浮式生產(chǎn)儲油輪單點(diǎn)滑環(huán)的故障處理和狀態(tài)監(jiān)控

蘇佳杰 司軍輝 楊博文 張思宇

（中海石油（中國）有限公司天津公司 天津 300457）

1 概況

邊際小型油田是海洋石油后期開發(fā)的重點(diǎn)，而傳統(tǒng)開發(fā)模式成本較高，相比之下，使用FPSO 的開發(fā)模式是一種經(jīng)濟(jì)和高效模式［1］。FPSO 是海上浮式生產(chǎn)儲油輪，其具備油氣分離、污水處理、天然氣處理等功能，具有能夠多次轉(zhuǎn)移使用、儲/卸油能力大、能夠在多種海域中使用等優(yōu)點(diǎn)。

滑環(huán)作為浮式生產(chǎn)儲油輪的重要設(shè)備，其功能是使各井口平臺的生產(chǎn)流體進(jìn)入到圍繞單點(diǎn)轉(zhuǎn)動的浮式生產(chǎn)儲油輪中，滑環(huán)也是單點(diǎn)完整性管理中的重要設(shè)備。但是，隨著滑環(huán)使用年限的增加，滑環(huán)出現(xiàn)了密封磨損現(xiàn)象，且趨勢在不斷惡化，有可能造成生產(chǎn)流體滲漏的風(fēng)險，會嚴(yán)重影響現(xiàn)場安全生產(chǎn)，同時對周圍環(huán)境也造成了一定威脅。為解決此風(fēng)險，在2011年9月對滑環(huán)進(jìn)行了整體更換，但新滑環(huán)在使用一段時間后密封又出現(xiàn)了滲漏現(xiàn)象，又于2012年2月和2013年10月分兩次對發(fā)生滲漏的密封進(jìn)行了更換，檢維修的費(fèi)用巨大。通過對故障的滑環(huán)密封進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)密封故障的主要原因?yàn)槟p問題。為解決這個棘手問題，提出了添加重油自動注入系統(tǒng)的方案，通過向滑環(huán)H 點(diǎn)注入重油，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流體與密封本體隔離，防止雜質(zhì)沉淀在滑環(huán)密封上，造成密封磨損，同時，重油也起到了潤滑的作用，減緩了對滑環(huán)密封的磨損［2］。重油自動注入系統(tǒng)投用使用后，滑環(huán)密封部件的故障率明顯降低，有效延長了滑環(huán)密封的使用時間，經(jīng)濟(jì)效益可觀，為解決成本高效經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)有較大的貢獻(xiàn)，同時也解決了存在的安全和環(huán)保風(fēng)險。

同時，為更好地對滑環(huán)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，積累滑環(huán)的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，以備滑環(huán)出現(xiàn)故障時進(jìn)行分析，以及及時發(fā)現(xiàn)滑環(huán)不正常的運(yùn)行狀態(tài)，在滑環(huán)上安裝了一套滑環(huán)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，此監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對滑環(huán)的擺動、應(yīng)力、變形等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控［3］。

2 滑環(huán)密封結(jié)構(gòu)介紹

目前，使用的液體滑環(huán)是由動環(huán)和靜環(huán)兩部分構(gòu)成，其中起到密封作用的密封圈放置在動環(huán)內(nèi)，密封圈與靜環(huán)的密封面形成多道密封，防止滑環(huán)內(nèi)的流體滲漏。密封圈是由承壓環(huán)、密封圈、背圈組成唇形密封組成［4］。

滑環(huán)密封中的承壓環(huán)為三角形的圓環(huán)，其由無磁合金制成，在受到滑環(huán)內(nèi)流體的壓力后，將壓力分解為向密封圈兩側(cè)的壓力，使密封圈擴(kuò)張，貼緊動靜環(huán)的密封面，形成兩個密封面，防止流體泄漏。密封圈為一種聚四氟的復(fù)合材料，具有良好的耐磨性和自潤滑性，硬度比橡膠O 型圈高。背圈也是一種聚四氟的復(fù)合材料，硬度高于密封圈，主要作用是增加密封的剛性［5］。

3 滑環(huán)密封故障原因分析

從滑環(huán)的歷次故障現(xiàn)象并結(jié)合滑環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，滑環(huán)密封滲漏經(jīng)常發(fā)生在下部密封中的第一道密封處，從滑環(huán)密封結(jié)構(gòu)分析中可知，下部第一道密封直接與流體接觸，如果流體中含有較多的雜質(zhì)，很容易沉積在密封上部及密封面處，長時間存在雜質(zhì)的情況下，隨著滑環(huán)動靜環(huán)的運(yùn)動，很容易造成密封磨損，進(jìn)而導(dǎo)致密封失效滲漏。為檢驗(yàn)流體中是否存在雜質(zhì)，對井口平臺來的流體分時段進(jìn)行了多次取樣化驗(yàn)，化驗(yàn)結(jié)果證實(shí)流體中確實(shí)含有細(xì)沙，由于細(xì)沙的存在，很可能導(dǎo)致滑環(huán)密封面的磨損。

