FPSO單點滑環系統風險分析

李牧，李鵬，劉詩學，姚志義，孫恪成，牛志剛

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300451)

單點系泊系統是FPSO的關鍵裝備之一，特別是在海況惡劣的海域，其完好性與否直接決定著現場的安全和生產狀態。目前，國內外常用的單點形式主要為STP型、BTM型、YOKE型，但是由于現場保養、維修不當或是受到極端環境不可抗力的原因，單點系泊系統曾發生多起重大事故，損失嚴重。我國運營的18條FPSO均為單點系泊，單點系統全部由國外公司提供，其中SBM 7條，SOFEC 4條，APL 6條，BLUEWATER 1條，全由單點公司掌握單點系統及產品設計技術。實際使用中，因技術研究不足，對事故的處理很被動，為此，調研國內外各油公司以往單點滑環運維記錄和操作經驗，通過典型案例對單點滑環系統故障機理按專業類別進行梳理整合，從“不同單點的相似故障”和“同一故障引起的連鎖反應”兩個維度提出單點滑環故障機理分析及風險評估方法。

1 故障機理及風險因素

根據大多數單點公司的設計規律，滑環堆疊順序從下到上依次為液滑環、電滑環、公用系統滑環、光纖通訊滑環，主要導考慮因素是滑環重量的分布(見圖1)，盡可能將較重的滑環安排在下部，以提高整個滑環堆棧的穩定性，減少根部的彎矩。

圖1 典型單點滑環堆棧布置示意

結合單點滑環故障案例分析，總結風險源識別信息見表1。

表1 FPSO單點滑環重大故障風險識別

考慮工藝流程專業故障和電氣專業故障2個主要因素，參考的主要國際標準及規范如下。

1)American Society of Mechanical Engineers (ASME)。

2)OCIMF (Third Edition-1999)。

3)NEN-EN 1474-1(2009)。

2 故障類別

2.1 工藝流程專業故障

2.1.1 天然氣外輸滑環泄露

2019年4月，采油公司協同單點公司對渤海某FPSO天然氣滑環一級密封圈泄露情況進行測試及調研工作。

現場勘驗主要故障為下部法蘭一級密封出現較嚴重的完整性破損。針對一級密封圈的失效原理、動態密封是一種特殊的設計，可分別安裝在上、下法蘭加工精密的密封槽中。動態密封在滑環內部靜止和旋轉兩部分之間形成壓力密封界面。在恒定的生產壓力下，密封效果最好，壓力波動過大會對密封產生不良影響。不允許從密封背面引入背壓，會對動態密封的完整性造成損害。基于干氣密封原理，在密封試壓中應把上一級密封與下一級密封看作整體來試壓，若發現有泄漏再分開更為合理；二級密封和三級密封試壓同理。當一級密封泄漏嚴重時，可視為第一級密封失效，把一級密封泄露管線隔離，然后讓氣密封經由二級的密封來承擔。同理，若二級密封失效，應由三級密封來承擔。最重要的是，根據干氣密封原理，泄漏的管線必須是常開的，除非因泄露嚴重要用作為其中一級密封而關閉。由于干氣密封的形成需要一定時間，而且當干氣密封穩定后，不建議頻繁通過開關泄放閥檢測密封而給密封狀態帶來外界干擾。

2.1.2 液滑環泄露

2017年3月，對某單點大風過后檢查發現，位于單點第二層，6#滑環、4#滑環基座位置有輕微原油滲漏，打開泄露監測點，發現每5 s滴1滴原油，查看原地的重油罐，發現進入大量原油，見圖2。

圖2 滑環底部原油泄露現場場景

初步判斷是由于輸送介質流量波動瞬間增大，致使密封瞬間造成沖擊引發泄露，見圖3。

圖3 滑環底部原油泄露位置

根據以上檢測/檢查結果，推斷6#滑環下層的第一層密封保護應該已破損，但滑環原本的第二道密封保護狀態是否良好還需要長時間連續觀測滑環泄漏量。

2.1.3 單點液滑環大修

2013年8月，南海某FPSO在經歷臺風之后，單點艙內出現異常的響聲和振動，單點廠家現場檢查后，確認問題發生在液滑環，隨即對液壓密封系統進行泄放并對多點的密封液壓油取樣。液滑環在泄放后重新恢復密封壓力，油田復產后，異常的響聲和振動消失。通過對油樣進行檢測，檢測結果顯示各點所取油樣的清潔度均未達標。結合液滑環的異常狀況分析，認為動密封長期受壓導致變形和內部零件(如軸承)發生磨損，是引起液滑環產生異常響聲和振動的重要因素。

液滑環的設計壽命是20年，在理想狀態下在20年的使用期間不需要進行維修，而且在生產期間如果液滑環內部出現了故障也不具備維修的條件，因此必須盡可能提高液滑環在生產期間的可靠性。為了保證液滑環的長期正常運行，綜合決定在塢修期間進行液滑環解體大修。經過液滑環大修后，液滑環將重新擁有新的20年設計使用壽命。

