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(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院,武漢 430063)

兼有生產(chǎn)與儲(chǔ)油作用的浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油船(floating production storage & offloading, FPSO)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的核心設(shè)備——多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭在機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕、抗疲勞能力、密封性能等方面要求極高，這一關(guān)鍵設(shè)備長(zhǎng)期以來被少數(shù)外國(guó)公司所壟斷，如挪威APL公司、荷蘭Bluewater公司、挪威Maritime Tentech公司、荷蘭IHC公司、荷蘭SBM公司以及美國(guó)FMC SOFEC公司。一套單點(diǎn)系泊裝置投資少則千萬(wàn)美元，多則幾千萬(wàn)美元，約占整個(gè)FPSO投資的1/3。近年來，海洋油氣資源開采逐步走向深海，擴(kuò)展到了邊際油田。作為FPSO的核心部件之一，多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭的國(guó)產(chǎn)化訴求越來越急切，多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭國(guó)產(chǎn)化技術(shù)攻關(guān)勢(shì)在必行，研究其相關(guān)技術(shù)意義重大。

1 FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭的主要功能和特點(diǎn)

FPSO單點(diǎn)系泊是指錨泊系統(tǒng)與船體只有一個(gè)接觸點(diǎn)，系泊定位系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭可隨風(fēng)、浪、流轉(zhuǎn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中保證海底石油從相對(duì)靜止的管路輸入到“風(fēng)向標(biāo)式”的旋轉(zhuǎn)船體儲(chǔ)油艙中，要保證管道流體連續(xù)不斷、暢通無阻。多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)特殊，由三大部分組成：即旋轉(zhuǎn)(動(dòng)環(huán))部分、密封部分和靜止(定環(huán))部分，其結(jié)構(gòu)如圖1a)所示，多通道縱向堆疊形式外觀見圖1b)所示。

圖1 多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭的結(jié)構(gòu)和外

靜止(定環(huán))部分由流體輸入管與靜腔貫通，旋轉(zhuǎn)(動(dòng)環(huán))部分由流體輸出管與旋轉(zhuǎn)腔貫通，靜腔和旋轉(zhuǎn)腔組成完整的流體腔通道，密封部分對(duì)靜止(定環(huán))部分和旋轉(zhuǎn)(動(dòng)環(huán))部分接觸面之間的流體進(jìn)行密封，防止流體泄漏及流體間的互混。

2 FPSO多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭分類

FPSO由于作業(yè)油田的情況各異而采用不同的系泊系統(tǒng)，其內(nèi)部多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭的結(jié)構(gòu)也有差異。我國(guó)FPSO的單點(diǎn)系泊方式，大體分為三大類：轉(zhuǎn)塔式系泊、塔式系泊和浮筒式系泊[1]。

2.1 轉(zhuǎn)塔式系泊多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭

轉(zhuǎn)塔式系泊是目前應(yīng)用最廣泛的一種系泊方式，分為外轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)和內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)。外轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)有一鋼質(zhì)箱體型結(jié)構(gòu)，能從FPSO船艏或船艉靠攏或延伸一段距離，并為旋轉(zhuǎn)軸承和轉(zhuǎn)塔提供基座。內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)一般在靠近FPSO船艏部分，被支撐在一個(gè)大的滾柱軸承上。軸承的外圈被連接到船體上，而內(nèi)圈與轉(zhuǎn)塔的固定部分結(jié)合為一體。兩種系泊系統(tǒng)都允許FPSO隨海況自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2為SBM公司設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)塔式系泊多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭[2]。其固定部分25，旋轉(zhuǎn)環(huán)24，旋轉(zhuǎn)環(huán)和固定部分共同構(gòu)成旋轉(zhuǎn)腔22、23。被傳輸流體從海底管路輸送到旋轉(zhuǎn)接頭的輸入管11，再流向定環(huán)和動(dòng)環(huán)組成的旋轉(zhuǎn)腔22、23，再經(jīng)由輸出管14流向儲(chǔ)油船。整個(gè)流程也可以反過來，用于向井內(nèi)注射流體。密封圈布置于旋轉(zhuǎn)腔的兩側(cè)，上下各一，防止內(nèi)部流體滲漏。在運(yùn)行中，旋轉(zhuǎn)環(huán)24(包括輸出管14)，圍繞著固定環(huán)25旋轉(zhuǎn)，兩者之間裝有軸承34、35(34為圓柱滾軸承，35為球軸承)，用于減小磨損，保持機(jī)器平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

11-輸入管；14-輸出管；22、23-旋轉(zhuǎn)腔；24-旋轉(zhuǎn)環(huán)；25-固定環(huán)；34-圓柱滾軸承；35-球軸承；圖2 轉(zhuǎn)塔系泊多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)圖

