浮式生產儲油輪單點滑環的故障處理和狀態監控

蘇佳杰 司軍輝 楊博文 張思宇

（中海石油（中國）有限公司天津公司 天津 300457）

1 概況

邊際小型油田是海洋石油后期開發的重點，而傳統開發模式成本較高，相比之下，使用FPSO 的開發模式是一種經濟和高效模式［1］。FPSO 是海上浮式生產儲油輪，其具備油氣分離、污水處理、天然氣處理等功能，具有能夠多次轉移使用、儲/卸油能力大、能夠在多種海域中使用等優點。

滑環作為浮式生產儲油輪的重要設備，其功能是使各井口平臺的生產流體進入到圍繞單點轉動的浮式生產儲油輪中，滑環也是單點完整性管理中的重要設備。但是，隨著滑環使用年限的增加，滑環出現了密封磨損現象，且趨勢在不斷惡化，有可能造成生產流體滲漏的風險，會嚴重影響現場安全生產，同時對周圍環境也造成了一定威脅。為解決此風險，在2011年9月對滑環進行了整體更換，但新滑環在使用一段時間后密封又出現了滲漏現象，又于2012年2月和2013年10月分兩次對發生滲漏的密封進行了更換，檢維修的費用巨大。通過對故障的滑環密封進行檢查，發現密封故障的主要原因為磨損問題。為解決這個棘手問題，提出了添加重油自動注入系統的方案，通過向滑環H 點注入重油，實現生產流體與密封本體隔離，防止雜質沉淀在滑環密封上，造成密封磨損，同時，重油也起到了潤滑的作用，減緩了對滑環密封的磨損［2］。重油自動注入系統投用使用后，滑環密封部件的故障率明顯降低，有效延長了滑環密封的使用時間，經濟效益可觀，為解決成本高效經濟生產有較大的貢獻，同時也解決了存在的安全和環保風險。

同時，為更好地對滑環的運行狀態進行監控，積累滑環的相關運行參數，以備滑環出現故障時進行分析，以及及時發現滑環不正常的運行狀態，在滑環上安裝了一套滑環運行狀態實時監測系統，此監測系統能夠實現對滑環的擺動、應力、變形等參數進行實時監控［3］。

2 滑環密封結構介紹

目前，使用的液體滑環是由動環和靜環兩部分構成，其中起到密封作用的密封圈放置在動環內，密封圈與靜環的密封面形成多道密封，防止滑環內的流體滲漏。密封圈是由承壓環、密封圈、背圈組成唇形密封組成［4］。

滑環密封中的承壓環為三角形的圓環，其由無磁合金制成，在受到滑環內流體的壓力后，將壓力分解為向密封圈兩側的壓力，使密封圈擴張，貼緊動靜環的密封面，形成兩個密封面，防止流體泄漏。密封圈為一種聚四氟的復合材料，具有良好的耐磨性和自潤滑性，硬度比橡膠O 型圈高。背圈也是一種聚四氟的復合材料，硬度高于密封圈，主要作用是增加密封的剛性［5］。

3 滑環密封故障原因分析

從滑環的歷次故障現象并結合滑環結構進行分析，滑環密封滲漏經常發生在下部密封中的第一道密封處，從滑環密封結構分析中可知，下部第一道密封直接與流體接觸，如果流體中含有較多的雜質，很容易沉積在密封上部及密封面處，長時間存在雜質的情況下，隨著滑環動靜環的運動，很容易造成密封磨損，進而導致密封失效滲漏。為檢驗流體中是否存在雜質，對井口平臺來的流體分時段進行了多次取樣化驗，化驗結果證實流體中確實含有細沙，由于細沙的存在，很可能導致滑環密封面的磨損。

同時，在對滑環密封環更換過程中，在舊密封圈和靜環的密封面上存在很多的碎屑，對碎屑進行材料分析后，證實這些碎屑材料跟密封圈的材料一致，因此，可以判斷碎屑是由于密封圈磨損產生的。根據碎屑的位置進行分析，除了由于流體有雜質造成了密封圈的磨損外，當密封圈與密封面的潤滑不良時，密封圈也會發生磨損，磨損產生的碎屑在滑環運動過程中會進入到滑環的密封面上，也會造成密封泄漏，使密封失效。

