FPSO单点在役滑环密封更换技术的 研究与实践

胡　双　刘　震　吕士济　张　盛　唐　坤

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

0　前言

渤海海域某油气田FPSO单点滑环堆栈第三层6″(1″=25.4 mm)气液滑环,承担FPSO与平台之间天然气/原油介质的混输。2016年12月,该滑环底部测漏系统的重油罐中发现大量原油,说明滑环底部第一道主密封已失效,滑环正常运行的密封功能仅靠第二道辅密封作用,随着滑环长时间不间断运行,第二道辅密封随时有可能失效,造成原油泄漏、海洋环境污染的严重后果。为排除隐患,减少损失,油田生产方拟实施在役滑环的密封更换作业。

目前,在役滑环密封更换技术仅仅由少数国外滑环生产厂家所掌握,国内对在役滑环密封更换研究较少,究其原因滑环属进口专利设备,相关技术标准及规范均为国外厂家制定,同时在滑环安装、维修领域,国外厂家执行苛刻的技术封锁。针对在役滑环的密封更换作业,国外厂家通常将FPSO限位作为标准施工程序,但在项目实践上执行该程序存在管理界面多、协调难度大,施工复杂、风险高、易受天气影响等缺点,造成油田停产时间不确定因素较多[1-2]。

本文以某油气田FPSO单点滑环密封更换项目为依托,对在役滑环在FPSO非限位状态下实施密封更换进行可行性研究,提出滑环驱动臂分离加倒链旋转方案,并与FPSO限位方案进行对比分析。在FPSO非限位状态下,对滑环驱动臂分离、密封支撑环拆装、O型圈切割与粘贴、倒链旋转实施滑环完整泄漏性试验进行合理化方案设计。通过项目实践,论述在役滑环密封更换施工流程及关键工序的施工方法。该项目于2017年9月成功完成海上施工,所形成的FPSO非限位状态下在役滑环密封更换标准施工流程，可为今后类似单点滑环维修工程提供借鉴和指导。

1　FPSO单点滑环密封系统

某油气田FPSO单点滑环堆栈由电滑环和不同规格的液滑环层叠组成,见图1。滑环运动机理是FPSO在环境外力(风、浪、流)作用下绕单点做无规则的往复转动,带动单点外框架转动,外框架连接滑环驱动臂,在驱动臂的作用下滑环外环随外框架一起转动,而滑环内环与输送油气介质的固定立管相连,这样滑环内滑与外环之间产生相对运动[3-4]。

滑环腔体内的密封元件作为密封关键材料,用以保证滑环运行时,输送的油气介质不发生泄漏。滑环密封系统由顶部密封和底部密封构成,而顶部和底部密封又由主辅两道密封构成,见图2。主辅两道密封的优点在于第一道主密封失效后,第二道辅密封起介质密封的作用,维持滑环正常运行功能。

图1　FPSO单点滑环堆栈及驱动系统

图2　滑环密封系统

滑环主辅两道密封均采用弹簧蓄能密封圈,该密封圈由承压环、金属蓄能弹簧、密封夹套及背圈组成[5-6],结构见图3。

某油气田FPSO单点滑环堆栈第三层6″气液滑环底部第一道主密封失效引起的安全隐患,影响了油田的正常生产。为排除隐患,确保油田的正常生产,油田生产方拟对滑环底部主辅两道密封及O型圈进行海上拆卸更换,并对拆卸下的密封进行失效原因分析。

图3　弹簧蓄能密封圈

2　FPSO非限位状态下滑环密封更换可行性分析

要实施滑环底部主辅两道密封更换,需保证滑环外环与内环无相对运动,国外厂家将FPSO限位作为在役滑环密封更换作业的标准施工程序,有两方面目的:

1)通过大马力拖轮对FPSO限位,将FPSO的运动限制在特定区域的特定位置,保持滑环外环与内环相对静止[7-8],以便实施在役滑环密封更换作业。

2)在完成滑环主辅两道密封更换后,大马力拖轮带动FPSO顺时针或逆时针360°旋转,用于对滑环进行完整泄漏性试验[9-10],检验滑环的密封性能。

FPSO限位方案对天气窗口条件要求严格,对人员经验能力要求较高,同时需足够马力的拖轮对FPSO进行长时间限位。针对采用拖轮对FPSO限位实施在役滑环密封更换的目的,从以下两方面开展FPSO非限位状态下实施在役滑环密封更换的可行性分析。

