FPSO外输软管紧急脱开装置设计计算

王 丹，赵会军，余 捷

(中海油能源发展采油服务公司 技术中心，天津 300452)



FPSO外输软管紧急脱开装置设计计算

王 丹，赵会军，余 捷

(中海油能源发展采油服务公司 技术中心，天津 300452)

针对外输软管将原油外输期间，输油软管会受到海浪作用发生摆动，存在断裂导致原油大量泄漏的风险问题，研制紧急脱开装置保护外输软管，分析紧急脱开装置工作原理，完成其阀体壁厚、装置的流量系数、密封比压及致断螺栓设计，为实现装置国产化提供参考。

FPSO；外输软管；紧急脱开装置

海洋油气勘探开发在世界能源开发中的地位逐渐凸显，浮式生产储油卸油系统(floating production storage and offloading system，FPSO)作为海洋石油开发中的关键装备，其作用是将井口采出的原油进行油气水分离，并储存合格的原油，然后由穿梭油轮将原油运输回陆地[1]。FPSO储存的原油通过外输软管输送至穿梭油船，多条输油软管通过法兰连接起来。外输软管漂浮于海上，随着波浪不断摆动，一旦受力过大发生断裂，会造成大面积的原油泄漏。因此，需在外输软管上加上一个紧急脱开装置，以防止FPSO进行输油作业时外输软管意外断裂造成的原油泄漏事故[2-3]。

紧急脱开装置也叫破断节(marine breakaway couplings)，与陆上用的拉断阀[4]原理一致。该装置是在危险发生时确保触发、瞬间闭合阀门、极少的滴漏和相对小的压力损失。紧急脱开装置的要求是自动、可靠、快速脱离，并且保证常规操作无动作。

紧急脱开装置种类多样，一般由2个弹簧力关闭的单向阀组成，见图1。按照脱开原理可以分为：致断螺栓型和钢索拽拉型紧急脱开装置；按照阀门的关闭形式，分为推动型、翻转型、阀瓣型紧急脱开装置。针对推动型的致断螺栓脱开装置进行装置的原理分析及设计计算。

图1 紧急脱开装置结构

1 紧急脱开装置原理

紧急脱开装置结构简单，对推动型的致断螺栓脱开装置来说，在正常输油时，2个单向阀常开；当发生突发状况时，2单向阀分离，同时阀门在弹簧力作用下立即关闭[5]。

致断螺栓保证了输送软管及连接装置不受意外张力的损伤，这种张力可以是轴向的也可以是非轴向的。在受到紧急超负荷外力时，触发紧急脱开装置，分离的单向阀2个端面内部阀门在瞬间自动关闭，避免原油的泄漏造成环境污染。通过几颗特殊设定的应力致断螺栓保护软管不受损害。注意：该阀的螺栓是一次性的。图2为致断螺栓型脱开装置的作用过程。

图2 致断螺栓型脱开装置原理

阀门的关闭形式以推动型最常用，当致断螺栓断裂后，2个阀芯中间连接部分分开，阀芯在弹簧作用下将推到与阀体接触地方实现密封，弹簧预紧力的设计很关键。密封圈多安装于阀芯上，密封圈采用O型圈，材料的耐油性要好。

2 理论计算

紧急脱开装置实际也是一种阀门，其理论设计计算主要包含阀体壁厚、装置的流量系数、密封比压及致断螺栓设计，其中以后2者的设计最为关键。

2.1 阀体壁厚计算

阀体壁厚的设计可参照文献[6]所用壁厚设计公式。

(1)

式中：p——计算压力，MPa；

Dn——计算内径，mm；

[σ]——许用拉应力，MPa；

C——腐蚀余量，mm，设计给定。

2.2 装置流量系数

阀门的流量系数是衡量阀门流通能力的指标，流量系数越大则代表流体通过阀门时的压力损失越小。紧急脱开装置要求原油外输时尽量降低压力损失，缩短原油外输的时间，降低外输的风险。

流量系数表示流体流经阀门时产生单位压力损失时流体的流量，一般式的流量系数计算如下[6]。

(2)

