單點系泊系統液體旋轉接頭密封圈實驗研究

熊清海，孟祥志，呂偉，高奇，張德珍

1.大連迪施船機有限公司，遼寧大連116620

2.東北大學機械工程與自動化學院，遼寧沈陽110819

3.大連海事大學信息科學技術學院，遼寧大連116026

單點系泊系統液體旋轉接頭密封圈實驗研究

熊清海1，孟祥志2，呂偉1，高奇1，張德珍3

1.大連迪施船機有限公司，遼寧大連116620

2.東北大學機械工程與自動化學院，遼寧沈陽110819

3.大連海事大學信息科學技術學院，遼寧大連116026

液體旋轉接頭是單點系泊系統中的關鍵設備，目前全部依賴進口，它的國產化具有重要的戰略意義。密封圈是液體旋轉接頭最重要的部件之一，密封圈的摩擦扭矩是液體旋轉接頭設計所需要的關鍵數據。研制了專門的密封圈實驗機和液壓油供油系統，利用該實驗機對單點系泊系統液體旋轉接頭的密封圈在19種油壓下的摩擦扭矩進行了實驗測試，得到了密封圈的摩擦扭矩隨液壓油溫度和壓力變化的規律，利用MATLAB軟件得到了密封圈摩擦扭矩-油壓曲線的擬合方程和液體旋轉接頭密封圈旋轉扭矩的計算方法，為液體旋轉接頭的產品設計提供了關鍵數據。

單點系泊系統；液體旋轉接頭；密封圈；實驗研究

海洋油氣裝備制造業是國家戰略性新興產業的重要組成部分，是高端裝備制造業的重點發展方向[1]。單點系泊系統是海洋油氣工程領域的關鍵裝備之一，目前已經在我國各海域油田中得到大量應用。高壓多通道液體旋轉接頭是單點系泊系統中的關鍵部件，目前全部依賴進口，價格昂貴，且供貨周期長，因此自主研發液體旋轉接頭具有重要的戰略意義。密封圈是整個液體旋轉接頭最重要的部件之一，它對旋轉接頭的可靠性、耐久性和安全性具有關鍵性的影響，也是國內外旋轉接頭研制方面最主要的差距所在。本文利用自主研制的小樣密封圈扭矩實驗機對液體旋轉接頭中的密封圈性能進行了實驗研究，獲得了關鍵的技術數據，為液體旋轉接頭的自主研發奠定了基礎。

1 單點系泊系統液體旋轉接頭

單點系泊是指海洋工程船舶通過單點形式系泊在另一個固定式或浮式結構物上，船舶圍繞該結構物可以隨風浪流作360°回轉，由于風標效應，被系泊船舶將會停泊在環境力最小的方位上[2]。對海洋油氣開采來說，它還必須具有流體輸轉功能。如圖1所示為內轉塔式單點系泊系統，位于儲油駁船（FPSO）中的旋轉接頭是單點系泊系統的關鍵設備。旋轉接頭由若干滑環、堆棧構成（如圖2所示），具有輸轉油、氣、水、電等功能[3-5]。

液體旋轉接頭的結構如圖3所示，輸油管直接與系泊點的水下輸油立管相連，內環固定于駁船船身，外環相對于內環可360°回轉。內外環接合面上設置若干密封圈，用來保證輸轉液、氣時不產生泄漏。為了提高裝置的密封效果，在兩道密封圈之間添加高壓液壓油，形成高壓油密封系統。高壓油的壓力將隨著輸送腔內壓力的變化而實時變化，液體旋轉接頭因密封圈產生的摩擦扭矩也隨之變化。在液體旋轉接頭設計時弄清楚密封圈摩擦扭矩的變化規律對液體旋轉接頭的外部支承、驅動系統的強度和疲勞計算具有重要意義。

圖1 內轉塔式單點系泊系統主要示意

圖2 液體旋轉接頭堆棧

圖3 旋轉接頭結構

2 實驗裝置及實驗方案

設計的液體旋轉接頭密封圈結構如圖4所示，它由唇形密封圈、背壓環和蓄能彈簧等三部分組成。唇形密封圈由PTFE+石墨+碳纖維等混合燒結而成，背壓環用來防止唇形密封圈因受壓擠出咬唇而破壞，蓄能彈簧材質為INCONEL 718，具有良好的回彈和耐腐蝕性，使唇形密封圈在受壓下可保持穩定，并使密封唇口產生預緊力，從而達到良好的密封性。

圖4 密封圈截面

為了研究密封圈的摩擦扭矩變化規律及密封性能，作者研制了小樣密封圈扭矩實驗機，其結構如圖5所示。

圖5 小樣密封圈實驗機結構

實驗機的內環2可繞軸3轉動，內環和外環6之間的空腔內充滿液壓油，二者間由兩個唇型彈簧蓄能密封圈4密封，外環利用兩個外環定位套杯1對其進行軸向和周向定位，定位套杯本身利用箱體軸承座孔定位，每個定位套杯通過4個內六角螺釘與箱體連接使之固定，而每個定位套杯與外環之間靠4個螺釘連接，從而限制外環的轉動。實驗機頂部外環上開有兩個油孔，用于連接高壓油密封系統。實驗時，通過扭矩傳感器測量軸和內環轉動時的扭矩，此扭矩即為密封圈的旋轉扭矩。

壓力油系統的液壓原理如圖6所示。齒輪泵將油箱中的液壓油泵入實驗機內、外環之間的空腔，當回油口處的截止閥2關閉后，通過調節可調溢流閥來慢慢改變實驗機供油壓力。供油壓力值通過回油口處的壓力表讀取。油箱中的油溫通過油箱處的溫度表來測量。

