大尺寸旋轉密封技術在海上單點系泊輸油領域的應用

摘" " 要：本文根據海上單點系泊輸油系統大尺寸旋轉密封設計的影響因素，開展作業海域的氣象水文條件對運動受力的影響，海洋溫度、鹽度環境和原油類型等對耐腐蝕性的要求分析，闡述了泛塞密封技術應用于海上單點系泊輸油系統大尺寸旋轉密封的設計、加工和試驗的有關要求。

關鍵詞：單點系泊；海上輸油；大尺寸；旋轉密封

中圖分類號：P751" " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

Application of Large-sized Rotary Seal Technology in the Field of Offshore Single Point Mooring Oil Transport

Qiu Jicheng1，" FANG Jian2

（ 1.Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250， China; 2.CSSC Guangzhou Shipbuilding Industry Co.， Ltd.，" Guangzhou 510250， China ）

Abstract： In this paper， the influence of meteorological and hydrological conditions in the operating sea area on motion and force， as well as the requirements for corrosion resistance such as ocean temperature， salinity environment， and crude oil type were analyzed based on the influencing factors of the design of large-sized rotating seals for offshore single point mooring oil transport systems. And the relevant requirements for the design， processing， and testing of large-sized rotating seals for offshore single point mooring oil transport systems by using spring seal technology were elaborated.

Key words： single point mooring;" oil transport at sea;" large size;" rotary seal

1" " "引言

大尺寸旋轉密封技術是海上單點系泊輸油領域的關鍵技術之一，也是設計難點之一，主要應用于單點系泊核心部件旋轉接頭上。單點系泊輸油是海上輸油的主要技術型式，用于浮式生產儲油船、油輪的不靠港作業，以及作為海上邊際油田和油田早期開發的集輸點[1]。單點系泊連接油船開展持續無泄漏的流體輸送作業時，油船及水面輸油管線在海上風浪流作用下，將圍繞單點及水下輸油管線作360°回轉，停泊在環境力最小的方位[2]。在此過程中，旋轉接頭實現輸油管路的相對旋轉，同時面對輸油壓力較高、輸油流量巨大、海洋載荷多變、鹽霧及原油腐蝕嚴重等復雜問題，對大尺寸旋轉密封設計制造帶來極大挑戰。為避免海上單點系泊輸油泄漏，單點系泊旋轉接頭部位的大尺寸旋轉密封系統需具備高可靠性。

有別于靜態密封或者小尺寸旋轉密封，面向海上單點系泊輸油的密封系統具有旋轉動態密封和尺寸顯著增加的特點，密封直徑通常達到0.9 m以上。大尺寸旋轉密封可靠性直接受到密封系統合理性、密封件技術型式與特性、大尺寸密封對磨面強度以及加工精度的影響。

國外對大尺寸旋轉密封的研究較早，現階段已擁有較為成熟的技術，已進入商業階段。目前，國內對海上單點系泊輸油的密封系統研究較多的是廣州船舶及海洋工程設計研究院，自上世紀80年代以來，已完成多型大尺寸旋轉密封系統研制，技術水平不斷迭代提升，可靠性得到顯著提高，但與國外相比仍存在差距。

2" " "大尺寸旋轉密封設計影響因素分析

單點系泊海洋作業環境、原油物性、輸油系統技術參數，是旋轉密封設計的關鍵基礎。任何要素考慮的缺失，或者參數設定的不當，都可能導致旋轉輸油過程中油料的泄漏，造成環境污染等不良社會影響以及業主單位的經濟損失。在旋轉密封設計之前，需根據用戶特定需求，對上述環境要素作全面的調研和論證，形成準確合理的設計輸入。

2.1" "海洋作業環境及其影響

海洋作業環境主要指氣象水文條件、溫度、濕度、鹽度等要素。

1）氣象水文條件

氣象水文條件是海上設施需要考慮的核心要素，風載荷、波浪載荷、流載荷將對海上單點系泊設施形成復雜的作用力和運動，海上設施需要具備足夠安全裕度，以避免環境載荷的破壞。

單點系泊輸油系統在海上運動過程中，會因運動產生額外的力矩，導致結構變形加大，如不加以限制，旋轉密封對磨面之間的間隙將無法保證，影響密封效果。因此，需以單點系統的布置海域的風、浪、流等氣象水文統計數據，通過水動力數值仿真，開展海上單點系泊系統靜水力分析、規則波下波浪載荷和系統響應計算，以及頻域條件下一階波浪力和二階平均漂力的計算，得到在風、流、不規則波下密封系統相關設施的時歷變化曲線。

