圓筒型FPSO液壓儀表管串油關鍵技術研究

胡瑾華，白保衛，譚曉光

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東青島 266520）

多點系泊式圓筒型海上油氣生產儲卸平臺（FPSO）創新地采用了圓形船體結構，相較于傳統船型FPSO，其具有更好的抗風浪和定位能力。某英國北海圓筒型FPSO是公司歷年來承攬建造的首艘圓形FPSO項目，采用了挪威Sevan Marine公司的Sevan 400圓筒型概念設計，其穩定性通過船體雙層底下部的壓載水艙壓排載控制，壓載水艙又通過船體中心井內的液壓開關閥調節進水，液壓開關閥通過儀表管與上部液壓動力單元（HPU）連接，因此，確保液壓動力系統工作的可靠和穩定性對于整個FPSO的投產運行至關重要。

液壓動力系統中，液壓儀表管是串聯各個工作單元的重要組成部分，由于生產、儲存、切割組裝過程中，儀表管內部會存在較多雜質，進入到油液中的各種顆粒污染物會導致液壓元件中出現阻尼小孔或節流小孔堵塞引起元器件失靈等問題，進而影響整個液壓系統的正常工作。儀表管串油的目的就是利用串油介質反復串洗儀表管內部，將雜質清除，以保證其連接的液壓設備元器件能夠正常運行。

1 液壓動力系統組成

圓筒型FPSO包含下部圓形浮筒式船體、上部生產工藝模塊及生活樓，船體與上部模塊通過船體上方主甲板分開。船艙底部中心井的液壓開關閥通過主甲板上方的HPU（液壓動力單元）模塊連接的儀表管驅動控制閥門開關。儀表管路徑通常設計從艙底匯集后通過托架集中布置貫穿上方主甲板，從主甲板穿出后上升并下掛于工藝甲板（高于主甲板6m）下再下行連接到HPU模塊。液壓動力系統組成如圖1～圖2 所示。

圖1 液壓動力系統組成

圖2 S2 MX 46油品黏度曲線

2 儀表管串油方案

FPSO下船體為塢內建造，建造完成后需要出塢完成所有上部模塊的集成安裝，出塢后，船體中心井會壓載進水，此時無法再進行儀表管的串油作業，因此船體內儀表管串油必須在塢內建造階段完成。然而，由于上部模塊在塢內建造階段無法全部吊裝上船，下掛于上部模塊底層的儀表管托架無法就位，造成主甲板上方部分儀表管無法安裝。因此，上述液壓系統無法完成整體串油，此時通常設置儀表管連接分割點為主甲板上方位置，上下分開串油后再進行連接，連接后無法再進行整體串油。

另外，串油介質須選擇與設計使用的油品一致，串油前需完成儀表管試壓，以確保儀表管連接無泄漏。試壓介質通常選擇跟串油介質一樣的油品或不含氯離子的純凈水，勿使用氮氣等惰性氣體，避免船艙內密閉空間窒息風險，試壓壓力通常為儀表管設計壓力的1.5倍。

3 雷諾數Re設定

儀表管串油的一個關鍵因素為設定合理的雷諾數，雷諾數是一種可用來表征流體流動情況的無量綱數，是流動流體的慣性力與黏滯力之比，以Re表示。流體在管道內的流動狀態通常分為層流、紊流（湍流）、過渡狀態（介于層流和紊流之間）。層流，即流體質點僅沿著與管軸平行的方向作直線運動，質點無徑向脈動，質點之間互不混合；紊流（或湍流），即流體質點除了沿管軸方向向前運動外，還有徑向脈動，各質點的速度在大小和方向上都隨時變化，質點互相碰撞和混合。雷諾數小，意味著流體流動時各質點間的黏性力占主要地位，流體各質點平行于管路內壁有規則地流動，呈層流流動狀態。雷諾數大，意味著慣性力占主要地位，流體呈紊流（也稱湍流）流動狀態，一般管道雷諾數Re＜2 000為層流狀態，Re＞4 000為紊流狀態，Re=2 000～4 000為過渡狀態。

綜上，只有串油介質在管道內呈紊流狀態，油體質點徑向脈動，沖刷管壁，才能達到串油清潔效果。因此，儀表管串油時雷諾數需設定為Re＞4 000。

4 油溫控制

雷諾數Re的基本計算公式為：

其中v=4Q/(π×d2)，換算后，

上述公式中，Q為泵流量，ρ代表流體密度，d為管內徑，μ為流體黏度。

串油過程中，管內徑d和流體密度ρ保持不變，因此影響雷諾數Re的主要參數為黏度μ（隨溫度T變化）和泵流量Q。其中泵流量Q與串油設備的設定壓力有關，壓力越大，流量越大；工程實踐中，串油設備的壓力一般設置為正常的操作壓力，不會有較大幅度的改變，即泵流量Q通常保持不變。因此，雷諾數Re主要通過控制溫度T調節黏度μ設定。設置Q=35L/min（串油設備正常工況），儀表管內徑d=8mm，計算油溫為40℃和60℃時，其雷諾數Re分別為1 774和4 080，如表1所示。鑒于此，此工況下串油溫度應控制在60℃以上，而考慮串油設備的加熱能力有限，溫度不宜過高，通常對于此種油品的串油油溫需控制為60～75℃。

表1 油溫40℃和60℃的雷諾數Re計算

5 檢驗標準

多次取樣分析串油介質清潔度NAS等級來判斷串油結果是否達標。NAS是美國航天學會制定的清潔度等級標準，通常以NAS 6清潔標準作為儀表管串油結果的檢驗標準，即儀表管內微小粒子的比例符合，如表2所示。

表2 NAS 6顆粒物標準

需要注意的是，如果Re數設定值小于4 000時，此時串油流體處于層流或過渡狀態，油體質點只做直線運動或只有少量的徑向脈動，無法起到沖刷管壁的作用，此時取樣測量的油體也可能滿足NAS標準，但實際不符合串洗要求，串油結果不可認定為合格。

6 結數語

圓筒型FPSO液壓系統儀表管串油相較于傳統海洋工程項目有其自身的特點，串油方案制定時需要考慮其結構物特點和具體的建造工序。串油油溫不能單純地根據經驗設定和判斷，需要有理論支持和計算依據，否則可能達不到串油效果。國內圓筒型FPSO建造屈指可數，施工可供借鑒的經驗甚少，以上所述儀表管串油關鍵技術望為后續類似項目提供有效的技術指導。