2.2 塔式系泊多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭

塔式系泊系統(tǒng)是把固定塔結(jié)構(gòu)固定在海床上，為永久系泊的FPSO或油輪裝卸載生產(chǎn)油氣提供錨點(diǎn)。

圖3為Exxon Production Research公司設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)塔式多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭[3]。為防止液體傳輸導(dǎo)管在從旋轉(zhuǎn)接頭總成向儲(chǔ)油船輸送的過程中發(fā)生扭、絞或斷裂，系泊旋轉(zhuǎn)接頭24和流體旋轉(zhuǎn)接頭20互連成一個(gè)整體，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)接頭的固定部分35、35b，通過沉頭螺釘39連接。流體從海底管路輸送到旋轉(zhuǎn)接頭輸入管31，再流向定環(huán)和動(dòng)環(huán)組成的旋轉(zhuǎn)腔32，經(jīng)由輸出管33流向儲(chǔ)油艙。整個(gè)流程也可以反過來，用于向井內(nèi)注射流體。O型密封圈37a、37b用于旋轉(zhuǎn)腔的第一道密封，防止內(nèi)部流體滲漏。U型密封圈38a、38b則用于外部密封，防止外部的液體、氣體和固體雜質(zhì)進(jìn)入旋轉(zhuǎn)接頭。在運(yùn)行中，旋轉(zhuǎn)體34(包括輸出管33)，圍繞著固定環(huán)35旋轉(zhuǎn)，兩者之間裝有軸承36a和36b，以減小磨損。

2.3 浮筒式系泊多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭

浮筒被錨泊在海上，作為系泊點(diǎn)為FPSO裝、卸氣體或液體產(chǎn)品服務(wù)，與具有風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)的FPSO之間的連接。浮筒為裝置提供浮力和穩(wěn)定性，容納各種各樣的零部件，提供井口平臺(tái)與FPSO之間傳輸液體的連接界面。

20-流體旋轉(zhuǎn)接頭；24-系泊旋轉(zhuǎn)接頭；31-輸入管；32-旋轉(zhuǎn)腔；33-輸出管；34-旋轉(zhuǎn)體；35a、35b-固定部分；36a、36b-軸承；37a、37b-O型密封圈；38a、38b-U型密封圈；39-沉頭螺釘圖3 塔式系泊多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭

2-儲(chǔ)油船；3-纜繩；4-海底；5、6、7-輸油管；8-浮筒；9-系泊纜；10-旋轉(zhuǎn)接頭；11-輸送管；13、14-輸入管；15-環(huán)狀空腔；16、17-輸出管；18-輸入管；19-密封圈；20-回轉(zhuǎn)支承；21-定換；22-動(dòng)環(huán)圖4 浮筒式系泊多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭

圖4為SBM公司設(shè)計(jì)的浮筒式系泊多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭[4]。浮筒8通過系泊纜9固定于海底4，輸油管5、6、7將原油輸送到流體旋轉(zhuǎn)接頭10，再由輸送管11輸送到儲(chǔ)油船2上，儲(chǔ)油船2與浮筒通過纜繩3連接。旋轉(zhuǎn)接頭含3根輸入管13、14和18，均位于定環(huán)21內(nèi)。動(dòng)環(huán)22與定環(huán)21之間形成環(huán)狀空腔15，密封圈19防止液體泄漏，同時(shí)阻止外界雜質(zhì)、氣液進(jìn)入接頭體。輸出管16、17將環(huán)狀空腔內(nèi)的流體導(dǎo)出，輸送到儲(chǔ)油船上。定環(huán)和動(dòng)環(huán)之間通過回轉(zhuǎn)支承20連接。使用中不需將多個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭堆砌在一起即可完成流體輸送，但是當(dāng)傳輸?shù)氖嵌喾N不同物體時(shí)，為防止各物質(zhì)互混，則需要將多個(gè)獨(dú)立的旋轉(zhuǎn)接頭。

2.4 FPSO多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)對(duì)比

整體上看，轉(zhuǎn)塔式系泊和塔式系泊使用的旋轉(zhuǎn)接頭比較相近，都采用多通道、多層堆疊設(shè)計(jì)，具有較大的通用性；而浮筒式系泊由于所有重量由浮體的浮力承受，所有其旋轉(zhuǎn)接頭的尺寸和重量會(huì)有較大限制，且其通道數(shù)目一般最多設(shè)2個(gè)，堆疊層數(shù)也僅2～3層，與轉(zhuǎn)塔式系泊和塔式系泊旋轉(zhuǎn)接頭有較大差別。

旋轉(zhuǎn)接頭的型式隨著下列因素而變化。

1) 工作水深。浮筒系泊多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭用于較淺水域，適用水深約在13～88 m。塔式系泊多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭也僅用于較淺水域，適用水深在20～106 m。轉(zhuǎn)塔系泊多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭適用水域較廣，適用水深20～1 400 m。