2）海洋環境溫度、鹽度

海洋環境溫度、鹽度對密封系統造成較大的腐蝕[3]。單點系泊輸油旋轉密封需要結合動態密封、海上維修保障困難等特點，論證多種海洋防腐蝕技術的應用條件，包括油漆、外加電流、耐腐蝕材料、腐蝕余量等。合理的防腐技術應用，可保障密封對磨面的穩定性和強度，避免不可接受的變形。

2.2" "原油物性影響

海上單點系泊輸油系統常需滿足多種油品的輸送，不同原油在比重、粘度、含蠟量、凝點、灰分、殘炭、含鹽、瀝青質、硅膠膠質等物性方面存在較大差異[4]，表1給出3種原油物性。原油物體對密封系統的影響主要體現在腐蝕[5]和雜質兩個方面。

密封對磨面及密封件均需接觸原油，所以密封對磨面及密封件均需考慮原油腐蝕的影響。密封對磨面的防腐主要考慮耐腐蝕材料的應用以及腐蝕余量的設置；密封件應采用耐原油腐蝕的材料。原油含有蠟等雜質，在溫度變化時會引起的析蠟現象[6]，析出的蠟晶與其它雜質可能會導致密封件與密封副磨損加劇。

2.3" "輸油系統技術參數影響

輸油系統技術參數包括輸油流量和壓力，主要取決于貨油系統輸油能力，典型油船貨油系統技術參數見表2。

旋轉密封的尺寸及設計壓力、設計溫度與油系統技術參數匹配。密封系統尺寸應足夠大以盡可能減少系統局部阻力。同時，應考慮密封件在油壓下的摩擦性能，要避免密封件受壓變形被擠出支撐結構。溫度對密封件的影響較大，比如聚氨酯或者橡膠類密封件，溫度過低會使唇口彈性降低，變脆易碎，造成泄露；而過高的溫度會使密封體積膨脹，變軟，造成運動時密封件摩擦阻力迅速增加和耐壓能力降低[7]，密封可靠性降低，甚至產生泄露。因此，需要選擇與溫度相適應的密封件材料。

3" " "大尺寸旋轉密封技術形式選擇

大尺寸旋轉密封技術形式需要結合輸油工作條件，選取合適的密封類別，以及布置形式。

3.1" "密封類別

常用的旋轉密封類別有壓縮填料密封、機械密封、螺旋密封、泛塞封等[8]，這些密封型式根據其特點可應用在不同的領域。

1）壓縮填料密封

填料密封是接觸式密封的一種，填料裝入填料艙以后，利用端蓋對填料進行壓縮，使填料與運動副零件產生擠壓力，在油膜的作用下，阻止液體從密封裝置泄漏出去。填料密封只能做到減少泄露，不能完全杜絕泄露。

2）機械密封

機械密封是浮動式密封，密封副輕微的軸向和徑向移動不會影響密封效果。機械密封在較高和較低的溫度和壓力下均能保證密封的可靠性，甚至可以達到零泄露，適用范圍更廣。但是，機械密封機構復雜，由多個零部件組成，特別是密封直徑大幅增加后加大了加工和維護難度。

3）螺旋密封

螺旋密封是非接觸式密封的一種，密封部位的旋轉軸有螺紋，工作時泄露的流體充斥螺紋和殼體之間的空間，形成“液體螺母”。螺紋的方向使在“液體螺母”軸旋轉時不斷向高壓端運動，達到密封效果。螺旋密封可用于高溫和腐蝕性液體密封，但密封條件苛刻。

4）泛塞封

泛塞封是一種較為先進的密封方式，其密封架構與Y型圈類似。泛塞封以U型的聚四氟乙烯為基體，并在U型槽內安裝特殊形狀的高性能彈簧作為支撐件。泛塞封安裝好后，依靠其初始變形和彈簧支撐力提供初始接觸應力，隨著介質壓力升高，主要的密封力由介質壓力提供，由此保證了泛塞封從低壓到高壓都具有非常優異的密封性能。

泛塞封的優勢在于密封主體材料具有優良的耐老化性、不與各種強酸、強堿及強氧化劑發生反應、耐原油性能優異，具有良好的抗彎曲疲勞性能，摩擦系數很小。

綜合對比上述密封類別，顯然泛塞封更適用于海上單點系泊輸油的大尺寸旋轉密封。

3.2" "密封布置形式

泛塞封常有軸向密封和徑向密封兩種形式。軸向密封又稱平面密封，密封件槽口對向旋轉軸，而徑向密封件槽口方向與旋轉軸平行。相對而言軸向密封使得密封系統結構型式更為簡單，加工方便，易于安裝和維修。