因此，判斷造成密封圈密封失效的主要問題是密封圈磨損，而造成的磨損的原因有以下兩個方面：（1）滑環的流體中有雜質；（2）密封圈與密封面的潤滑不良。

4 滑環添加自動注油裝置方案的制定與實施

4.1 新老滑環結構的變化使添加重油自動注入系統成為可能

2011年9月，由于滑環密封和相關部件磨損，導致密封滲漏現象嚴重，對滑環進行了整體的更換，更換后的滑環結構變化較大。

通過新老滑環下部第一道密封上部的結構對比，老滑環下部第一道密封上部直接與流體接觸，很容易造成雜質沉積。而新滑環的結構設計更加合理，新滑環下部第一道密封上部結構通過一個榫槽的結構，有效隔絕了流體與第一道密封的接觸，防止了細微顆粒在第一道密封上的沉積。但是，隨著使用時間的增加，仍然會有細微顆粒沉積在第一道密封的上部，同時，由于缺少潤滑，密封圈同樣也會磨損，使密封產生滲漏。

2012年2月，在滑環更換4個月后，第一道密封再次發生了滲漏，又對第一道密封進行了更換，使用不久，密封再次發生滲漏。根據之前對密封磨損的原因的判斷，為解決密封滲漏問題，通過對新滑環結構的研究，并通過與廠家的充分溝通，決定通過H點對第一道密封的上部進行沖洗作業。通過反復沖洗，將雜質沖洗出來后，使密封恢復了正常工作；同時，在第一道密封上部注入重油后，可以有效防止雜質的沉積，也增加了密封圈與密封面的潤滑，通過實踐證實效果比較明顯，由于新滑環H 點的存在使添加重油自動注入系統成為可能。

4.2 滑環添加自動注油裝置的方案的制定

為保證滑環的正常工作，需要每天人工利用手動液壓泵對滑環H 點進行注重油作業，無形間增加了很大的日常工作量；同時，在大風天氣時，人員無法趕赴現場進行手動注油，將可能無法保證滑環的正常運行。為解決此問題，通過各種論證，提出了為滑環添加自動注油系統的方案，方案的大體設計思路如下。

（1）在滑環所在的平臺上增加一個重油自動注入柜，重油柜使用高壓管線與滑環第一道密封上部的H點連接，定時注入一定量的重油。

（2）通過對滑環結構的研究及與廠家充分溝通，重油的注入時間控制在每隔4h 注入1 次，每次持續2min，以保證注入足量的重油。

（3）為防止注入壓力過大對滑環密封造成損壞，設置了壓力安全閥，設定值為66bar，超壓后，安全閥自動泄壓，防止高壓對密封造成損壞。

（4）由于重油的黏度較高，為保證冬季也能順利注入重油，重油柜內設置加熱器對重油進行加熱，以降低重油的黏度，并通過溫度開關對溫度進行控制。

在H點處注入重油的作用有3個方面：（1）有效防止介質中的雜質沉降到第一道密封圈上部；（2）通過注入大量重油，將雜質從第一道密封圈上部沖洗出來；（3）對密封圈和密封面進行潤滑［6］。

4.3 滑環添加自動注油裝置方案的實施

自動注油系統的方案確定后，前期與廠家進行了溝通，如由廠家進行此系統的設計和施工，價格昂貴，整體價格將近100 萬元，且等待周期很長。為實現降本增效，決定自行設計滑環重油自動注入系統。

通過對滑環工作原理的研究，完成了對滑環重油自動注入系統的設計工作。經過緊張的施工和調試，完成了自動注油系統重油柜的制作，并在最短的時間內完成了自動注油裝置的安裝和調試工作，保證了重油自動注油裝置在最短的時間內投入使用。

4.4 滑環自動注油裝置的優化

滑環重油自動注入系統可以自動定點、定時向滑環的H 點處注入重油，注入重油的量是靠PLC 的時間計時器來控制的，每次注入泵啟動后，就啟動計時器，計時器到達設定值后，泵自動停止，以控制注油量。

但是經過一段時間運行后，通過觀察，發現此套裝置經常出現注入壓力不足時也開始計時的情況，因此就會發生注入重油量不足或者沒有注入重油的情況，會對滑環的正常運行造成影響。

為了保證能夠給滑環H 點注入足量的重油，在泵出口增設了一個壓力開關，當注入壓力低時，計時器不計時，只有當注入壓力達到設定壓力值后（設定值4MPaG），壓力開關動作會給計時器一個觸發信號，計時器才會開始計時，計時器到達設定值之后，停泵。通過一段時間觀察，增設壓力開關后，每次都能保證在正常壓力下向滑環H點注入足夠量的重油，通過優化，保證了滑環的正常工作。

5 滑環監控系統的設計

5.1 滑環運行狀態監控參數的確定

由于沒有相關的資料可供參考，因此，在確定監控滑環的哪些運行參數上存在較大難度。最后，通過討論，決定以故障為導向，倒推滑環的哪些運行狀態異常會造成故障，這些運行狀態的監控參數就是需要監控的參數。目前，滑環可能大概率發生故障為密封滲漏，以此為主導向，對滑環需要監控的運行參數進行確定。