同時，在對滑環(huán)密封環(huán)更換過程中，在舊密封圈和靜環(huán)的密封面上存在很多的碎屑，對碎屑進(jìn)行材料分析后，證實(shí)這些碎屑材料跟密封圈的材料一致，因此，可以判斷碎屑是由于密封圈磨損產(chǎn)生的。根據(jù)碎屑的位置進(jìn)行分析，除了由于流體有雜質(zhì)造成了密封圈的磨損外，當(dāng)密封圈與密封面的潤滑不良時，密封圈也會發(fā)生磨損，磨損產(chǎn)生的碎屑在滑環(huán)運(yùn)動過程中會進(jìn)入到滑環(huán)的密封面上，也會造成密封泄漏，使密封失效。

因此，判斷造成密封圈密封失效的主要問題是密封圈磨損，而造成的磨損的原因有以下兩個方面：（1）滑環(huán)的流體中有雜質(zhì)；（2）密封圈與密封面的潤滑不良。

4 滑環(huán)添加自動注油裝置方案的制定與實(shí)施

4.1 新老滑環(huán)結(jié)構(gòu)的變化使添加重油自動注入系統(tǒng)成為可能

2011年9月，由于滑環(huán)密封和相關(guān)部件磨損，導(dǎo)致密封滲漏現(xiàn)象嚴(yán)重，對滑環(huán)進(jìn)行了整體的更換，更換后的滑環(huán)結(jié)構(gòu)變化較大。

通過新老滑環(huán)下部第一道密封上部的結(jié)構(gòu)對比，老滑環(huán)下部第一道密封上部直接與流體接觸，很容易造成雜質(zhì)沉積。而新滑環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理，新滑環(huán)下部第一道密封上部結(jié)構(gòu)通過一個榫槽的結(jié)構(gòu)，有效隔絕了流體與第一道密封的接觸，防止了細(xì)微顆粒在第一道密封上的沉積。但是，隨著使用時間的增加，仍然會有細(xì)微顆粒沉積在第一道密封的上部，同時，由于缺少潤滑，密封圈同樣也會磨損，使密封產(chǎn)生滲漏。

2012年2月，在滑環(huán)更換4個月后，第一道密封再次發(fā)生了滲漏，又對第一道密封進(jìn)行了更換，使用不久，密封再次發(fā)生滲漏。根據(jù)之前對密封磨損的原因的判斷，為解決密封滲漏問題，通過對新滑環(huán)結(jié)構(gòu)的研究，并通過與廠家的充分溝通，決定通過H點(diǎn)對第一道密封的上部進(jìn)行沖洗作業(yè)。通過反復(fù)沖洗，將雜質(zhì)沖洗出來后，使密封恢復(fù)了正常工作；同時，在第一道密封上部注入重油后，可以有效防止雜質(zhì)的沉積，也增加了密封圈與密封面的潤滑，通過實(shí)踐證實(shí)效果比較明顯，由于新滑環(huán)H 點(diǎn)的存在使添加重油自動注入系統(tǒng)成為可能。

4.2 滑環(huán)添加自動注油裝置的方案的制定

為保證滑環(huán)的正常工作，需要每天人工利用手動液壓泵對滑環(huán)H 點(diǎn)進(jìn)行注重油作業(yè)，無形間增加了很大的日常工作量；同時，在大風(fēng)天氣時，人員無法趕赴現(xiàn)場進(jìn)行手動注油，將可能無法保證滑環(huán)的正常運(yùn)行。為解決此問題，通過各種論證，提出了為滑環(huán)添加自動注油系統(tǒng)的方案，方案的大體設(shè)計思路如下。

（1）在滑環(huán)所在的平臺上增加一個重油自動注入柜，重油柜使用高壓管線與滑環(huán)第一道密封上部的H點(diǎn)連接，定時注入一定量的重油。

（2）通過對滑環(huán)結(jié)構(gòu)的研究及與廠家充分溝通，重油的注入時間控制在每隔4h 注入1 次，每次持續(xù)2min，以保證注入足量的重油。

（3）為防止注入壓力過大對滑環(huán)密封造成損壞，設(shè)置了壓力安全閥，設(shè)定值為66bar，超壓后，安全閥自動泄壓，防止高壓對密封造成損壞。

（4）由于重油的黏度較高，為保證冬季也能順利注入重油，重油柜內(nèi)設(shè)置加熱器對重油進(jìn)行加熱，以降低重油的黏度，并通過溫度開關(guān)對溫度進(jìn)行控制。

