FPSO單點在役滑環密封更換技術的 研究與實踐

胡　雙　劉　震　呂士濟　張　盛　唐　坤

1.海洋石油工程股份有限公司,　天津　300461; 2.中海石油(中國)有限公司天津分公司,　天津　300459

0　前言

渤海海域某油氣田FPSO單點滑環堆棧第三層6″(1″=25.4 mm)氣液滑環,承擔FPSO與平臺之間天然氣/原油介質的混輸。2016年12月,該滑環底部測漏系統的重油罐中發現大量原油,說明滑環底部第一道主密封已失效,滑環正常運行的密封功能僅靠第二道輔密封作用,隨著滑環長時間不間斷運行,第二道輔密封隨時有可能失效,造成原油泄漏、海洋環境污染的嚴重后果。為排除隱患,減少損失,油田生產方擬實施在役滑環的密封更換作業。

目前,在役滑環密封更換技術僅僅由少數國外滑環生產廠家所掌握,國內對在役滑環密封更換研究較少,究其原因滑環屬進口專利設備,相關技術標準及規范均為國外廠家制定,同時在滑環安裝、維修領域,國外廠家執行苛刻的技術封鎖。針對在役滑環的密封更換作業,國外廠家通常將FPSO限位作為標準施工程序,但在項目實踐上執行該程序存在管理界面多、協調難度大,施工復雜、風險高、易受天氣影響等缺點,造成油田停產時間不確定因素較多[1-2]。

本文以某油氣田FPSO單點滑環密封更換項目為依托,對在役滑環在FPSO非限位狀態下實施密封更換進行可行性研究,提出滑環驅動臂分離加倒鏈旋轉方案,并與FPSO限位方案進行對比分析。在FPSO非限位狀態下,對滑環驅動臂分離、密封支撐環拆裝、O型圈切割與粘貼、倒鏈旋轉實施滑環完整泄漏性試驗進行合理化方案設計。通過項目實踐,論述在役滑環密封更換施工流程及關鍵工序的施工方法。該項目于2017年9月成功完成海上施工,所形成的FPSO非限位狀態下在役滑環密封更換標準施工流程，可為今后類似單點滑環維修工程提供借鑒和指導。

1　FPSO單點滑環密封系統

某油氣田FPSO單點滑環堆棧由電滑環和不同規格的液滑環層疊組成,見圖1。滑環運動機理是FPSO在環境外力(風、浪、流)作用下繞單點做無規則的往復轉動,帶動單點外框架轉動,外框架連接滑環驅動臂,在驅動臂的作用下滑環外環隨外框架一起轉動,而滑環內環與輸送油氣介質的固定立管相連,這樣滑環內滑與外環之間產生相對運動[3-4]。

滑環腔體內的密封元件作為密封關鍵材料,用以保證滑環運行時,輸送的油氣介質不發生泄漏。滑環密封系統由頂部密封和底部密封構成,而頂部和底部密封又由主輔兩道密封構成,見圖2。主輔兩道密封的優點在于第一道主密封失效后,第二道輔密封起介質密封的作用,維持滑環正常運行功能。

圖1　FPSO單點滑環堆棧及驅動系統

圖2　滑環密封系統

滑環主輔兩道密封均采用彈簧蓄能密封圈,該密封圈由承壓環、金屬蓄能彈簧、密封夾套及背圈組成[5-6],結構見圖3。

某油氣田FPSO單點滑環堆棧第三層6″氣液滑環底部第一道主密封失效引起的安全隱患,影響了油田的正常生產。為排除隱患,確保油田的正常生產,油田生產方擬對滑環底部主輔兩道密封及O型圈進行海上拆卸更換,并對拆卸下的密封進行失效原因分析。

圖3　彈簧蓄能密封圈

2　FPSO非限位狀態下滑環密封更換可行性分析

要實施滑環底部主輔兩道密封更換,需保證滑環外環與內環無相對運動,國外廠家將FPSO限位作為在役滑環密封更換作業的標準施工程序,有兩方面目的:

1)通過大馬力拖輪對FPSO限位,將FPSO的運動限制在特定區域的特定位置,保持滑環外環與內環相對靜止[7-8],以便實施在役滑環密封更換作業。

2)在完成滑環主輔兩道密封更換后,大馬力拖輪帶動FPSO順時針或逆時針360°旋轉,用于對滑環進行完整泄漏性試驗[9-10],檢驗滑環的密封性能。

FPSO限位方案對天氣窗口條件要求嚴格,對人員經驗能力要求較高,同時需足夠馬力的拖輪對FPSO進行長時間限位。針對采用拖輪對FPSO限位實施在役滑環密封更換的目的,從以下兩方面開展FPSO非限位狀態下實施在役滑環密封更換的可行性分析。

1)不采用大馬力拖輪對FPSO限位,在實施滑環密封更換前,將滑環驅動臂與單點外框架及滑環外環分離,即通過拆卸滑環驅動臂,切斷單點外框架傳遞至滑環外環的轉動路徑,解除滑環外環旋轉,使滑環外環與內環相對靜止,待完成密封更換及滑環調試后,恢復安裝滑環驅動臂。

2)在滑環驅動臂分離狀態下,選擇滑環本體外環上的吊點作為受力點,利用倒鏈和吊帶控制滑環外環旋轉,用以實施滑環完整泄漏性試驗。

由此可見,采用滑環驅動臂分離加倒鏈旋轉兩個分步驟完全可替代FPSO限位帶來的效果,在FPSO非限位狀態下實施在役滑環密封更換是可行的。

3　FPSO非限位和限位狀態下滑環密封更換對比

在FPSO非限位狀態下實施滑環密封更換可行的基礎上,從天氣要求、停產工期、資源投入、施工特點等角度,對在役滑環在FPSO非限位和限位狀態下實施密封更換進行對比分析,見表1。

表1FPSO非限位和限位狀態下實施密封更換對比

序號對比內容FPSO非限位方案FPSO限位方案1天氣要求在滑環驅動臂分離時,需滿足風速≤6級、平潮期內施工要求;滑環驅動臂分離后不受天氣影響需滿足風速≤6級、浪高≤1.5 m的窗口要求,限位期間易受天氣條件制約2停產工期停產時間3～4 d停產時間7～10 d3資源投入僅需投入少量人工、倒鏈、吊帶等工具資源,資源投入少,費用低需投入大馬力拖輪、限位指揮、定位及氣象等多種服務,資源投入較多,費用高4施工特點不需協調船舶,不受天氣影響,施工相對靈活;滑環外環與內環相對靜止,不會有小角度轉動,便于施工;采用倒鏈旋轉滑環外環需不斷更換受力點;滑環外環與內環雖相對靜止,但單點外框架仍旋轉,需設專人監護FPSO限位準備時間長,協調主體多,易受天氣影響,施工靈活性不強;滑環外環與內環仍有小角度位移,操作難度大;滑環外環旋轉360°較容易實現;滑環內外環及單點外框架相對靜止,不需設專人監護

由表1可知，FPSO非限位方案具有較好的經濟性、安全性、施工靈活性等優點,尤其是施工不受天氣影響，停產時間短，不僅節省拖輪資源,還規避FPSO限位帶來的風險,但在實施滑環完整泄漏性試驗上,倒鏈需多次變換掛接受力點,施工較繁瑣。綜合考慮,FPSO非限位方案優于FPSO限位方案。

4　在役滑環密封更換方案設計

在役滑環在FPSO非限位狀態下實施密封更換的關鍵是分離滑環驅動臂,使滑環外環與內環保持相對靜止。如何在單點外框架旋轉的情況下,安全有效地分離驅動臂,并保證后續密封更換施工順利進行,需對在役滑環密封更換方案進行合理化設計[11]。

4.1　滑環驅動臂分離設計

滑環驅動臂呈類似三角形狀,外側兩端面與單點外框架呈5°傾角通過法蘭連接,內側與滑環外環開放式卡槽通過銷軸連接,滑環驅動臂連接形式見圖4。分離滑環驅動臂的難點在于單點外框架做無規則轉動,滑環驅動臂處于受力狀態,如何拆卸法蘭受力螺栓是關鍵。

圖4　滑環驅動臂連接形式

分離滑環驅動臂的思路是在風速不大于6級,平潮期的海況條件下,即FPSO在環境外力影響下,運動相對平緩時,實施滑環驅動臂的分離。借助倒鏈和吊帶索具,將滑環驅動臂懸空固定后,先預松滑環驅動臂外側兩端法蘭螺栓,將易拆卸的螺栓先拆卸,同時拆卸法蘭盤之間的調整間隙片,使滑環驅動臂有少量間隙活動空間,隨著螺栓的減少,不斷拉緊和調整倒鏈的受力,使滑環驅動臂的重量逐漸落在倒鏈上,再逐步拆卸剩余的法蘭螺栓,完成滑環驅動臂的分離。滑環驅動臂分離后,應特別注意單點外框架的旋轉狀態,注意旋轉部分與固定部分的交接點,人員站位及設備布置應合理,且應安排專人監護。