2) 石油理化特性。原油充足時(shí)，流體壓力大，對(duì)旋轉(zhuǎn)接頭的密封要求也較高，此時(shí)需設(shè)定更復(fù)雜的密封圈組合，在必要情況下需單獨(dú)設(shè)置特殊通道注射壓力液體，以保持密封圈兩側(cè)的壓力穩(wěn)定。原油溫度較高時(shí)，密封圈的磨損會(huì)隨之加劇，此時(shí)通道和密封圈的設(shè)置也需要作出相應(yīng)的改變，以降低溫度或使熱量均勻分布。石油的成分較為復(fù)雜，當(dāng)石蠟、瀝青含量較高時(shí)，管道在長(zhǎng)期的輸送過程中會(huì)淤積大量雜質(zhì)，導(dǎo)致輸送量劇減甚至堵塞。此時(shí)則需設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的管道系統(tǒng)，必要時(shí)設(shè)置專用清潔通道，使用專用機(jī)器人定期清潔管道。

3) 海況。整體來看，適用海況由低到高依次為：浮筒式系泊、塔式系泊、轉(zhuǎn)塔式系泊。針對(duì)不同海況，旋轉(zhuǎn)接頭的旋轉(zhuǎn)量、旋轉(zhuǎn)頻率各不相同，因而磨損情況也不一樣。旋轉(zhuǎn)接頭的磨損包括機(jī)械部分(定環(huán)和動(dòng)環(huán))磨損和密封圈的磨損。針對(duì)不同海況，需設(shè)計(jì)不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)和密封圈結(jié)構(gòu)，必要時(shí)設(shè)置軸承、內(nèi)外環(huán)止動(dòng)片等機(jī)構(gòu)來降低磨損，延長(zhǎng)壽命。

3 FPSO多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭的核心技術(shù)要求

FPSO多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭的核心技術(shù)要求包括五個(gè)方面：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封設(shè)計(jì)，制造材料冶煉技術(shù)，部件精確加工技術(shù)和調(diào)試與檢測(cè)技術(shù)。

3.1 旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)不同油田的實(shí)際油氣產(chǎn)量、壓力、溫度、原油成分，在設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)接頭時(shí)應(yīng)盡量注意以下四點(diǎn)：①縮小旋轉(zhuǎn)圈的半徑，這樣可以大幅減輕整體質(zhì)量，減少耗材，降低加工難度，保證裝置精度，有效控制成本；②化整為零，模塊化設(shè)計(jì)，將大型部件進(jìn)一步拆分為多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件，可以降低加工難度，更容易保證整體精度，其良好的互換性也方便維修和更換；且各部分可獨(dú)立采用不同材料，不需大范圍使用某些貴重金屬。③合理布置環(huán)形空間內(nèi)的通道，在不影響安裝、使用和維護(hù)的前提下最大限度地利用內(nèi)部空間，容納更多管系，做到緊湊和實(shí)用；④零部件(如回轉(zhuǎn)支承、螺釘?shù)?設(shè)計(jì)盡量使用市場(chǎng)上已有的標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸，以方便維護(hù)、更換，并降低造價(jià)。

3.2 旋轉(zhuǎn)接頭密封設(shè)計(jì)

根據(jù)所輸送流體的壓力、溫度和原油成分，密封圈的剖面形狀、材料和布置方式各不相同。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)腔內(nèi)流體壓力較大時(shí)，需設(shè)計(jì)更多層次的密封圈，或選用橫截面更有效的密封圈，如從簡(jiǎn)單的O型圈到加擋環(huán)的O型圈到V型圈、U型圈、Y型圈等。為防止密封圈扭轉(zhuǎn)、翻滾、被擠入旋轉(zhuǎn)縫隙，安裝密封圈的溝槽在必要時(shí)也需作出相應(yīng)的調(diào)整，從最常用的矩形槽到V形槽、半圓形槽、燕尾槽、三角形槽等。旋轉(zhuǎn)腔內(nèi)流體壓力過大、使用多層密封圈仍難以保證密封效果的，需設(shè)計(jì)壓力平衡系統(tǒng)，在密封圈的內(nèi)側(cè)也填充壓力液體(填充液體的壓力值一般比產(chǎn)品液體的壓力值稍大)，使其兩側(cè)流體壓力平衡[5]。

