液壓式浸沒泵在半潛式儲油平臺上的應用

尤學剛，程糾，吳堯增，劉孔忠，劉偉杰，汪建平

(中海石油(中國)有限公司 海南分公司，海口 570100)

陵水17-2氣田開發工程項目采用半潛式平臺回接水下生產系統，設計水深1 500 m。氣田采出的天然氣在平臺處理合格后通過海管外輸，凝析油儲存在平臺的4個立柱內，通過油輪定期外輸[1]。

半潛式平臺的船體立柱部分除儲存凝析油外，還儲存有污油、壓載水、富乙二醇、貧乙二醇、淡水和柴油。凝析油艙除具備儲存凝析油功能外，由于位于密封空間，需要特別關注平臺的整體安全。所述項目所有油艙周圍均設有空艙，根據API505規范，空艙劃分為1級1區，起到隔離危險區與非危險區域的作用。設置大量的空艙，使得船體內可布置設備及管線的有效空間減小，無法布置機艙和泵艙。陵水17-2平臺為全球首座10萬t級半潛式儲油生產平臺，沒有同規格的平臺可參考。考慮到液壓式浸沒泵具有可靠性高、現場無防爆問題、壽命長、集成方便等優點[2]，在FPSO及半潛式平臺上大量使用。為滿足平臺應用需求，對在液壓系統上設置儲能器保證臺風期間系統的安全；使用真空自吸裝置提高泵的吸入性能；在排載泵管柱上設置密封裝置保證船艙的水密等方面進行討論。

1 選型

凝析油艙高度為59 m，遠高于以往FPSO的油艙，無法采用深井泵和長軸泵[3]。綜合考慮，采用液壓式浸沒泵作為凝析油、污油、壓載水、富乙二醇和貧乙二醇的輸送泵，每個立柱設置1臺獨立的HPU(液壓站)，供本立柱的各泵使用，系統集成了貨油裝卸、掃艙、壓載等多種功能[2]。此方案具有船體內部操作、維護工作量小、介質艙無電氣設備、本質安全性高等特點。淡水和柴油的用戶需求量小，采用普通的離心泵即可，占地空間小，布置在底部機械處所。

根據實際使用需求，各泵均采用常規貨油泵。每個立柱布置1臺排載泵，所有壓載艙通過2個主環路總管相連，總管接入排載泵，所有4臺排載泵均可以互為備用，滿足規范要求的每個壓載艙至少有2臺泵能排水的要求，4個角各布置1臺排載泵(見圖1)。

圖1 2個主環路總管

由于排載泵的入口需要連接大的管線，將排載泵泵頭安裝在吸入盒內，吸入盒側面設置入口管口。污油泵的取水口有3個不同的高度，3個高度的管線通過三通接入總管，再從底部接入泵的吸入盒。

2 設計思路

為滿足平臺的生產需要，結合平臺現狀，對液壓式浸沒泵系統進行優化：①在液壓油回油管線上設置緩沖器，保證臺風期間整個液壓系統的本質安全；②由于排載泵和污油泵的入口連接管線，特別是排載泵連接的管線需要從環形壓載水管線接入，管線長，管件多，入口阻力大，泵安裝真空自吸裝置，可大大提高泵的吸入能力，同時起到快速排載的作用；③在排載泵管柱上設置水密裝置，保證穿艙處以上的區域全部為水密區域，上部區域所有房間均不采用水密設計，減少投資。

2.1 臺風期間系統的安全

液壓式浸沒泵非工作狀態時，HPU上的液壓油補給泵啟動，給液壓油系統提供一定的壓力，保證液壓油系統的壓力高于介質艙內介質的靜水壓力，機械密封正常受壓，保證液壓油系統的安全。否則若液壓系統無壓力，艙內介質的靜水壓力長時間高于液壓油的壓力時，易損壞液貨密封和機械密封，造成液壓油系統發生故障。臺風期間，主電關閉，僅有UPS(不間斷電源)工作，若用UPS給補給泵提供電力，短時間內就會耗光所有的電力；若要保證補給泵在臺風期間一直工作，則需求UPS的容量非常大，投資增大。在液壓油系統的回油管上增加1個儲能器(見圖2)，在平臺失電前提前給儲能器充滿氮氣，保證液壓油系統能維持一定的壓力，可以很好地解決臺風期間，平臺電力不足的情況。

圖2 液壓系統上增加儲能器

2.2 真空自吸裝置的使用

通常，液貨泵配備真空自吸裝置起到超級掃艙的作用[4]，即通過抽真空將吸入盒內的介質先清空，使介質艙內和管線內的介質盡可能地流入吸入盒中，超級掃艙，可快速裝載下一批貨物。本半潛式平臺靠錨鏈系泊固定，每個艙裝卸同一種介質，不要求能快速裝載下一批貨物，除介質艙定期年檢需要清艙外，平時對艙內的殘液量不做嚴格的要求。