4.2　滑環密封支撐環拆裝設計

滑環底部主副兩道密封及O型圈均固定安裝在滑環密封支撐環上,更換密封及O型圈首先需將密封支撐環拆卸,拆裝滑環密封支撐環的質量將影響密封更換施工的質量,在密封支撐環拆裝方案設計時,應保證密封支撐環下降或上升的高度時刻相等,不等的下降速度或不均的下降或上升高度會造成滑環密封損傷的嚴重后果。

滑環密封支撐環的拆裝需用到拆裝輔助工具,見表2。其中頂絲的作用將密封支撐環頂開,引導銷用于引導支撐環的下降,全螺紋長攻絲用于控制支撐環下降或上升的速度。

表2滑環密封支撐環拆裝輔助工具

序號名稱規格數量單位A 1頂絲M 20×3003根A 2全螺紋長攻絲M 24×4353條A 3引導銷M 243條

拆裝輔助工具的設計安裝位置見圖5,頂絲、全螺紋長攻絲及引導銷呈圓周120°均分布置。

圖5　拆裝輔助工具的布置

4.3　O型圈切割與粘貼設計

O型圈作為滑環密封的關鍵材料,其徑向或軸向預壓縮賦予O型圈自身的初始能力,隨著工作介質壓力的提高使其變形并增大其密封效果[12]。O型圈的切割與粘貼在現場完成,粘貼方式有熱硫化焊接和專用膠粘貼兩種,熱硫化焊接需用到專用焊接設備,經硫化處理的O型圈粘貼質量好,適用于高溫、高壓環境,但費用較高。

斷面截面積是保證O型圈粘貼牢固的重要參數,傳統直切的方式,因截面小粘貼效果不佳。鑒于此,專門設計了O型圈斜切工具,見圖6。該工具由200 mm×130 mm×50 mm的不銹鋼板制成,可以斜切Φ 5.33 mm、Φ 6.99 mm和Φ 6 mm三種規格的O型圈,具有切口截面平整光滑、面積大、粘貼效果好等優點。

圖6　O型圈切割工具

4.4　倒鏈旋轉設計

在滑環密封更換完成后,需對滑環底部更換的第一道主密封進行完整性泄漏動態試驗,以檢驗主密封在旋轉狀態下的密封性能。倒鏈旋轉設計見圖7。

圖7　倒鏈旋轉滑環外環

在滑環外框架4個角位置分別布置1根5 t倒鏈及吊帶,連接其中1個吊點,在倒鏈的作用下帶動滑環外環旋轉,當達到合適位置時,解掉此處倒鏈,連接其他吊點,繼續保證滑環外環旋轉。采用倒鏈旋轉的特點是滑環旋轉不連續,需要根據滑環旋轉的角度,多次拆卸或掛接倒鏈。

5　項目應用與效果評價

5.1　施工流程

在役滑環FPSO非限位狀態下密封更換施工包括前期準備和停產施工兩部分工作,施工流程見圖8。

圖8　FPSO非限位狀態下密封更換施工流程

應充分重視停產施工前的前期準備工作,因為這將影響到后期滑環密封更換施工是否能順利實施。

5.1.1密封支撐環的拆裝

密封支撐環的拆裝施工在滑環驅動臂分離后進行,主要步驟如下:

