兩種FPSO外輸系統中斷開式聯軸節的使用分析

劉康

（中海油能源發展采油服務公司綜合服務公司，天津塘沽，郵編：300452）

1.0 前言

海上油氣資源開發是一項高風險的作業活動。特別是近幾年來，國內外海上原油泄漏事故頻發，對海洋環境造成了嚴重破壞。隨著社會的發展和進步，海洋環境問題也日益得到重視，“保護海洋環境”不再是一句口號。

在海上油氣資源開發過程中，原油外輸作業是一項非常重要的工作。作業時，需要FPSO、穿梭提油輪、守護船等各方面配合，同時對相應的原油外輸設備及輔助設施質量（如外輸軟管、系泊大纜等）也有很高要求，因此如何降低因原油外輸作業事故而導致的原油泄漏風險，是海上作業風險控制的重中之重。

在外輸作業過程中，有這樣一種風險：由于外輸軟管內外部壓力的突然異常，可能會引起軟管破斷因而導致原油泄漏。為了降低這種風險，在實際的外輸軟管使用中，油田通常會配套使用斷開式聯軸節（Breakaway Coupling）以增加外輸軟管的使用安全性。

下文我們將通過對中國海域內常用的兩種斷開式聯軸節的原理分析，了解其使用特性和適用性。

2.0 斷開式聯軸節的類型

FPSO外輸軟管管線中所使用的斷開式聯軸節，又被常稱為破斷閥、自封閉閥。它是為了降低軟管因突然受到異常壓力而引起原油泄漏風險所配套使用的一種設備。斷開式聯軸節的最大特點在于輕量、自發安全性較強，安裝簡便的同時，不需要額外為其提供動力。

由于斷開式聯軸節是與外輸軟管配套使用，因此，不同類型的外輸軟管使用方式決定了其配套使用的斷開式聯軸節也有不同。在中國海域內，外輸軟管使用方式有兩種，一種是滾筒式，另一種是漂浮式。

滾筒式：在FPSO艉輸甲板上，有固定一個專門用于軟管收放的滾筒。外輸作業的時候，滾筒上纏繞的軟管將被逐一釋放到海中，待外輸作業結束后，再將釋放的軟管回收至滾筒上。

漂浮式：整組軟管無論外輸與否，始終都自然漂浮在海面上，不需要頻繁地收放。

2.1 滾筒式匹配的斷開式聯軸節

由于滾筒式外輸軟管需要在滾筒上頻繁收放，而斷開式聯軸節屬鋼結構，無法彎曲。因此，這種方式下斷開式聯軸節必須安裝在外輸軟管快速釋放閥（Quick Release Comlock）和外輸軟管之間，而不能安裝在外輸軟管管線（Hose String）中間，以避免彎曲損壞。這種斷開式聯軸節通常被稱為Hose Reel End。如下圖示：

圖1：快速釋放閥、斷開式聯軸節和軟管

圖2：斷開式聯軸節

2.2 漂浮式匹配的斷開式聯軸節

由于不存在考慮需要彎曲的問題，只要直徑尺寸合適，這種斷開式聯軸節可以放置在外輸軟管管線中間的任何位置。而在實際使用中，斷開式聯軸節必須安裝在整組軟管管線最容易受到高強度破斷力的位置，以確保其發揮作用。因此，漂浮式匹配的斷開式聯軸節一般安裝在軟管管線倒數 （從提油穿梭輪算起）第四節和第五節之間。這種斷開式聯軸節通常被

直接稱為Breakaway Coupling。如下圖所示：

圖1：斷開式聯軸節位置（白色浮筒處）

圖2：斷開式聯軸節

3.0 滾筒式匹配的斷開式聯軸節原理

圖3：Hose Reel End設計圖紙

斷開式聯軸節需要和滾筒的快速釋放閥連接配合使用，所以在分析其工作原理時，必須結合快速釋放閥來一起考慮。為便于理解，下列圖片顯示了快速釋放閥與斷開式聯軸節連接的法蘭面；以及快速釋放閥的閥門打開時的狀態：

圖4：快速釋放閥法蘭面

圖5：快速釋放閥閥門打開時的狀態

根據設計圖紙我們可以知道，滾筒式匹配的斷開式聯軸節內部為套筒結構，且中心有彈簧和聯軸器。在沒有外輸作業的時候，彈簧保持自然狀態，有效地密封斷開式聯軸節，同時快速釋放閥的閥門也保持關閉。

在外輸作業時，液壓系統會將快速釋放閥的閥門打開（如圖5所示），然后通過快速釋放閥閥門的下壓動作頂開斷開式聯軸節的密封板，當斷開式聯軸節的密封板被下壓至管腔最底部后，整個外輸通路將被打開，此時可以開始進行外輸作業。

當外輸作業結束后或者遇到緊急情況需要迅速切斷外輸管路、解脫外輸軟管的時候，可以通過液壓系統收起快速釋放閥閥門，此時斷開式聯軸節密封板依靠彈簧的張力恢復原位，整個端口即可處于閉合狀態。

根據上述原理描述分析可知：當整組軟管發生溢油泄漏時，斷開式聯軸節所起的保護比較小。因此滾筒式匹配的斷開式聯軸節應該要與安全性更高的雙層外輸軟管配合使用。這種情況下，斷開式聯軸節的主要作用還是體現在軟管如果受內外異常壓力影響而發生破斷事故需要緊急解脫時能夠快速截斷油路，以降低大量原油泄漏的風險。

4.0 漂浮式匹配的斷開式聯軸節原理

漂浮式匹配的斷開式聯軸節內部有1組8個碟片或者2組共16個碟片以及配套的彈簧，碟片的數量主要取決于它是單向破斷自封閉方式還是雙向破斷自封閉方式。圖6是雙向破斷自封閉方式的斷開式聯軸節。當它受到的拉力超過額定破斷拉力時，內部管體將會分離成兩截，此時在彈簧的作用力下管體內的碟片被頂出打開并形成無縫的錐形閉門，整個軟管通路被截斷。具體變化如下圖所示：

圖6：Breakaway Coupling設計圖紙

圖7：Breakaway Coupling工作流程

若使用的斷開式聯軸節屬于單向破斷自封閉方式，那么則只會形成某一邊的錐形閉門，當然同樣也可以截斷整個軟管通路。

漂浮式匹配的斷開式聯軸節通常安裝在軟管管線倒數（從提油穿梭輪算起）第四節和第五節之間，相對于滾筒式匹配的斷開式聯軸而言，它對外輸軟管的主動保護程度較高，而且在防溢油方面做的更好。漂浮式匹配的斷開式聯軸節的設計特點和使用特性決定了它能夠有效地和單層軟管配套使用，以降低單層軟管因破斷所導致的溢油風險。

4.0 結論

通過以上兩種FPSO外輸系統中斷開式聯軸節的使用原理分析，我們可以知道：

（1）不同的FPSO外輸系統需要匹配不同的斷開式聯軸節；

（2）不同特性的斷開式聯軸節在結構上和原理上有所差異；

（3）斷開式聯軸節在外輸軟管配套使用中是必要的，它能夠有效地降低外輸軟管的溢油風險。