1)不采用大马力拖轮对FPSO限位,在实施滑环密封更换前,将滑环驱动臂与单点外框架及滑环外环分离,即通过拆卸滑环驱动臂,切断单点外框架传递至滑环外环的转动路径,解除滑环外环旋转,使滑环外环与内环相对静止,待完成密封更换及滑环调试后,恢复安装滑环驱动臂。

2)在滑环驱动臂分离状态下,选择滑环本体外环上的吊点作为受力点,利用倒链和吊带控制滑环外环旋转,用以实施滑环完整泄漏性试验。

由此可见,采用滑环驱动臂分离加倒链旋转两个分步骤完全可替代FPSO限位带来的效果,在FPSO非限位状态下实施在役滑环密封更换是可行的。

3　FPSO非限位和限位状态下滑环密封更换对比

在FPSO非限位状态下实施滑环密封更换可行的基础上,从天气要求、停产工期、资源投入、施工特点等角度,对在役滑环在FPSO非限位和限位状态下实施密封更换进行对比分析,见表1。

表1FPSO非限位和限位状态下实施密封更换对比

序号对比内容FPSO非限位方案FPSO限位方案1天气要求在滑环驱动臂分离时,需满足风速≤6级、平潮期内施工要求;滑环驱动臂分离后不受天气影响需满足风速≤6级、浪高≤1.5 m的窗口要求,限位期间易受天气条件制约2停产工期停产时间3～4 d停产时间7～10 d3资源投入仅需投入少量人工、倒链、吊带等工具资源,资源投入少,费用低需投入大马力拖轮、限位指挥、定位及气象等多种服务,资源投入较多,费用高4施工特点不需协调船舶,不受天气影响,施工相对灵活;滑环外环与内环相对静止,不会有小角度转动,便于施工;采用倒链旋转滑环外环需不断更换受力点;滑环外环与内环虽相对静止,但单点外框架仍旋转,需设专人监护FPSO限位准备时间长,协调主体多,易受天气影响,施工灵活性不强;滑环外环与内环仍有小角度位移,操作难度大;滑环外环旋转360°较容易实现;滑环内外环及单点外框架相对静止,不需设专人监护

由表1可知，FPSO非限位方案具有较好的经济性、安全性、施工灵活性等优点,尤其是施工不受天气影响，停产时间短，不仅节省拖轮资源,还规避FPSO限位带来的风险,但在实施滑环完整泄漏性试验上,倒链需多次变换挂接受力点,施工较繁琐。综合考虑,FPSO非限位方案优于FPSO限位方案。

4　在役滑环密封更换方案设计

在役滑环在FPSO非限位状态下实施密封更换的关键是分离滑环驱动臂,使滑环外环与内环保持相对静止。如何在单点外框架旋转的情况下,安全有效地分离驱动臂,并保证后续密封更换施工顺利进行,需对在役滑环密封更换方案进行合理化设计[11]。

4.1　滑环驱动臂分离设计

滑环驱动臂呈类似三角形状,外侧两端面与单点外框架呈5°倾角通过法兰连接,内侧与滑环外环开放式卡槽通过销轴连接,滑环驱动臂连接形式见图4。分离滑环驱动臂的难点在于单点外框架做无规则转动,滑环驱动臂处于受力状态,如何拆卸法兰受力螺栓是关键。

图4　滑环驱动臂连接形式

分离滑环驱动臂的思路是在风速不大于6级,平潮期的海况条件下,即FPSO在环境外力影响下,运动相对平缓时,实施滑环驱动臂的分离。借助倒链和吊带索具,将滑环驱动臂悬空固定后,先预松滑环驱动臂外侧两端法兰螺栓,将易拆卸的螺栓先拆卸,同时拆卸法兰盘之间的调整间隙片,使滑环驱动臂有少量间隙活动空间,随着螺栓的减少,不断拉紧和调整倒链的受力,使滑环驱动臂的重量逐渐落在倒链上,再逐步拆卸剩余的法兰螺栓,完成滑环驱动臂的分离。滑环驱动臂分离后,应特别注意单点外框架的旋转状态,注意旋转部分与固定部分的交接点,人员站位及设备布置应合理,且应安排专人监护。