1)拆除沿圓周120°均布在A 3位置的3條雙頭螺栓,安裝3個引導銷。

2)拆除沿圓周120°均布在A 2位置的3條雙頭螺栓,安裝帶有六角螺母、止推軸承、墊片的全螺紋長攻絲。

3)在沿圓周120°均布的A 1位置處安裝3根頂絲,同時拆除其他剩余的雙頭螺栓。

4) A 1位置處的3根頂絲同時向上旋轉頂升,使密封支撐環均勻下降,下降過程中使用游標卡尺時刻同時測量下降空間,保證每時每刻下降的空間長度相等。

5)當密封支撐環的下降高度達到150～200 mm時,停止下降,即可進行主輔兩道密封的拆裝與更換作業,見圖9。

a)密封支撐環未分離前　　　　　　b) 密封支撐環分離后

c)實物照片圖9　密封支撐環分離

滑環密封更換完成后,按照拆裝逆工序回裝密封支撐環,為保證新安裝的密封回裝過程中不受損傷,應按照螺紋絲扣數逐步邊測量邊回裝,始終保證密封支撐環水平。

5.1.2主輔兩道密封及O型圈的拆裝

密封支撐環下降到可拆卸的高度后,使用橡膠專用工具將主輔兩道密封及O型圈從溝槽中分離,妥善保管,以便進行后續密封失效分析。

檢查密封及O型圈溝槽表面,并用干凈抹布蘸柴油擦拭清潔,使其表面恢復金屬光澤,主輔密封及O型圈安裝步驟如下:

1)檢查已粘貼好的O型圈,確認表面無損傷、粘貼面光滑后放入O型圈溝槽,壓緊壓實。

2)用干凈的壓縮空氣吹掃密封溝槽,并檢查密封溝槽表面,確認無損傷。

3)往主輔兩道密封溝槽中涂抹專用潤滑脂。

4)在安裝密封前,檢查主輔兩道密封表面,確認表面光滑,無損傷。

5)用熱風槍對主輔兩道密封進行吹掃,使其軟化易放入溝槽中。

6)主輔兩道密封放入溝槽后,在密封表面涂抹專用潤滑脂，見圖10。

圖10　主輔密封及O型圈的安裝

5.1.3滑環完整性泄漏試驗

滑環完整性泄漏試驗是檢驗滑環密封功能達到正常要求的關鍵步驟,必須高度重視,滑環完整性泄漏試驗包括第一道主密封靜態/動態試驗和第二道輔密封靜態試驗兩部分內容[13-14]。

5.1.3.1　第一道主密封靜態/動態試驗

第一道主密封靜態/動態試驗用于檢驗主密封的功能性能,實施參數見表3。

表3第一道主密封靜態/動態試驗實施參數

試驗對象第一道主密封靜態試驗第一道主密封動態試驗滑環腔體壓力/MPa6.66.6第二道密封壓力/MPa00穩壓時間/h0.5旋轉時間應大于1 h(倒鏈實施旋轉1圈)記錄數據壓力滑環泄漏口的量筒測量泄漏率壓力滑環泄漏口的量筒測量泄漏率

5.1.3.2　第二道輔密封靜態試驗

第二道輔密封靜態試驗用于檢驗輔密封的功能性能,實施參數見表4。

表4第二道輔密封靜態試驗實施參數

試驗對象第二道輔密封靜態試驗滑環腔體壓力/MPa6.6第二道密封壓力/MPa4.6穩壓時間/h1記錄數據壓力

從滑環內外環間隙底部觀察是否有重油溢出,判斷靜態試驗是否合格,最終試驗成果由業主和施工方雙方共同確認并現場簽字驗收。

5.2　效果評價

2017年9月底,某油氣田FPSO單點滑環堆棧第三層6”滑環底部密封完成海上更換施工,通過對滑環驅動臂分離設計、密封支撐環拆裝設計、O型圈切割與粘貼設計、倒鏈旋轉設計等方法成功解決了滑環內外環相對靜止、密封支撐環拆裝要求高、O型圈切割粘貼難度大、空間狹小試驗難度大等施工難題,在施工前期準備充分的情況下,將原計劃78 h的停產時間縮短至67.5 h完成,大大縮短了施工工期和節省了船舶資源,整個項目的質量、進度、安全管理滿足業主要求。

6　結論

通過對在役滑環在FPSO非限位狀態下實施密封更換的可行性研究,提出了滑環驅動臂加倒鏈旋轉的創新設計方案,成功實施了在役滑環密封更換安裝。實踐證明,在FPSO非限位狀態下,實施在役滑環的密封更換是可行的,與FPSO限位方案相比,FPSO非限位方案具有風險低、費用少、施工簡單、可操作性強等優點。滑環FPSO非限位狀態下在役滑環密封更換技術在項目上解決了管理界面多,密封圈安裝控制精度高、停產時間長等問題,可以安全、高效地實施滑環密封更換作業，同時該技術打破了國外公司的技術壟斷,擺脫了對國外公司的依賴,有效降低了施工成本,對今后類似滑環密封更換項目具有借鑒意義。