单点系泊系统液体旋转接头密封圈实验研究

熊清海，孟祥志，吕伟，高奇，张德珍

1.大连迪施船机有限公司，辽宁大连116620

2.东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳110819

3.大连海事大学信息科学技术学院，辽宁大连116026

单点系泊系统液体旋转接头密封圈实验研究

熊清海1，孟祥志2，吕伟1，高奇1，张德珍3

1.大连迪施船机有限公司，辽宁大连116620

2.东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳110819

3.大连海事大学信息科学技术学院，辽宁大连116026

液体旋转接头是单点系泊系统中的关键设备，目前全部依赖进口，它的国产化具有重要的战略意义。密封圈是液体旋转接头最重要的部件之一，密封圈的摩擦扭矩是液体旋转接头设计所需要的关键数据。研制了专门的密封圈实验机和液压油供油系统，利用该实验机对单点系泊系统液体旋转接头的密封圈在19种油压下的摩擦扭矩进行了实验测试，得到了密封圈的摩擦扭矩随液压油温度和压力变化的规律，利用MATLAB软件得到了密封圈摩擦扭矩-油压曲线的拟合方程和液体旋转接头密封圈旋转扭矩的计算方法，为液体旋转接头的产品设计提供了关键数据。

单点系泊系统；液体旋转接头；密封圈；实验研究

海洋油气装备制造业是国家战略性新兴产业的重要组成部分，是高端装备制造业的重点发展方向[1]。单点系泊系统是海洋油气工程领域的关键装备之一，目前已经在我国各海域油田中得到大量应用。高压多通道液体旋转接头是单点系泊系统中的关键部件，目前全部依赖进口，价格昂贵，且供货周期长，因此自主研发液体旋转接头具有重要的战略意义。密封圈是整个液体旋转接头最重要的部件之一，它对旋转接头的可靠性、耐久性和安全性具有关键性的影响，也是国内外旋转接头研制方面最主要的差距所在。本文利用自主研制的小样密封圈扭矩实验机对液体旋转接头中的密封圈性能进行了实验研究，获得了关键的技术数据，为液体旋转接头的自主研发奠定了基础。

1 单点系泊系统液体旋转接头

单点系泊是指海洋工程船舶通过单点形式系泊在另一个固定式或浮式结构物上，船舶围绕该结构物可以随风浪流作360°回转，由于风标效应，被系泊船舶将会停泊在环境力最小的方位上[2]。对海洋油气开采来说，它还必须具有流体输转功能。如图1所示为内转塔式单点系泊系统，位于储油驳船（FPSO）中的旋转接头是单点系泊系统的关键设备。旋转接头由若干滑环、堆栈构成（如图2所示），具有输转油、气、水、电等功能[3-5]。

液体旋转接头的结构如图3所示，输油管直接与系泊点的水下输油立管相连，内环固定于驳船船身，外环相对于内环可360°回转。内外环接合面上设置若干密封圈，用来保证输转液、气时不产生泄漏。为了提高装置的密封效果，在两道密封圈之间添加高压液压油，形成高压油密封系统。高压油的压力将随着输送腔内压力的变化而实时变化，液体旋转接头因密封圈产生的摩擦扭矩也随之变化。在液体旋转接头设计时弄清楚密封圈摩擦扭矩的变化规律对液体旋转接头的外部支承、驱动系统的强度和疲劳计算具有重要意义。

图1 内转塔式单点系泊系统主要示意

图2 液体旋转接头堆栈

图3 旋转接头结构

2 实验装置及实验方案

设计的液体旋转接头密封圈结构如图4所示，它由唇形密封圈、背压环和蓄能弹簧等三部分组成。唇形密封圈由PTFE+石墨+碳纤维等混合烧结而成，背压环用来防止唇形密封圈因受压挤出咬唇而破坏，蓄能弹簧材质为INCONEL 718，具有良好的回弹和耐腐蚀性，使唇形密封圈在受压下可保持稳定，并使密封唇口产生预紧力，从而达到良好的密封性。

图4 密封圈截面

为了研究密封圈的摩擦扭矩变化规律及密封性能，作者研制了小样密封圈扭矩实验机，其结构如图5所示。

图5 小样密封圈实验机结构

实验机的内环2可绕轴3转动，内环和外环6之间的空腔内充满液压油，二者间由两个唇型弹簧蓄能密封圈4密封，外环利用两个外环定位套杯1对其进行轴向和周向定位，定位套杯本身利用箱体轴承座孔定位，每个定位套杯通过4个内六角螺钉与箱体连接使之固定，而每个定位套杯与外环之间靠4个螺钉连接，从而限制外环的转动。实验机顶部外环上开有两个油孔，用于连接高压油密封系统。实验时，通过扭矩传感器测量轴和内环转动时的扭矩，此扭矩即为密封圈的旋转扭矩。