式中：C——流量系数；

qV——体积流量；

ρ——流体密度；

Δp——阀门的压力损失。

2.3 密封比压计算

紧急脱开装置的2个单向阀要求在致断螺栓断裂时，保证正常的启闭并在关闭时达到密封不泄漏，其中阀门驱动力和密封副密封的合理设计计算是关键。阀门的驱动力是由阀门密封副密封设计计算所决定。阀门能在关闭时达到有效的密封，其密封副密封设计计算是主要环节。阀门密封的副密封，一般采用密封副2平整光滑密封面相互挤压来阻止介质通过，因此密封面上的总作用力及密封比压计算如下[7]。

(3)

式中：QMZ——密封面上总作用力，N；

QMJ——密封面处介质作用力，N；

QM1——弹簧的预紧力，N。

(4)

式中：DMN——密封面内径，mm；

bM——密封面宽度，mm；

p——计算压力，MPa。

(4)

式中：F1——弹簧预加变形量，mm；

G——材料切变模量，MPa；

d——弹簧直径，mm；

Dz——弹簧中径，mm；

n——弹簧有效圈数。

而密封面上的密封比压由下式求得。

(5)

q应满足qMF

2.4 致断螺栓设计

紧急脱开装置的2个单向阀之间靠几个致断螺栓连接，随着外输软管的摇摆，螺栓的受力不断变化，这里分2种情况进行分析计算：①受最大拉力导致断裂；②受循环的脉动载荷导致疲劳破坏。

1)最大拉应力。

(6)

式中：σmax——最大拉应力，MPa；

F——螺栓承受最大拉力，N；

d——螺栓的最小截面直径，mm。

2)疲劳破坏[8]。拉力幅Fa是影响螺栓疲劳强度的最大因素。

(7)

式中：Fa——螺栓的拉力幅；

Fmax——螺栓的拉力最大值；

F0——螺栓的预紧力。

由于拉力幅是主要因素，因此可按应力幅进行螺栓疲劳强度的计算。

(8)

式中：nsa——计算安全系数；

3 结论

由于各种原因，目前紧急脱开装置在国内尚未有厂家生产，全部依赖国外进口(与外输软管一起)。因此，设计出经济性好、可靠性高、安全性好的紧急脱开装置，具有现实意义。

[1] 袁中立,李春.FPSO的现状与关键技术[J].石油工程建设,2005(6):25-29.

[2] 徐慧,张彩莹,罗延生,等.海上漂浮输油软管拉伸与弯曲力学特性[J].油气储运,2012(4):279-282.

[3] 王维相.国内外橡胶软管工业现状和发展趋势[J].橡胶工业,2000(2):117-121.

[4] 王丹,郑晓涛,董海杰,等.FPSO外输软管破断节装置提升安全性[J].石油与装备,2013(52):81-82.

[5] 王伟杰,田永花.紧急关断球阀在海洋石油平台的选型应用[J].阀门,2012(4):22-24.

[6] 陆培文.实用阀门设计手册[M].北京:机械工业出版社,2002.

[7] 陈国顺.阀门密封副密封设计理论及计算方法的分析与研究[J].阀门,2010(3):11-13.

[8] 周志鸿,李静.螺栓疲劳强度计算方法的对比与选择[J].凿岩机械气动工具,2005(4):4-10.

Design of the Emergency Release Device for FPSO Off-loading Hose

WANG Dan, ZHAO Hui jun, YU Jie

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

As the offshore oil processing station, FPSO is responsible for transmitting crude oil to oil tankers by off-loading hoses. During transmission, the hoses will be affected by the waves with the risk of leaking crude oil. The emergency release device is developed to protect the hoses. The working principle of the emergency release device was introduced. The valve body thickness, flow coefficient, the sealing pressure and the breaking bolt were studied in detail which provides reference for equipment nationalization.

FPSO; off-loading hoses; emergency release device

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.016

2016-07-10

中海油总公司项目(C/KJF ETCY 003-2010)

王丹 (1986—)，男，硕士，工程师

U674.38

A

1671-7953(2016)05-0062-03

修回日期：2016-08-10

研究方向:海洋石油装备、设备密封

E-mail:wangdanbulls2008@126.com