（1）如果滑環在軸向發生傾斜，可能會造成滑環內外環之間產生偏心，進而造成密封圈磨損，因此，滑環軸向傾斜度是需要的監控參數。

（2）如果由于裝配問題造成滑環的內外環之間存在一定的間隙，也會造成滲漏問題，因此，滑環內外環間隙也是需要的監控參數。

（3）滑環如果存在水平的擺動，也可能導致密封滲漏，因此也是需要的監控參數。

（4）在理想工作狀況下，滑環的驅動臂只會對滑環的動環產生一個周向力，使滑環外環進行圓周運動［7］。但是實際工況下，情況比較復雜，在受到外力作用時，可能導致驅動臂對滑環產生一個徑向力和扭轉力，導致滑環產生偏心運動，造成滑環密封滲漏，因此，驅動臂的受力情況也為需要監控參數。

（5）由于對滑環進行維修時未對軸承進行更換，因此，由于軸承的磨損等問題，也有可能造成滑環靜環和動環的間隙變化，因此，同樣需要對軸承的狀態進行監控。

最終確定的監控的參數如下，即滑環的軸向傾斜度、滑環的水平擺動、內外環的間隙、軸承跳動、滑環的跳動及驅動臂的應力。

5.2 傳感器的選擇、安裝與布置

（1）對于滑環的軸向傾斜度的監控，選擇傾角傳感器，需要將傾角傳感器固定在中心主軸上面，以最初的角度為基準，隨后發生的變化量即是滑環的軸向傾斜度。

（2）對滑環的水平擺動的監控，同樣選擇傾角傳感器來測量，需要在滑環的內外環水平位置分別安裝一臺傾角傳感器，通過測量兩臺傾角儀的測量差值，即可知道滑環是否有水平擺動。

（3）對于滑環內外環間隙的測量，將使用高精度激光測距傳感器。滑環每隔90°安裝一個激光測距傳感器，一共安裝4 個傳感器，由于空間空間限制，內環無法安裝傳感器，因此，考慮以內環外壁作為測量點。由于滑環上不可以進行任何熱工作業，為安裝激光位移傳感器，特別設計了專門的夾具，通過磁鐵吸附在滑環上，傳感器安裝在夾具上，實現對間隙的測量。

（4）對于軸承的跳動監控，同樣使用激光位移傳感器，通過螺栓將特制的夾具固定在內環，激光傳感器外伸到外環外部，對外環外壁進行測量，同時安裝加速度傳感器對滑環和軸承的震動進行測量。

（5）對于驅動臂的受力測量：對于力的測量，一般都是通過應變片進行測量，對于滑環是否受到驅動臂的徑向力及扭轉力，同樣也可以通過應變片進行測量。通過測量應變片的阻值變化，即可知道驅動比是否受到外力，并傳遞給滑環，同時，還可以測量出滑環是否受到來自驅動臂的扭轉力。

（6）傳感器夾具的加工和制作：由于滑環結構的特殊性，對于傳感器的安裝造成了一定的困難，因此，需要對傳感器設計特殊的夾具，用于傳感器的安裝，夾具還需要便于傳感器位置的調整。因此，根據現場的實際情況和傳感器形狀，設計和制作了專用的夾具。

5.3 對于內環數據傳送問題的解決

由于滑環內環相對于安裝在系泊支架上的串口服務器接線箱始終處于相對運動狀態，如使用電纜進行連接，電纜會隨著內環和接線箱的相對運動不斷纏繞在滑環上，導致電纜扯斷，因此無法實現數據的有線傳送。為了較為方便、可行地處理這個棘手的問題，通過討論和試驗，決定通過使用無線數據傳送模塊實現內環傳感器的相關數據傳送，通過無線模塊，將測量數據傳送到串口服務器上，再通過串口服務器，將數據傳送給上位機進行處理。經過現場實地測試，方案可行。

5.4 滑環監控系統的項目的實施

（1）根據設計的位置，對各種傳感器進行安裝和固定。

（2）鋪設到接線箱儀表電纜和電源線。

（3）對無線通信裝置及串口服務器進行安裝和調試。

（4）對中控的監控軟件進行通信測試和功能測試。

6 項目實施效果及經濟效益

在滑環重油自動注油系統投入運行后，滑環密封的故障率明顯降低，未出現由于滑環密封磨損或細微沙粒卡阻而造成密封滲漏故障，有效延長了密封的使用時間。同時，通過安裝單點滑環實時監測系統，有效地提高了對滑環運行情況的監控水平，對滑環的相關運行狀態進行整體的實時監控，并對數據進行實時有效分析，有效地保證了滑環的安全穩定運行。