摘" " 要：本文根據(jù)海上單點(diǎn)系泊輸油系統(tǒng)大尺寸旋轉(zhuǎn)密封設(shè)計(jì)的影響因素，開(kāi)展作業(yè)海域的氣象水文條件對(duì)運(yùn)動(dòng)受力的影響，海洋溫度、鹽度環(huán)境和原油類(lèi)型等對(duì)耐腐蝕性的要求分析，闡述了泛塞密封技術(shù)應(yīng)用于海上單點(diǎn)系泊輸油系統(tǒng)大尺寸旋轉(zhuǎn)密封的設(shè)計(jì)、加工和試驗(yàn)的有關(guān)要求。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)吸c(diǎn)系泊；海上輸油；大尺寸；旋轉(zhuǎn)密封

中圖分類(lèi)號(hào)：P751" " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)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(zhuǎn)密封技術(shù)是海上單點(diǎn)系泊輸油領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一，主要應(yīng)用于單點(diǎn)系泊核心部件旋轉(zhuǎn)接頭上。單點(diǎn)系泊輸油是海上輸油的主要技術(shù)型式，用于浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船、油輪的不靠港作業(yè)，以及作為海上邊際油田和油田早期開(kāi)發(fā)的集輸點(diǎn)[1]。單點(diǎn)系泊連接油船開(kāi)展持續(xù)無(wú)泄漏的流體輸送作業(yè)時(shí)，油船及水面輸油管線在海上風(fēng)浪流作用下，將圍繞單點(diǎn)及水下輸油管線作360°回轉(zhuǎn)，停泊在環(huán)境力最小的方位[2]。在此過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)接頭實(shí)現(xiàn)輸油管路的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)面對(duì)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(yán)重等復(fù)雜問(wèn)題，對(duì)大尺寸旋轉(zhuǎn)密封設(shè)計(jì)制造帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。為避免海上單點(diǎn)系泊輸油泄漏，單點(diǎn)系泊旋轉(zhuǎn)接頭部位的大尺寸旋轉(zhuǎn)密封系統(tǒng)需具備高可靠性。

有別于靜態(tài)密封或者小尺寸旋轉(zhuǎn)密封，面向海上單點(diǎn)系泊輸油的密封系統(tǒng)具有旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)密封和尺寸顯著增加的特點(diǎn)，密封直徑通常達(dá)到0.9 m以上。大尺寸旋轉(zhuǎn)密封可靠性直接受到密封系統(tǒng)合理性、密封件技術(shù)型式與特性、大尺寸密封對(duì)磨面強(qiáng)度以及加工精度的影響。

國(guó)外對(duì)大尺寸旋轉(zhuǎn)密封的研究較早，現(xiàn)階段已擁有較為成熟的技術(shù)，已進(jìn)入商業(yè)階段。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)海上單點(diǎn)系泊輸油的密封系統(tǒng)研究較多的是廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，自上世紀(jì)80年代以來(lái)，已完成多型大尺寸旋轉(zhuǎn)密封系統(tǒng)研制，技術(shù)水平不斷迭代提升，可靠性得到顯著提高，但與國(guó)外相比仍存在差距。

2" " "大尺寸旋轉(zhuǎn)密封設(shè)計(jì)影響因素分析

單點(diǎn)系泊海洋作業(yè)環(huán)境、原油物性、輸油系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)，是旋轉(zhuǎn)密封設(shè)計(jì)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。任何要素考慮的缺失，或者參數(shù)設(shè)定的不當(dāng)，都可能導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)輸油過(guò)程中油料的泄漏，造成環(huán)境污染等不良社會(huì)影響以及業(yè)主單位的經(jīng)濟(jì)損失。在旋轉(zhuǎn)密封設(shè)計(jì)之前，需根據(jù)用戶(hù)特定需求，對(duì)上述環(huán)境要素作全面的調(diào)研和論證，形成準(zhǔn)確合理的設(shè)計(jì)輸入。