在H點(diǎn)處注入重油的作用有3個方面：（1）有效防止介質(zhì)中的雜質(zhì)沉降到第一道密封圈上部；（2）通過注入大量重油，將雜質(zhì)從第一道密封圈上部沖洗出來；（3）對密封圈和密封面進(jìn)行潤滑［6］。

4.3 滑環(huán)添加自動注油裝置方案的實(shí)施

自動注油系統(tǒng)的方案確定后，前期與廠家進(jìn)行了溝通，如由廠家進(jìn)行此系統(tǒng)的設(shè)計和施工，價格昂貴，整體價格將近100 萬元，且等待周期很長。為實(shí)現(xiàn)降本增效，決定自行設(shè)計滑環(huán)重油自動注入系統(tǒng)。

通過對滑環(huán)工作原理的研究，完成了對滑環(huán)重油自動注入系統(tǒng)的設(shè)計工作。經(jīng)過緊張的施工和調(diào)試，完成了自動注油系統(tǒng)重油柜的制作，并在最短的時間內(nèi)完成了自動注油裝置的安裝和調(diào)試工作，保證了重油自動注油裝置在最短的時間內(nèi)投入使用。

4.4 滑環(huán)自動注油裝置的優(yōu)化

滑環(huán)重油自動注入系統(tǒng)可以自動定點(diǎn)、定時向滑環(huán)的H 點(diǎn)處注入重油，注入重油的量是靠PLC 的時間計時器來控制的，每次注入泵啟動后，就啟動計時器，計時器到達(dá)設(shè)定值后，泵自動停止，以控制注油量。

但是經(jīng)過一段時間運(yùn)行后，通過觀察，發(fā)現(xiàn)此套裝置經(jīng)常出現(xiàn)注入壓力不足時也開始計時的情況，因此就會發(fā)生注入重油量不足或者沒有注入重油的情況，會對滑環(huán)的正常運(yùn)行造成影響。

為了保證能夠給滑環(huán)H 點(diǎn)注入足量的重油，在泵出口增設(shè)了一個壓力開關(guān)，當(dāng)注入壓力低時，計時器不計時，只有當(dāng)注入壓力達(dá)到設(shè)定壓力值后（設(shè)定值4MPaG），壓力開關(guān)動作會給計時器一個觸發(fā)信號，計時器才會開始計時，計時器到達(dá)設(shè)定值之后，停泵。通過一段時間觀察，增設(shè)壓力開關(guān)后，每次都能保證在正常壓力下向滑環(huán)H點(diǎn)注入足夠量的重油，通過優(yōu)化，保證了滑環(huán)的正常工作。

5 滑環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

5.1 滑環(huán)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)的確定

由于沒有相關(guān)的資料可供參考，因此，在確定監(jiān)控滑環(huán)的哪些運(yùn)行參數(shù)上存在較大難度。最后，通過討論，決定以故障為導(dǎo)向，倒推滑環(huán)的哪些運(yùn)行狀態(tài)異常會造成故障，這些運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控參數(shù)就是需要監(jiān)控的參數(shù)。目前，滑環(huán)可能大概率發(fā)生故障為密封滲漏，以此為主導(dǎo)向，對滑環(huán)需要監(jiān)控的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行確定。

（1）如果滑環(huán)在軸向發(fā)生傾斜，可能會造成滑環(huán)內(nèi)外環(huán)之間產(chǎn)生偏心，進(jìn)而造成密封圈磨損，因此，滑環(huán)軸向傾斜度是需要的監(jiān)控參數(shù)。

（2）如果由于裝配問題造成滑環(huán)的內(nèi)外環(huán)之間存在一定的間隙，也會造成滲漏問題，因此，滑環(huán)內(nèi)外環(huán)間隙也是需要的監(jiān)控參數(shù)。

（3）滑環(huán)如果存在水平的擺動，也可能導(dǎo)致密封滲漏，因此也是需要的監(jiān)控參數(shù)。

（4）在理想工作狀況下，滑環(huán)的驅(qū)動臂只會對滑環(huán)的動環(huán)產(chǎn)生一個周向力，使滑環(huán)外環(huán)進(jìn)行圓周運(yùn)動［7］。但是實(shí)際工況下，情況比較復(fù)雜，在受到外力作用時，可能導(dǎo)致驅(qū)動臂對滑環(huán)產(chǎn)生一個徑向力和扭轉(zhuǎn)力，導(dǎo)致滑環(huán)產(chǎn)生偏心運(yùn)動，造成滑環(huán)密封滲漏，因此，驅(qū)動臂的受力情況也為需要監(jiān)控參數(shù)。

（5）由于對滑環(huán)進(jìn)行維修時未對軸承進(jìn)行更換，因此，由于軸承的磨損等問題，也有可能造成滑環(huán)靜環(huán)和動環(huán)的間隙變化，因此，同樣需要對軸承的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