2.2 電氣專業故障

2.2.1 單點高壓電滑環故障

通過單點高壓電滑環給油田其他設施供電，某單點更換之后運行了約3年，在2017 年11 月至12月，共發生55次報警，最大報警值11.6 fc，說明高壓電滑環已經出現損傷，有失效的趨勢。隨即對該油田開始對單點高壓電滑環進行維修，檢查發現，三相滑環及電刷磨損嚴重，并且有嚴重的電弧放電痕跡，電刷夾口上半部分損壞嚴重，碳刷部分及碳刷彈簧已全部磨損殆盡；另外，碳刷連接導線處有明顯金屬熔液溢出。電刷夾口下咬合面碳刷基本完整，但表面灼燒嚴重，碳刷彈簧失效。碳刷固定端與碳刷之間金屬導電片嚴重變形隆起，滑環上合面灼燒嚴重，并成魚鱗狀，下合面比上合面情況要好，但有明顯電弧放電現象。

9001/9002 電滑環無明顯損傷，但腔室內部有大量金屬碎屑，另高壓電滑環頂部非旋轉部分與低壓滑環旋轉部分有明顯磨擦痕跡。

2.2.2 風險評估方法

1)根據電刷的結構特點及安裝方式分析，電刷能夠有效避免水平振動導致的電刷和滑環之間的接觸不良(9001/9002 滑環無明顯電弧放電，說明水平振動對滑環無直接影響)。

2)自2014年5月份，新高壓電滑環上線后，9001、9002 電刷電流基本保持在330 A左右(9001/9002變壓器并聯運行)，9007電刷電流基本保持在500 A左右(新滑環額定電流640 A，限定運行電流值520 A)。

根據滑環監控數據顯示，9007電流始終大于9001或9002將近180 A,而滑環上部溫度較底部溫度高出8 ℃，電刷溫度更是接近60 ℃。見圖4。

圖4 滑環監控數據

3)高壓電滑環維修發現其中2個探頭安裝位置與資料顯示不符：資料顯示弧光探頭安裝在滑環頂部，電刷溫度探頭在滑環上部；而現場檢查，弧光探頭安裝在滑環底部(遠離9007)，電刷溫度探頭監測9001滑環A相電刷(緊鄰9007滑環)，見圖5。

圖5 滑環監控布置

初步分析認為9007電滑環故障是由于其負載電流較高導致電刷導電片發生形變，同時滑環水平振動加劇了導電片隆起變形，最終導致電刷與滑環接觸面不足；另外，高壓電滑環固定部分與低壓滑環旋轉部分互相摩擦，掉落的金屬碎屑也對滑環運行產生了不良影響。

3 連鎖影響分析

以渤海某FPSO電滑環故障為例，電滑環故障的直接原因是負載電流較高導致電刷導電片發生形變，導致電刷失效。但從單點系統整體角度出發，單點塔設計的偏心載荷于系泊力傳遞過程中的局部振動，一定程度上加速了電滑環的故障發生。水下軟剛臂力學傳遞關系見圖6。

圖6 水下軟剛臂力學傳遞關系

雖然新單點在2015年更換期間采取了多項改進設計，一定程度上減緩了整個單點系泊系統“松散”的系泊力傳遞狀態，但由于其單柱結構的固有特性，仍存在上部模塊連同跨接軟管的偏心載荷。根據船級社的分析報告和作業區的故障反饋，發現偏心載荷最終傳遞到滑環裝置，造成滑環受力不均勻，對其造成損壞。

在FPSO單點系統的運維過程中，首先被發現的往往是小的故障點，如發現單點通訊滑環出現通訊間斷的問題，所屬專業儀表部門可能首先將其列為一般性的設備故障，通常是對損壞部位進行檢修。但當發現通訊滑環總是在FPSO旋轉至一定角度時發生通訊中斷，旋轉遠離特定角度時，通訊又自行恢復，當發現該類現象時，應重點關注整個單點轉塔是否出現了偏心轉動，從整個系統角度，對塔軸所在的軸承偏心度進行調查，及時發現并排除更大的隱患。列舉單點系泊系統風險源及可能影響的零件或部位見表2。

表2 單點系泊系統風險源連鎖影響零件或部位

4 結論

1)無論是軟剛臂YOKE單點還是內轉塔單點系泊系統，其液體、氣體滑環的密封形式，考慮到未來海上可能面臨在線更換問題，建議采用可局部拆卸更換的密封形式，同時把非粘接型密封圈備件安裝在滑環堆棧上并做好封存保護；另外，滑環層間隙應預留足夠的空間，至少滿足單側滑環密封的拆卸。

2)如果單點塔空間相對寬松的條件下，建議采用獨立滑環組塊連接，盡量采用帶有摩擦損耗塊的Y型滑環驅動臂，可以釋放非平面載荷，同時以犧牲滑動塊的方式延長驅動臂本體的壽命。

3)電滑環內部各集電環之間要留有足夠間隙，同時，電刷和集電環的接觸方式應滿足一定的偏移運動，以克服包括垂直的運動和周向的不均勻壓力導致的失效；同時還應在電器材料選擇上注意避免使用易發生摩擦脫落粉末的材料。

4)電滑環內部建議加裝正壓惰氣吹掃裝置，以確保電滑環腔室內部干燥。

5)單點設計應考慮到單點運動關節處受外力較大，長期運行容易發生失效，關鍵結構件、機械件等位置，建議在設計階段預留并加裝監測裝置，以便長期跟蹤和監控單點運行狀態。