2.1" "海洋作業(yè)環(huán)境及其影響

海洋作業(yè)環(huán)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(shè)施需要考慮的核心要素，風(fēng)載荷、波浪載荷、流載荷將對(duì)海上單點(diǎn)系泊設(shè)施形成復(fù)雜的作用力和運(yùn)動(dòng)，海上設(shè)施需要具備足夠安全裕度，以避免環(huán)境載荷的破壞。

單點(diǎn)系泊輸油系統(tǒng)在海上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)因運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生額外的力矩，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形加大，如不加以限制，旋轉(zhuǎn)密封對(duì)磨面之間的間隙將無(wú)法保證，影響密封效果。因此，需以單點(diǎn)系統(tǒng)的布置海域的風(fēng)、浪、流等氣象水文統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，通過(guò)水動(dòng)力數(shù)值仿真，開(kāi)展海上單點(diǎn)系泊系統(tǒng)靜水力分析、規(guī)則波下波浪載荷和系統(tǒng)響應(yīng)計(jì)算，以及頻域條件下一階波浪力和二階平均漂力的計(jì)算，得到在風(fēng)、流、不規(guī)則波下密封系統(tǒng)相關(guān)設(shè)施的時(shí)歷變化曲線。

2）海洋環(huán)境溫度、鹽度

海洋環(huán)境溫度、鹽度對(duì)密封系統(tǒng)造成較大的腐蝕[3]。單點(diǎn)系泊輸油旋轉(zhuǎn)密封需要結(jié)合動(dòng)態(tài)密封、海上維修保障困難等特點(diǎn)，論證多種海洋防腐蝕技術(shù)的應(yīng)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(shù)應(yīng)用，可保障密封對(duì)磨面的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，避免不可接受的變形。

2.2" "原油物性影響

海上單點(diǎn)系泊輸油系統(tǒng)常需滿(mǎn)足多種油品的輸送，不同原油在比重、粘度、含蠟量、凝點(diǎn)、灰分、殘?zhí)?、含鹽、瀝青質(zhì)、硅膠膠質(zhì)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(duì)密封系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在腐蝕[5]和雜質(zhì)兩個(gè)方面。

密封對(duì)磨面及密封件均需接觸原油，所以密封對(duì)磨面及密封件均需考慮原油腐蝕的影響。密封對(duì)磨面的防腐主要考慮耐腐蝕材料的應(yīng)用以及腐蝕余量的設(shè)置；密封件應(yīng)采用耐原油腐蝕的材料。原油含有蠟等雜質(zhì)，在溫度變化時(shí)會(huì)引起的析蠟現(xiàn)象[6]，析出的蠟晶與其它雜質(zhì)可能會(huì)導(dǎo)致密封件與密封副磨損加劇。

2.3" "輸油系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)影響

輸油系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)包括輸油流量和壓力，主要取決于貨油系統(tǒng)輸油能力，典型油船貨油系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

旋轉(zhuǎn)密封的尺寸及設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度與油系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)匹配。密封系統(tǒng)尺寸應(yīng)足夠大以盡可能減少系統(tǒng)局部阻力。同時(shí)，應(yīng)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(jié)構(gòu)。溫度對(duì)密封件的影響較大，比如聚氨酯或者橡膠類(lèi)密封件，溫度過(guò)低會(huì)使唇口彈性降低，變脆易碎，造成泄露；而過(guò)高的溫度會(huì)使密封體積膨脹，變軟，造成運(yùn)動(dòng)時(shí)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(chǎn)生泄露。因此，需要選擇與溫度相適應(yīng)的密封件材料。

3" " "大尺寸旋轉(zhuǎn)密封技術(shù)形式選擇

大尺寸旋轉(zhuǎn)密封技術(shù)形式需要結(jié)合輸油工作條件，選取合適的密封類(lèi)別，以及布置形式。

3.1" "密封類(lèi)別

常用的旋轉(zhuǎn)密封類(lèi)別有壓縮填料密封、機(jī)械密封、螺旋密封、泛塞封等[8]，這些密封型式根據(jù)其特點(diǎn)可應(yīng)用在不同的領(lǐng)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(duì)填料進(jìn)行壓縮，使填料與運(yùn)動(dòng)副零件產(chǎn)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(jī)械密封