4.2　滑环密封支撑环拆装设计

滑环底部主副两道密封及O型圈均固定安装在滑环密封支撑环上,更换密封及O型圈首先需将密封支撑环拆卸,拆装滑环密封支撑环的质量将影响密封更换施工的质量,在密封支撑环拆装方案设计时,应保证密封支撑环下降或上升的高度时刻相等,不等的下降速度或不均的下降或上升高度会造成滑环密封损伤的严重后果。

滑环密封支撑环的拆装需用到拆装辅助工具,见表2。其中顶丝的作用将密封支撑环顶开,引导销用于引导支撑环的下降,全螺纹长攻丝用于控制支撑环下降或上升的速度。

表2滑环密封支撑环拆装辅助工具

序号名称规格数量单位A 1顶丝M 20×3003根A 2全螺纹长攻丝M 24×4353条A 3引导销M 243条

拆装辅助工具的设计安装位置见图5,顶丝、全螺纹长攻丝及引导销呈圆周120°均分布置。

图5　拆装辅助工具的布置

4.3　O型圈切割与粘贴设计

O型圈作为滑环密封的关键材料,其径向或轴向预压缩赋予O型圈自身的初始能力,随着工作介质压力的提高使其变形并增大其密封效果[12]。O型圈的切割与粘贴在现场完成,粘贴方式有热硫化焊接和专用胶粘贴两种,热硫化焊接需用到专用焊接设备,经硫化处理的O型圈粘贴质量好,适用于高温、高压环境,但费用较高。

断面截面积是保证O型圈粘贴牢固的重要参数,传统直切的方式,因截面小粘贴效果不佳。鉴于此,专门设计了O型圈斜切工具,见图6。该工具由200 mm×130 mm×50 mm的不锈钢板制成,可以斜切Φ 5.33 mm、Φ 6.99 mm和Φ 6 mm三种规格的O型圈,具有切口截面平整光滑、面积大、粘贴效果好等优点。

图6　O型圈切割工具

4.4　倒链旋转设计

在滑环密封更换完成后,需对滑环底部更换的第一道主密封进行完整性泄漏动态试验,以检验主密封在旋转状态下的密封性能。倒链旋转设计见图7。

图7　倒链旋转滑环外环

在滑环外框架4个角位置分别布置1根5 t倒链及吊带,连接其中1个吊点,在倒链的作用下带动滑环外环旋转,当达到合适位置时,解掉此处倒链,连接其他吊点,继续保证滑环外环旋转。采用倒链旋转的特点是滑环旋转不连续,需要根据滑环旋转的角度,多次拆卸或挂接倒链。

5　项目应用与效果评价

5.1　施工流程

在役滑环FPSO非限位状态下密封更换施工包括前期准备和停产施工两部分工作,施工流程见图8。

图8　FPSO非限位状态下密封更换施工流程

应充分重视停产施工前的前期准备工作,因为这将影响到后期滑环密封更换施工是否能顺利实施。

5.1.1密封支撑环的拆装

密封支撑环的拆装施工在滑环驱动臂分离后进行,主要步骤如下:

1)拆除沿圆周120°均布在A 3位置的3条双头螺栓,安装3个引导销。

2)拆除沿圆周120°均布在A 2位置的3条双头螺栓,安装带有六角螺母、止推轴承、垫片的全螺纹长攻丝。

3)在沿圆周120°均布的A 1位置处安装3根顶丝,同时拆除其他剩余的双头螺栓。

4) A 1位置处的3根顶丝同时向上旋转顶升,使密封支撑环均匀下降,下降过程中使用游标卡尺时刻同时测量下降空间,保证每时每刻下降的空间长度相等。

5)当密封支撑环的下降高度达到150～200 mm时,停止下降,即可进行主辅两道密封的拆装与更换作业,见图9。

a)密封支撑环未分离前　　　　　　b) 密封支撑环分离后

c)实物照片图9　密封支撑环分离

滑环密封更换完成后,按照拆装逆工序回装密封支撑环,为保证新安装的密封回装过程中不受损伤,应按照螺纹丝扣数逐步边测量边回装,始终保证密封支撑环水平。

5.1.2主辅两道密封及O型圈的拆装

密封支撑环下降到可拆卸的高度后,使用橡胶专用工具将主辅两道密封及O型圈从沟槽中分离,妥善保管,以便进行后续密封失效分析。

检查密封及O型圈沟槽表面,并用干净抹布蘸柴油擦拭清洁,使其表面恢复金属光泽,主辅密封及O型圈安装步骤如下:

1)检查已粘贴好的O型圈,确认表面无损伤、粘贴面光滑后放入O型圈沟槽,压紧压实。

2)用干净的压缩空气吹扫密封沟槽,并检查密封沟槽表面,确认无损伤。

3)往主辅两道密封沟槽中涂抹专用润滑脂。

4)在安装密封前,检查主辅两道密封表面,确认表面光滑,无损伤。

5)用热风枪对主辅两道密封进行吹扫,使其软化易放入沟槽中。

6)主辅两道密封放入沟槽后,在密封表面涂抹专用润滑脂，见图10。

图10　主辅密封及O型圈的安装

5.1.3滑环完整性泄漏试验

滑环完整性泄漏试验是检验滑环密封功能达到正常要求的关键步骤,必须高度重视,滑环完整性泄漏试验包括第一道主密封静态/动态试验和第二道辅密封静态试验两部分内容[13-14]。

5.1.3.1　第一道主密封静态/动态试验

第一道主密封静态/动态试验用于检验主密封的功能性能,实施参数见表3。

表3第一道主密封静态/动态试验实施参数

试验对象第一道主密封静态试验第一道主密封动态试验滑环腔体压力/MPa6.66.6第二道密封压力/MPa00稳压时间/h0.5旋转时间应大于1 h(倒链实施旋转1圈)记录数据压力滑环泄漏口的量筒测量泄漏率压力滑环泄漏口的量筒测量泄漏率

5.1.3.2　第二道辅密封静态试验

第二道辅密封静态试验用于检验辅密封的功能性能,实施参数见表4。

表4第二道辅密封静态试验实施参数

试验对象第二道辅密封静态试验滑环腔体压力/MPa6.6第二道密封压力/MPa4.6稳压时间/h1记录数据压力

从滑环内外环间隙底部观察是否有重油溢出,判断静态试验是否合格,最终试验成果由业主和施工方双方共同确认并现场签字验收。

5.2　效果评价

2017年9月底,某油气田FPSO单点滑环堆栈第三层6”滑环底部密封完成海上更换施工,通过对滑环驱动臂分离设计、密封支撑环拆装设计、O型圈切割与粘贴设计、倒链旋转设计等方法成功解决了滑环内外环相对静止、密封支撑环拆装要求高、O型圈切割粘贴难度大、空间狭小试验难度大等施工难题,在施工前期准备充分的情况下,将原计划78 h的停产时间缩短至67.5 h完成,大大缩短了施工工期和节省了船舶资源,整个项目的质量、进度、安全管理满足业主要求。

6　结论

通过对在役滑环在FPSO非限位状态下实施密封更换的可行性研究,提出了滑环驱动臂加倒链旋转的创新设计方案,成功实施了在役滑环密封更换安装。实践证明,在FPSO非限位状态下,实施在役滑环的密封更换是可行的,与FPSO限位方案相比,FPSO非限位方案具有风险低、费用少、施工简单、可操作性强等优点。滑环FPSO非限位状态下在役滑环密封更换技术在项目上解决了管理界面多,密封圈安装控制精度高、停产时间长等问题,可以安全、高效地实施滑环密封更换作业，同时该技术打破了国外公司的技术垄断,摆脱了对国外公司的依赖,有效降低了施工成本,对今后类似滑环密封更换项目具有借鉴意义。