压力油系统的液压原理如图6所示。齿轮泵将油箱中的液压油泵入实验机内、外环之间的空腔，当回油口处的截止阀2关闭后，通过调节可调溢流阀来慢慢改变实验机供油压力。供油压力值通过回油口处的压力表读取。油箱中的油温通过油箱处的温度表来测量。

图6 压力油系统液压原理

实验系统布置如图7所示。

图7 实验现场

主电机采用YVP225S-50-B型变频调速三相异步电机，额定功率为37 kW，调速范围为0～3 000 r/min。摆线减速机采用摆线针轮减速器，传动比为29。扭矩传感器采用JC2C型转矩转速传感器，扭矩量程为0～1 000 N·m，工作转速为0～4 000 r/min。测试系统采用湘仪动力测试仪器有限公司生产的JW-3扭矩仪。

3 实验结果

实验时，先把油压调整到一定压力后，记录扭矩传感器的扭矩值和油箱油温。小样密封圈实验机的轴转速设定为1.0 r/min。在设定的油压下运转1 h，每隔3 min记录一次数据。实验油压分别为0、0.5、1.0、1.5、……、8.5、9.0 MPa共19个压力，每个压力做4轮实验。图8～10分别为0、4.0和9.0 MPa油压下，小样密封圈的扭矩-油温测试曲线结果。

图8 油压0 MPa下的扭矩-油温测试曲线

图9 油压4.0 MPa下的扭矩-油温测试曲线

当油箱油温为25℃时，各压力下的小样密封圈扭矩最大值和平均值的试验曲线如图11所示。

利用MATLAB软件得到两条曲线的拟合方程，其中平均值扭矩-压力曲线拟合方程为：

最大值扭矩-压力曲线拟合方程为：

式中：P为液压油压，MPa；T为密封圈的摩擦扭矩，N·m。

内转塔式单点系泊系统液体旋转接头的密封圈布置如图3所示，上部的第一和第二道密封圈空腔内充满高压油，形成高压油密封系统来提高密封件的密封效果。

根据图9实验结果和式（1）、（2），可以计算单点系泊系统旋转接头液滑环密封圈在不同油压下的扭矩值。当高压油系统油压为k MPa时，计算公式为：

式中：Tk为当油压为k MPa时，旋转接头液滑环密封圈的扭矩值，N·m；Tk小样为油压k MPa时，小样密封圈的扭矩实测值，N·m；mk为油压k MPa时，旋转接头液滑环密封圈的圈数；D为旋转接头液滑环密封圈的内径，mm；mk小样为油压k MPa时，小样密封圈的圈数；D小样为小样密封圈的内径，mm。

当各道密封圈之间的油压有n个压力时，所有密封圈的总摩擦阻力矩为：

图10 油压9.0 MPa下的扭矩-油温测试曲线

图11 25℃时的扭矩-油压曲线

4 结论

为了研究内转塔式单点系泊系统旋转接头液滑环密封圈的旋转扭矩和密封性能，研制了专门的小样密封圈实验机及压力供油系统。对16种供油压力下的密封圈旋转扭矩进行了实验研究，得到了小样密封圈扭矩-油温曲线和扭矩-油压曲线。得到了扭矩-油压曲线的拟合方程和旋转接头液滑环密封圈旋转扭矩的计算方法，验证了弹簧蓄能密封圈的密封可靠性，为液体旋转接头的研制提供了数据支持。

[1]刘生法.内转塔式单点系泊系统介绍[J].广东造船，2014（2）：25-28.

[2]刘生法.单点系泊系统关键技术探讨[J].中国海洋平台，2012，27（1）：39-43.

[3]宋志鹏，郑绍春.浮式生产储油卸油船多通道流体旋转接头性能分析[J].船海工程，2010，39（4）：53-57.

[4]孙见君，顾伯勤，魏龙.在役机械密封端面摩擦扭矩的测量与控制[J].石油机械，2005，33（3）：59-61.

[5]刘志刚，何炎平.FPSO转塔系泊系统的技术特征及发展趋势[J].中国海洋平台，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，四川资阳人，工程师，2013年毕业于中国石油大学，现主要从事机械设计制造和海洋石油工程装备方向的研究工作。Email：xiongqinghai@cosco-shipyard.com

2016-11-14