算公式為：

其中v=4Q/(π×d2)，換算后，

上述公式中，Q為泵流量，ρ代表流體密度，d為管內(nèi)徑，μ為流體黏度。

串油過程中，管內(nèi)徑d和流體密度ρ保持不變，因此影響雷諾數(shù)Re的主要參數(shù)為黏度μ（隨溫度T變化）和泵流量Q。其中泵流量Q與串油設(shè)備的設(shè)定壓力有關(guān)，壓力越大，流量越大；工程實(shí)踐中，串油設(shè)備的壓力一般設(shè)置為正常的操作壓力，不會有較大幅度的改變，即泵流量Q通常保持不變。因此，雷諾數(shù)Re主要通過控制溫度T調(diào)節(jié)黏度μ設(shè)定。設(shè)置Q=35L/min（串油設(shè)備正常工況），儀表管內(nèi)徑d=8mm，計(jì)算油溫為40℃和60℃時(shí)，其雷諾數(shù)Re分別為1 774和4 080，如表1所示。鑒于此，此工況下串油溫度應(yīng)控制在60℃以上，而考慮串油設(shè)備的加熱能力有限，溫度不宜過高，通常對于此種油品的串油油溫需控制為60～75℃。

表1 油溫40℃和60℃的雷諾數(shù)Re計(jì)算

5 檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

多次取樣分析串油介質(zhì)清潔度NAS等級來判斷串油結(jié)果是否達(dá)標(biāo)。NAS是美國航天學(xué)會制定的清潔度等級標(biāo)準(zhǔn)，通常以NAS 6清潔標(biāo)準(zhǔn)作為儀表管串油結(jié)果的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，即儀表管內(nèi)微小粒子的比例符合，如表2所示。

表2 NAS 6顆粒物標(biāo)準(zhǔn)

需要注意的是，如果Re數(shù)設(shè)定值小于4 000時(shí)，此時(shí)串油流體處于層流或過渡狀態(tài)，油體質(zhì)點(diǎn)只做直線運(yùn)動(dòng)或只有少量的徑向脈動(dòng)，無法起到?jīng)_刷管壁的作用，此時(shí)取樣測量的油體也可能滿足NAS標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)際不符合串洗要求，串油結(jié)果不可認(rèn)定為合格。

6 結(jié)數(shù)語

圓筒型FPSO液壓系統(tǒng)儀表管串油相較于傳統(tǒng)海洋工程項(xiàng)目有其自身的特點(diǎn)，串油方案制定時(shí)需要考慮其結(jié)構(gòu)物特點(diǎn)和具體的建造工序。串油油溫不能單純地根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定和判斷，需要有理論支持和計(jì)算依據(jù)，否則可能達(dá)不到串油效果。國內(nèi)圓筒型FPSO建造屈指可數(shù)，施工可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)甚少，以上所述儀表管串油關(guān)鍵技術(shù)望為后續(xù)類似項(xiàng)目提供有效的技術(shù)指導(dǎo)。