渤海某FPSO气滑环密封在线更换技术应用

李德斌,张宝雷,夏华波

(中海油能源发展股份有限公司 采油服务分公司，天津 300452)

渤海某FPSO位于蓬勃作业区，采用水上塔架式软刚臂单点系泊系统，其中单点堆栈气滑环承担FPSO与平台之间天然气介质的输送功能。2018年10月，FPSO生产方例行检查时发现该滑环天然气泄漏量明显，随后生产方进行了临时性修复。2019年4月，经现场测试确认该单点堆栈气滑环第一道、第二道密封失效，为了确保单点系泊系统机械系统的可靠性与完整性并彻底解决天然气滑环密封圈泄漏、公共滑环中部模块与下部模块相对位移的故障，油田生产方拟实施在线滑环密封更换作业。针对渤海FPSO设施上气滑环密封更换作业，存在管理界面多、动复员时间长、费用高昂等问题。考虑以渤海某FPSO单点气滑环密封更换施工作业为背景，对传统更换方案进行改进。

1 单点气滑环密封系统

1.1 滑环密封结构

滑环系统作为单点系统的关键设备，滑环组块分别由原油转换滑环、电旋转头(电滑环)、光纤通讯滑环、公用液压源和放气管线旋转头以及配套液压控制系统组成。渤海某FPSO采用塔架式单点系统，滑环系统采用堆叠式布置，见图1。滑环系统是FPSO在风浪流作用下，单点系统绕动过程的连接模块。以滑环外部腔道(外环)与内核模块(内环)为主要组成部分，其中外环同时与单点系统驱动模块相连。在船体运动时，带动驱动臂运动在驱动臂作用下外环与内环产生相对运动[2]。

图1 外转塔式单点系统及滑环系统构成

滑环系统中密封元件作为密封关键组件[3]，用以保护滑环运行过程中，输送油气介质不发生泄漏。通常环式密封结构由顶部密封和底部密封构成，对于天然气滑环上下密封结构又由主密封、辅密封、三级密封构成，见图2。

这样的密封结构可以最大化密封系统的安全性，在主辅密封失效后三级密封仍然起到介质物密封的作用，而且通常三级密封会采用刚性结构，大大降低三级密封的失效可能。

1.2 滑环密封原理

滑环密封组件是由密封圈及弹性构件组合的压力辅助装置，其中密封圈及弹簧均具有优异的耐腐蚀能力，满足长期使用免维护的特性。当密封圈安装在滑环密封槽内，弹性构件受压，压力被分解为向密封圈两侧的张力，使密封圈向两侧扩张，促使密封圈紧贴滑环转动静止环的密封面，形成密封。

弹性构件给密封圈提供永久弹力，有效弥补材料磨损及配合零件的偏移或偏心，由此可形成有效的密封，同时介质压辅助密封圈蓄能，当密封圈两侧压力越大，密封圈与滑环转动静止环的密封面贴合的越紧密，通过弹簧弹力和介质压力的协同作用，从而使整个滑环密封组件无论在高压或低压状态下，都可实现有效密封作用。

2 滑环密封完整性测试

2.1 测试标准

测试所执行的标准是OCIMF 1999年第三版。

对于天然气介质，滑环应保持在高于最低设计温度下进行测试，相应操作压力见表1。

表1 滑环设计压力和操作压力 MPa

在满足相应测试要求的前提下，根据各密封圈尺寸同时参考泄漏量标准(见表2)，判断密封环状态。

表2 天然气滑环测试标准

考虑到该设施上7″天然气滑环的实际使用情况，参照厂家所提供测试程序按照操作压力的115%作为测试压力，采用氮气作为测试介质。

2.2 测试准备及测试工作

完成总体工作准备包括所需的工程辅助、提前做好生产隔离等[5]。从气滑环UW1到UP1和US1安装压力导通装置，见图3。

图3 临时液压管线导通装置

分别选取50%，115%生产压力对密封进行循环测试，缓慢升压利用肥皂水对天然气模块所有接头进行测漏并观察。需要注意的是，在完成每一道密封的测试后，需通过对应接头完成泄放过程。