最終確定的監(jiān)控的參數(shù)如下，即滑環(huán)的軸向傾斜度、滑環(huán)的水平擺動、內(nèi)外環(huán)的間隙、軸承跳動、滑環(huán)的跳動及驅(qū)動臂的應(yīng)力。

5.2 傳感器的選擇、安裝與布置

（1）對于滑環(huán)的軸向傾斜度的監(jiān)控，選擇傾角傳感器，需要將傾角傳感器固定在中心主軸上面，以最初的角度為基準(zhǔn)，隨后發(fā)生的變化量即是滑環(huán)的軸向傾斜度。

（2）對滑環(huán)的水平擺動的監(jiān)控，同樣選擇傾角傳感器來測量，需要在滑環(huán)的內(nèi)外環(huán)水平位置分別安裝一臺傾角傳感器，通過測量兩臺傾角儀的測量差值，即可知道滑環(huán)是否有水平擺動。

（3）對于滑環(huán)內(nèi)外環(huán)間隙的測量，將使用高精度激光測距傳感器。滑環(huán)每隔90°安裝一個激光測距傳感器，一共安裝4 個傳感器，由于空間空間限制，內(nèi)環(huán)無法安裝傳感器，因此，考慮以內(nèi)環(huán)外壁作為測量點(diǎn)。由于滑環(huán)上不可以進(jìn)行任何熱工作業(yè)，為安裝激光位移傳感器，特別設(shè)計了專門的夾具，通過磁鐵吸附在滑環(huán)上，傳感器安裝在夾具上，實(shí)現(xiàn)對間隙的測量。

（4）對于軸承的跳動監(jiān)控，同樣使用激光位移傳感器，通過螺栓將特制的夾具固定在內(nèi)環(huán)，激光傳感器外伸到外環(huán)外部，對外環(huán)外壁進(jìn)行測量，同時安裝加速度傳感器對滑環(huán)和軸承的震動進(jìn)行測量。

（5）對于驅(qū)動臂的受力測量：對于力的測量，一般都是通過應(yīng)變片進(jìn)行測量，對于滑環(huán)是否受到驅(qū)動臂的徑向力及扭轉(zhuǎn)力，同樣也可以通過應(yīng)變片進(jìn)行測量。通過測量應(yīng)變片的阻值變化，即可知道驅(qū)動比是否受到外力，并傳遞給滑環(huán)，同時，還可以測量出滑環(huán)是否受到來自驅(qū)動臂的扭轉(zhuǎn)力。

（6）傳感器夾具的加工和制作：由于滑環(huán)結(jié)構(gòu)的特殊性，對于傳感器的安裝造成了一定的困難，因此，需要對傳感器設(shè)計特殊的夾具，用于傳感器的安裝，夾具還需要便于傳感器位置的調(diào)整。因此，根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況和傳感器形狀，設(shè)計和制作了專用的夾具。

5.3 對于內(nèi)環(huán)數(shù)據(jù)傳送問題的解決

由于滑環(huán)內(nèi)環(huán)相對于安裝在系泊支架上的串口服務(wù)器接線箱始終處于相對運(yùn)動狀態(tài)，如使用電纜進(jìn)行連接，電纜會隨著內(nèi)環(huán)和接線箱的相對運(yùn)動不斷纏繞在滑環(huán)上，導(dǎo)致電纜扯斷，因此無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有線傳送。為了較為方便、可行地處理這個棘手的問題，通過討論和試驗(yàn)，決定通過使用無線數(shù)據(jù)傳送模塊實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)傳感器的相關(guān)數(shù)據(jù)傳送，通過無線模塊，將測量數(shù)據(jù)傳送到串口服務(wù)器上，再通過串口服務(wù)器，將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)進(jìn)行處理。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)地測試，方案可行。

5.4 滑環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)的項(xiàng)目的實(shí)施

（1）根據(jù)設(shè)計的位置，對各種傳感器進(jìn)行安裝和固定。

（2）鋪設(shè)到接線箱儀表電纜和電源線。

（3）對無線通信裝置及串口服務(wù)器進(jìn)行安裝和調(diào)試。

（4）對中控的監(jiān)控軟件進(jìn)行通信測試和功能測試。

6 項(xiàng)目實(shí)施效果及經(jīng)濟(jì)效益

在滑環(huán)重油自動注油系統(tǒng)投入運(yùn)行后，滑環(huán)密封的故障率明顯降低，未出現(xiàn)由于滑環(huán)密封磨損或細(xì)微沙粒卡阻而造成密封滲漏故障，有效延長了密封的使用時間。同時，通過安裝單點(diǎn)滑環(huán)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，有效地提高了對滑環(huán)運(yùn)行情況的監(jiān)控水平，對滑環(huán)的相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行整體的實(shí)時監(jiān)控，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時有效分析，有效地保證了滑環(huán)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。