排載泵和污油泵在泵頭均裝配有吸入盒，并在吸入盒頂部安裝真空自吸裝置的吸入管。排載泵在吸入盒內安裝液位變送器，通過液位的高低來啟停真空自吸裝置。根據ABS MODU規范要求，至少有2臺泵能有效排空每個壓載艙。由于本平臺為4立柱設計，即要求每臺泵均能排空鄰近立柱的任意壓載艙即可，泵入口管線阻力根據計算考慮為9 m水柱。在0.7 MPa(表壓)壓力的空氣作用下，自吸裝置產的的真空度隨時間的變化見圖3，其中實線為排載泵的自吸裝置真空度曲線，自吸裝置可在30 s內產生6 m的真空度，可極大地改善泵的吸入性能，盡可能將鄰近立柱的壓載艙及長距離管線內的介質排空。

圖3 自吸裝置真空度變化

真空自吸裝置的核心部件為噴射器，排載泵的噴射器固定在頂板上，實物見圖4。

圖4 排載泵噴射器實物

2.3 排載泵管柱上設置密封裝置

所有液壓式浸沒泵中，排載泵的管柱最長，達到59 m。泵頭及吸入盒安裝在底部機械處所區域，上穿9 m標高的甲板至豎井區域，再上穿59 m標高的立柱頂部甲板，泵頂板固定在立柱頂部甲板，起到水密立柱頂部甲板的作用。而管柱從底部機械處所區域上穿到豎井區域，需要在9 m標高的穿艙處保證水密性，見圖5。

圖5 排載泵布置說明

常規做法是用50 m長的護管將穿艙的泵管柱完全套住，水只會流到護管里，不會進入堅井區域，從而起到水密作用。但是50 m長的護管在船艙里很占用空間，安裝固定難度非常大，且提泵維修時無法拆卸中間支撐。

分析后提出，取消此護管，在穿艙處安裝1個膨脹節，下端通過1段短節即甲板支座固定在甲板上，在泵管柱上的連接部位增加1副密封法蘭，見圖6。

圖6 排載泵管柱上的密封法蘭

膨脹節上端通過螺栓與密封法蘭連接，起到水密作用，見圖7。

圖7 排載泵管柱密封裝置布置示意

膨脹節采用船用行業標準，易采配。由于排載泵管柱包括高壓液壓進油管、低壓液壓回油管、隔離空腔管、液貨管、掃艙管、自吸裝置管[5]，若密封法蘭直接與甲板支座連接，船體由于運動會導致此水密裝置對泵管柱產生作用力。以往項目中未在管柱的中部位置安裝過水密法蘭，考慮通過膨脹節可減少由于增加水密裝置導致泵本體整體受力大的變化，同時起到水密作用。采用此方案，4臺排載泵的安裝減重70 t，泵整體安裝工作難度及工作量也大大減小，且更有利于后期泵的維護。同時，此水密裝置的設置，可保證9 m標高以上的區域滿足水密要求，將所有操作間的門設計為非水密型式，減少投資。

水密裝置主要參數如下。

壓力：0.6 MPa(表壓)，直徑:1 000 mm；

膨脹節波數4，軸向位移44 mm，橫向位移2.9 mm。

3 安裝

關于貨油泵的安裝[6-7]，需要特別注意焊接順序，泵座本身的焊縫不能位于船體的橫向方向，應盡量與船的縱向方向平行。本項目中除了排載泵的安裝有特殊考慮外，其他泵的安裝與其他項目類似。排載泵由于底部安裝有吸入盒，吸入盒固定在艙內的甲板上。排載泵為兩點支撐，泵的重量主要作用在吸入盒上，頂板為彈性支撐，與其他貨油泵的懸掛支撐形式不一樣。安裝順序：先安裝底部吸入盒，再安裝泵頂板、焊接頂部甲板支座，及連接管柱水密裝置，焊接水密裝置處的甲板支座。中間管柱的水密裝置連接為首次應用，為豎直方向最后的焊接及連接部位，剩下為中間拉桿的連接等。

4 結論

15臺液壓式浸沒泵已在陵水17-2平臺全部調試完成，各項性能指標良好，達到了預期的設計效果。

1)在液壓式浸沒泵液壓系統上設置儲能器，可保證臺風期間系統的安全，即使平臺沒有電源，利用儲能器預充的氮氣也可保證液壓系統不會被外部介質污染，很好地解決了平臺上這一特殊時間的系統安全問題。

2)將液壓式浸沒泵的超級掃艙功能應用到提高泵的吸入性能上，保證在復雜的吸入管網上，較大的吸入阻力情況下，泵能正常工作。

3)在多根管組成的泵管柱上設置密封法蘭，并通過水密裝置與艙壁固定，既可保證船艙的水密，又能減少現場的安裝量，使排載泵盡早投入使用。