機(jī)械密封是浮動(dòng)式密封，密封副輕微的軸向和徑向移動(dòng)不會(huì)影響密封效果。機(jī)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(dá)到零泄露，適用范圍更廣。但是，機(jī)械密封機(jī)構(gòu)復(fù)雜，由多個(gè)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(hù)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(zhuǎn)軸有螺紋，工作時(shí)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(zhuǎn)時(shí)不斷向高壓端運(yùn)動(dòng)，達(dá)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(jìn)的密封方式，其密封架構(gòu)與Y型圈類(lèi)似。泛塞封以U型的聚四氟乙烯為基體，并在U型槽內(nèi)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(yīng)力，隨著介質(zhì)壓力升高，主要的密封力由介質(zhì)壓力提供，由此保證了泛塞封從低壓到高壓都具有非常優(yōu)異的密封性能。

泛塞封的優(yōu)勢(shì)在于密封主體材料具有優(yōu)良的耐老化性、不與各種強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及強(qiáng)氧化劑發(fā)生反應(yīng)、耐原油性能優(yōu)異，具有良好的抗彎曲疲勞性能，摩擦系數(shù)很小。

綜合對(duì)比上述密封類(lèi)別，顯然泛塞封更適用于海上單點(diǎn)系泊輸油的大尺寸旋轉(zhuǎn)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(chēng)平面密封，密封件槽口對(duì)向旋轉(zhuǎn)軸，而徑向密封件槽口方向與旋轉(zhuǎn)軸平行。相對(duì)而言軸向密封使得密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式更為簡(jiǎn)單，加工方便，易于安裝和維修。

為了提高密封系統(tǒng)的可靠性和使用壽命，可考慮設(shè)置二道不同直徑的密封件，組合構(gòu)成旋轉(zhuǎn)密封系統(tǒng)；第一道密封為主密封，第二道密封為備用密封；當(dāng)主密封失效后，備用密封能承擔(dān)二次密封作用。

4" " 密封對(duì)磨面技術(shù)要求與加工

泛塞封形式對(duì)密封對(duì)磨面的加工精度有嚴(yán)格的要求。

4.1" "密封對(duì)磨面技術(shù)要求

密封處配合表面的質(zhì)量和表面光潔度極大程度影響密封系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。原則上對(duì)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(dòng)態(tài)表面光潔度應(yīng)比靜態(tài)配合表面有著更高要求。

旋轉(zhuǎn)接頭密封介質(zhì)主要為原油，根據(jù)加工試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，密封件對(duì)磨面粗糙度需達(dá)到0.2 μm。

此外，因旋轉(zhuǎn)接頭設(shè)計(jì)壽命比較長(zhǎng)，對(duì)對(duì)磨面的硬度也提出了高要求，應(yīng)達(dá)HRC 45以上。若選取的密封對(duì)磨件達(dá)不到該硬度，需要作必要的表面硬化處理，以延長(zhǎng)使用壽命。

4.2" "密封對(duì)磨面加工

密封件對(duì)磨面極高的粗糙度和平面度要求，以及材料硬度參數(shù)，對(duì)于大尺寸旋轉(zhuǎn)密封對(duì)磨面加工帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。

一般需要經(jīng)過(guò)粗車(chē)、精車(chē)、粗磨、精磨、拋光、精整六道工序。根據(jù)密封對(duì)磨面材料特性，需注意磨削過(guò)程中避免出現(xiàn)砂輪粘附堵塞、加工面燒傷、工件變形等問(wèn)題。

5" " 旋轉(zhuǎn)密封系統(tǒng)安裝與試驗(yàn)