為了提高密封系統的可靠性和使用壽命，可考慮設置二道不同直徑的密封件，組合構成旋轉密封系統；第一道密封為主密封，第二道密封為備用密封；當主密封失效后，備用密封能承擔二次密封作用。

4" " 密封對磨面技術要求與加工

泛塞封形式對密封對磨面的加工精度有嚴格的要求。

4.1" "密封對磨面技術要求

密封處配合表面的質量和表面光潔度極大程度影響密封系統的可靠性和使用壽命。原則上對磨面不允許有劃痕、擦傷、孔隙、集中加工痕或螺旋加工痕等，其中動態表面光潔度應比靜態配合表面有著更高要求。

旋轉接頭密封介質主要為原油，根據加工試驗經驗，密封件對磨面粗糙度需達到0.2 μm。

此外，因旋轉接頭設計壽命比較長，對對磨面的硬度也提出了高要求，應達HRC 45以上。若選取的密封對磨件達不到該硬度，需要作必要的表面硬化處理，以延長使用壽命。

4.2" "密封對磨面加工

密封件對磨面極高的粗糙度和平面度要求，以及材料硬度參數，對于大尺寸旋轉密封對磨面加工帶來很大挑戰。

一般需要經過粗車、精車、粗磨、精磨、拋光、精整六道工序。根據密封對磨面材料特性，需注意磨削過程中避免出現砂輪粘附堵塞、加工面燒傷、工件變形等問題。

5" " 旋轉密封系統安裝與試驗

為確保海上輸油管系大尺寸旋轉密封的可靠性，需嚴格把控密封系統從設計—加工—安裝—試驗的全過程，每一環節都要滿足相關要求。

5.1" "旋轉密封系統安裝

為了便于泛塞封安裝，旋轉接頭端面加工開放式溝槽，溝槽與密封件之間是過盈配合，以使得密封件安裝牢固。安裝過程中，可對密封件采用油加熱、水加熱或者空氣加熱的方式，嚴格控制升溫量和受熱均勻度，使密封件體積膨脹至可安裝尺寸。相比之下，空氣加熱效果最佳，因其避免密封件與其他油或水等介質的接觸，免除加熱后的清理。此外，為保證良好的潤滑效果，應對其進行油潤滑或脂潤滑，并確保潤滑均勻。

泛塞封安裝完成后，即可通過螺栓連接兩個密封對磨面。為保證泛塞封良好的密封效果，需設置合理的安裝預壓量。預壓量過小，會導致唇口預壓力不夠，可能造成泄漏；預壓量過大，會導致唇口變形過大，易破壞密封件，且還會導致運動摩擦力矩增大。

5.2" "密封試驗

為了驗證大尺寸旋轉密封的可靠性，一般需開展靜態密封試驗、動態密封試驗，以及動態密封壽命試驗。

1）靜態密封試驗

靜壓試驗是在密封腔中打入1.5倍設計壓力的油壓，保壓4小時以上，檢測油料泄漏量及密封腔壓力（觀察壓力有無下降）。此外，還需在設計壓力下，正反方向各旋轉2周，檢測密封系統的泄漏量。

2）動態密封試驗

完成靜態密封試驗后在設計壓力下，以大約1°/s的速度正反方向往復驅動密封對磨面旋轉，持續運行約3小時，觀察其密封效果。

3）動態密封壽命試驗

對于首次研制的旋轉密封系統，還需要進行動態密封耐久性（壽命）試驗，以驗證密封系統的可靠性。試驗時間根據單點系泊密封系統壽命要求進行等效設置。

6" " "結論

面向海上單點系泊輸油的大尺寸旋轉密封系統，呈現出作業環境及維修保障條件差、輸油流量及壓力大、密封尺寸大、可靠性要求高等特點，其設計和應用涉及海洋學、流體力學、材料學、化學、管道流體力學、機械制造等多學科理論的融合應用。本文針對大尺寸旋轉密封技術在海上單點系泊輸油領域的應用進行了研究，得出以下結論：

1）大尺寸旋轉密封系統設計需要考慮作業海域的氣象水文條件對其運動受力的影響，海洋溫度、鹽度環境和原油等對其耐腐蝕性的要求；

2）泛塞封方式是海上大尺寸旋轉密封的較佳選擇，可設兩道徑向密封增強密封系統的可靠性和使用壽命；

3）為保證與泛塞封相匹配，密封對磨面需嚴格遵照技術要求和加工要求進行加工；

4）需嚴格把控密封件安裝質量，并經試驗充分驗證其密封性能。

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