测试结果，117 FPSO单点天然气滑环主、辅密封结构破损，三级密封完好。由于2道密封结构已经失效,存在很大安全隐患[4]，影响油田正常生产。为排除隐患，同时不影响油田的产量，决定采用在线更换破损密封结构。

3 滑环密封更换

3.1 更换前准备

对于生产状态下的FPSO设施，应先拆除影响的施工的格栅、护栏等结构物。拆除管线保温层，将维修工字钢架尽量调高，用木块等材料保持抬高状态。将施工所需淡水源、空气源、制氮机/氮气瓶及接头、氮气瓶组接头、电源等提前布置到位，这部分可与现场实际条件相匹配，由施工方与生产方明确责任界面划分。

预先与生产方确认停产计划，在停产前清除模块上所有润滑脂、污垢、碎屑等残余以减少密封圈与滑环模块本体表面的损伤，需注意的是润滑脂必须全部清除。

为最大限度的缩短停产周期，该设施滑环系统更换采用非限位状态下实施。密封更换的关键是分离滑环驱动臂[6]，同时保持滑环系统内、外环保持相对静止状态。拆除滑环的A字形驱动臂，用倒链临时固定滑环模块并连接至模块吊耳，并优先拆除驱动臂的A架。用倒链或吊带悬挂住驱动臂拆除连接A架法兰面的螺栓，直至驱动臂重量逐渐全部落在吊带上[7]，最后将螺栓全部拆除。

3.2 密封更换实施

3.2.1 中心环拆除

以117 FPSO设施为例，首先在滑环下部安装6个液压千斤顶拆除滑环顶部及底部所有螺栓顶帽；然后，沿圆周均匀分布安装6个全螺纹长攻螺丝和6个引导销，参数见表3；最后，下放中部垫片及底部法兰。

表3 辅助拆卸工具

需要注意的是，下放过程应先使用千斤顶下降5 mm安装全螺纹长攻螺丝，再使用千斤顶下放30 mm下放底部法兰。间隔顺序对于整个中心环拆除过程的安全性至关重要[8]。

3.2.2 更换滑环上、下密封圈

以下密封圈更换过程为例，滑环底部密封中心环下降足够空间后，拆除O型圈、3道密封圈,以及轴向滑动轴承，见图4。稍将密封进行润滑并安装替换滑动轴，提升千斤顶直到螺栓紧贴中部垫片[9]。将新密封及O型圈、轴向滑动轴承安装进空腔中，移除下方中心环时的螺栓固定及中部垫片。最后，使用液压千斤顶完成滑环回装并移除引导销。

图4 拆卸密封及O型圈

上密封圈的更换过程与下密封圈基本相同，需要注意的是，在回装完成后参照螺栓型号对螺栓打好转矩[10]。

3.2.3 螺栓转矩紧固作业

施工作业中需对模块中所有的M24、M30螺栓进行转矩的卸载和紧固。由于操作空间有限,所以在密封更换过程中需要用特殊的拉伸器。所有的螺栓采用90%紧固，在整个松紧及最后2个紧固步骤过程中需要非常小心，并且需在施工作业前确认拉伸器型号及具体的操作程序。

施工中，所有M24、M30的螺栓均采用4个拉伸器以对角线形式相距相同距离同时紧固。同时拉伸器液压软管应当是内部互通的并且压力由单独1个气泵提供，保证供压均匀，作业动作同步。

4 结论

以渤海某FPSO天然气滑环密封更换项目为例，提出临时液压密封闭环的方法，通过滑环互换性分析和海上更换方案改进，成功实施了单点气滑环密封在线更换作业。在线更换方式相比较传统的施工方式可为生产作业方减少大量停产、复产时间，同时可解决占用船舶资源时间过长，吊装风险大等问题，可供类似的密封更换项目参考。