為確保海上輸油管系大尺寸旋轉(zhuǎn)密封的可靠性，需嚴(yán)格把控密封系統(tǒng)從設(shè)計(jì)—加工—安裝—試驗(yàn)的全過(guò)程，每一環(huán)節(jié)都要滿(mǎn)足相關(guān)要求。

5.1" "旋轉(zhuǎn)密封系統(tǒng)安裝

為了便于泛塞封安裝，旋轉(zhuǎn)接頭端面加工開(kāi)放式溝槽，溝槽與密封件之間是過(guò)盈配合，以使得密封件安裝牢固。安裝過(guò)程中，可對(duì)密封件采用油加熱、水加熱或者空氣加熱的方式，嚴(yán)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(zhì)的接觸，免除加熱后的清理。此外，為保證良好的潤(rùn)滑效果，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行油潤(rùn)滑或脂潤(rùn)滑，并確保潤(rùn)滑均勻。

泛塞封安裝完成后，即可通過(guò)螺栓連接兩個(gè)密封對(duì)磨面。為保證泛塞封良好的密封效果，需設(shè)置合理的安裝預(yù)壓量。預(yù)壓量過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致唇口預(yù)壓力不夠，可能造成泄漏；預(yù)壓量過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致唇口變形過(guò)大，易破壞密封件，且還會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)摩擦力矩增大。

5.2" "密封試驗(yàn)

為了驗(yàn)證大尺寸旋轉(zhuǎn)密封的可靠性，一般需開(kāi)展靜態(tài)密封試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)，以及動(dòng)態(tài)密封壽命試驗(yàn)。

1）靜態(tài)密封試驗(yàn)

靜壓試驗(yàn)是在密封腔中打入1.5倍設(shè)計(jì)壓力的油壓，保壓4小時(shí)以上，檢測(cè)油料泄漏量及密封腔壓力（觀察壓力有無(wú)下降）。此外，還需在設(shè)計(jì)壓力下，正反方向各旋轉(zhuǎn)2周，檢測(cè)密封系統(tǒng)的泄漏量。

2）動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)

完成靜態(tài)密封試驗(yàn)后在設(shè)計(jì)壓力下，以大約1°/s的速度正反方向往復(fù)驅(qū)動(dòng)密封對(duì)磨面旋轉(zhuǎn)，持續(xù)運(yùn)行約3小時(shí)，觀察其密封效果。

3）動(dòng)態(tài)密封壽命試驗(yàn)

對(duì)于首次研制的旋轉(zhuǎn)密封系統(tǒng)，還需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)密封耐久性（壽命）試驗(yàn)，以驗(yàn)證密封系統(tǒng)的可靠性。試驗(yàn)時(shí)間根據(jù)單點(diǎn)系泊密封系統(tǒng)壽命要求進(jìn)行等效設(shè)置。

6" " "結(jié)論

面向海上單點(diǎn)系泊輸油的大尺寸旋轉(zhuǎn)密封系統(tǒng)，呈現(xiàn)出作業(yè)環(huán)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(diǎn)，其設(shè)計(jì)和應(yīng)用涉及海洋學(xué)、流體力學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)、管道流體力學(xué)、機(jī)械制造等多學(xué)科理論的融合應(yīng)用。本文針對(duì)大尺寸旋轉(zhuǎn)密封技術(shù)在海上單點(diǎn)系泊輸油領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

1）大尺寸旋轉(zhuǎn)密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮作業(yè)海域的氣象水文條件對(duì)其運(yùn)動(dòng)受力的影響，海洋溫度、鹽度環(huán)境和原油等對(duì)其耐腐蝕性的要求；

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

3）為保證與泛塞封相匹配，密封對(duì)磨面需嚴(yán)格遵照技術(shù)要求和加工要求進(jìn)行加工；

4）需嚴(yán)格把控密封件安裝質(zhì)量，并經(jīng)試驗(yàn)充分驗(yàn)證其密封性能。

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