3.3 旋轉(zhuǎn)接頭制造材料

整體上看，優(yōu)秀的旋轉(zhuǎn)接頭質(zhì)量小、強(qiáng)度高、磨損小、加工簡(jiǎn)單、維修方便、造價(jià)低，這也是對(duì)其制造材料的指導(dǎo)性要求。具體看來，采用模塊化設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)接頭，更易因地制宜，使用不同材料制造。整個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭中，對(duì)材料要求最高的屬于定環(huán)和動(dòng)環(huán)相接觸的部位。此部件最突出的要求是保證良好耐磨性的同時(shí)保持接觸面的有效潤(rùn)滑(避免啟動(dòng)力矩過大)。再者，材料的導(dǎo)熱性要好，熱膨脹小，以有效控制部件間隙。若管道內(nèi)的流體具有高腐蝕性，則需使用抗腐蝕材料制造管道等零件。除了有特殊要求的部件，其他部件均可采用價(jià)格相對(duì)低廉的常用金屬材料制造。另外，由于旋轉(zhuǎn)接頭的大型部件較多，且都是鑄造成型后機(jī)加工，所以材料的鑄造性能應(yīng)有所保證。另一種思路是對(duì)材料采用表面處理，即零部件本身使用普通材料，但針對(duì)其使用環(huán)境，對(duì)某一個(gè)面或多個(gè)面進(jìn)行化學(xué)處理，或敷設(shè)特殊材料涂層，這樣使零部件也能達(dá)到使用要求。

3.4 旋轉(zhuǎn)接頭加工精度

目前我國(guó)的機(jī)械加工設(shè)備技術(shù)成熟，各型數(shù)控加工中心品種繁多，基本能滿足旋轉(zhuǎn)接頭的精度要求?？紤]到多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭本身屬于單件小批量生產(chǎn)，所以加工精度較為容易保證。但小型部件易加工的同時(shí)也應(yīng)看到，旋轉(zhuǎn)接頭制造的難點(diǎn)在于大型部件的精確加工，所以這對(duì)生產(chǎn)商的硬件要求會(huì)更高。

3.5 旋轉(zhuǎn)接頭調(diào)試與質(zhì)量檢測(cè)

由于我國(guó)的多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭目前完全依賴進(jìn)口，所以國(guó)內(nèi)對(duì)于調(diào)試和質(zhì)量檢測(cè)設(shè)施與規(guī)范比較匱乏。需要學(xué)習(xí)國(guó)外設(shè)備生產(chǎn)商的成熟思想與技術(shù)，制定一套適合我國(guó)國(guó)情的規(guī)范，制造較為實(shí)用的檢測(cè)設(shè)備。目前我國(guó)有《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》之類的資料對(duì)旋轉(zhuǎn)接頭有一定描述，但作為規(guī)范來約束旋轉(zhuǎn)接頭的生產(chǎn)和使用，則還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。實(shí)驗(yàn)設(shè)備方面，我國(guó)對(duì)旋轉(zhuǎn)接頭無專用檢測(cè)、調(diào)試設(shè)施。旋轉(zhuǎn)接頭的檢測(cè)和調(diào)試需模擬實(shí)際使用情況，針對(duì)不同數(shù)目通道，不同流體壓力、溫度、成分，在不同轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)頻率下，承受小量力矩，完成模擬實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)其密封效果、磨損情況等。參照國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，可以使用多自由度液壓缸支撐平臺(tái)，在多個(gè)方向各裝設(shè)一段可調(diào)節(jié)彈簧，模擬海上工作環(huán)境?？紤]到旋轉(zhuǎn)接頭固定在支撐體的平臺(tái)上，所承受的載荷和轉(zhuǎn)矩有限，且其核心問題在于機(jī)械部分的密封效果和磨損情況的監(jiān)測(cè)，所以模擬實(shí)驗(yàn)中需擬合的要素不多，使用普通檢測(cè)裝置即可滿足功能上的需要。

4 補(bǔ)充要求

多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭國(guó)產(chǎn)化，除要考慮上述技術(shù)因素外，設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮應(yīng)便于人工作業(yè)維修，在相鄰兩個(gè)接頭單元之間設(shè)置一定的人工作業(yè)空間，通過該空間可以完成相鄰兩個(gè)接頭之間的完全拆卸與組裝。如在FPSO轉(zhuǎn)塔艙專門設(shè)置各個(gè)接頭單元的人工作業(yè)平臺(tái)。同時(shí)要考慮旋轉(zhuǎn)接頭應(yīng)在某一接頭單元出故障拆卸維修時(shí)，其他接頭仍能正常工作。為此，可以把液體旋轉(zhuǎn)接頭模塊化，使旋轉(zhuǎn)接頭單元之間可以任意上下連接，再用不同長(zhǎng)度的輸油管路將不同高度的輸油接頭連接至整旋轉(zhuǎn)接頭的法蘭盤上。

[1] 呂立功，景勇，溫寶貴，等.FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的考慮[J].中國(guó)造船，2005，46(11)：348-356.

[2] Jan A Foolen. Rotatable swivel for one or more conduits. United States of America, United States Patent 4288106 [P].1979.

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