圖6 壓力油系統液壓原理

實驗系統布置如圖7所示。

圖7 實驗現場

主電機采用YVP225S-50-B型變頻調速三相異步電機，額定功率為37 kW，調速范圍為0～3 000 r/min。擺線減速機采用擺線針輪減速器，傳動比為29。扭矩傳感器采用JC2C型轉矩轉速傳感器，扭矩量程為0～1 000 N·m，工作轉速為0～4 000 r/min。測試系統采用湘儀動力測試儀器有限公司生產的JW-3扭矩儀。

3 實驗結果

實驗時，先把油壓調整到一定壓力后，記錄扭矩傳感器的扭矩值和油箱油溫。小樣密封圈實驗機的軸轉速設定為1.0 r/min。在設定的油壓下運轉1 h，每隔3 min記錄一次數據。實驗油壓分別為0、0.5、1.0、1.5、……、8.5、9.0 MPa共19個壓力，每個壓力做4輪實驗。圖8～10分別為0、4.0和9.0 MPa油壓下，小樣密封圈的扭矩-油溫測試曲線結果。

圖8 油壓0 MPa下的扭矩-油溫測試曲線

圖9 油壓4.0 MPa下的扭矩-油溫測試曲線

當油箱油溫為25℃時，各壓力下的小樣密封圈扭矩最大值和平均值的試驗曲線如圖11所示。

利用MATLAB軟件得到兩條曲線的擬合方程，其中平均值扭矩-壓力曲線擬合方程為：

最大值扭矩-壓力曲線擬合方程為：

式中：P為液壓油壓，MPa；T為密封圈的摩擦扭矩，N·m。

內轉塔式單點系泊系統液體旋轉接頭的密封圈布置如圖3所示，上部的第一和第二道密封圈空腔內充滿高壓油，形成高壓油密封系統來提高密封件的密封效果。

根據圖9實驗結果和式（1）、（2），可以計算單點系泊系統旋轉接頭液滑環密封圈在不同油壓下的扭矩值。當高壓油系統油壓為k MPa時，計算公式為：

式中：Tk為當油壓為k MPa時，旋轉接頭液滑環密封圈的扭矩值，N·m；Tk小樣為油壓k MPa時，小樣密封圈的扭矩實測值，N·m；mk為油壓k MPa時，旋轉接頭液滑環密封圈的圈數；D為旋轉接頭液滑環密封圈的內徑，mm；mk小樣為油壓k MPa時，小樣密封圈的圈數；D小樣為小樣密封圈的內徑，mm。

當各道密封圈之間的油壓有n個壓力時，所有密封圈的總摩擦阻力矩為：

圖10 油壓9.0 MPa下的扭矩-油溫測試曲線

圖11 25℃時的扭矩-油壓曲線

4 結論

為了研究內轉塔式單點系泊系統旋轉接頭液滑環密封圈的旋轉扭矩和密封性能，研制了專門的小樣密封圈實驗機及壓力供油系統。對16種供油壓力下的密封圈旋轉扭矩進行了實驗研究，得到了小樣密封圈扭矩-油溫曲線和扭矩-油壓曲線。得到了扭矩-油壓曲線的擬合方程和旋轉接頭液滑環密封圈旋轉扭矩的計算方法，驗證了彈簧蓄能密封圈的密封可靠性，為液體旋轉接頭的研制提供了數據支持。

[1]劉生法.內轉塔式單點系泊系統介紹[J].廣東造船，2014（2）：25-28.

[2]劉生法.單點系泊系統關鍵技術探討[J].中國海洋平臺，2012，27（1）：39-43.

[3]宋志鵬，鄭紹春.浮式生產儲油卸油船多通道流體旋轉接頭性能分析[J].船海工程，2010，39（4）：53-57.

[4]孫見君，顧伯勤，魏龍.在役機械密封端面摩擦扭矩的測量與控制[J].石油機械，2005，33（3）：59-61.

[5]劉志剛，何炎平.FPSO轉塔系泊系統的技術特征及發展趨勢[J].中國海洋平臺，2006，21（5）：1-6.

Experimentalstudyon sealring ofliquid swivelfor single point mooring system

XIONG Qinghai1，MENG Xiangzhi2，LYU Wei1，GAO Qi2，ZHANG Dezhen3
1.DieselMarine Dalian Limited，Dalian 116620，China
2.Schoolof MechanicalEngineering and Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China
3.College of Information Science and Technology，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China

Liquid swivel is one of the key equipment in the single point mooring system.At present，it is all dependent on import，so localization of this equipment has important strategic significance.The seal ring is one of the most important parts of the swivelin single point mooring system.The friction torque of the sealring is one of the important data for the design of the liquid swivel.A special seal ring experimentalmachine and hydraulic oilsupply system were developed.The friction torques of the seal ring sample were tested under 19 hydraulic pressures.Variation law of the friction torque，which changes with the oil temperature and pressure was researched.The fitting equation of friction torque-oil pressure curves for the sealring and the calculation method of the rotary torque of the swivel seal ring were presented by MATLAB.The key data were provided for the product design of the swivel.

single point mooring system；liquid swivel；sealring；experimentalstudy

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.004

熊清海（1985-），男，四川資陽人，工程師，2013年畢業于中國石油大學，現主要從事機械設計制造和海洋石油工程裝備方向的研究工作。Email：xiongqinghai@cosco-shipyard.com

2016-11-14