浮式生产储油轮单点滑环的故障处理和状态监控

苏佳杰 司军辉 杨博文 张思宇

（中海石油（中国）有限公司天津公司 天津 300457）

1 概况

边际小型油田是海洋石油后期开发的重点，而传统开发模式成本较高，相比之下，使用FPSO 的开发模式是一种经济和高效模式［1］。FPSO 是海上浮式生产储油轮，其具备油气分离、污水处理、天然气处理等功能，具有能够多次转移使用、储/卸油能力大、能够在多种海域中使用等优点。

滑环作为浮式生产储油轮的重要设备，其功能是使各井口平台的生产流体进入到围绕单点转动的浮式生产储油轮中，滑环也是单点完整性管理中的重要设备。但是，随着滑环使用年限的增加，滑环出现了密封磨损现象，且趋势在不断恶化，有可能造成生产流体渗漏的风险，会严重影响现场安全生产，同时对周围环境也造成了一定威胁。为解决此风险，在2011年9月对滑环进行了整体更换，但新滑环在使用一段时间后密封又出现了渗漏现象，又于2012年2月和2013年10月分两次对发生渗漏的密封进行了更换，检维修的费用巨大。通过对故障的滑环密封进行检查，发现密封故障的主要原因为磨损问题。为解决这个棘手问题，提出了添加重油自动注入系统的方案，通过向滑环H 点注入重油，实现生产流体与密封本体隔离，防止杂质沉淀在滑环密封上，造成密封磨损，同时，重油也起到了润滑的作用，减缓了对滑环密封的磨损［2］。重油自动注入系统投用使用后，滑环密封部件的故障率明显降低，有效延长了滑环密封的使用时间，经济效益可观，为解决成本高效经济生产有较大的贡献，同时也解决了存在的安全和环保风险。

同时，为更好地对滑环的运行状态进行监控，积累滑环的相关运行参数，以备滑环出现故障时进行分析，以及及时发现滑环不正常的运行状态，在滑环上安装了一套滑环运行状态实时监测系统，此监测系统能够实现对滑环的摆动、应力、变形等参数进行实时监控［3］。

2 滑环密封结构介绍

目前，使用的液体滑环是由动环和静环两部分构成，其中起到密封作用的密封圈放置在动环内，密封圈与静环的密封面形成多道密封，防止滑环内的流体渗漏。密封圈是由承压环、密封圈、背圈组成唇形密封组成［4］。

滑环密封中的承压环为三角形的圆环，其由无磁合金制成，在受到滑环内流体的压力后，将压力分解为向密封圈两侧的压力，使密封圈扩张，贴紧动静环的密封面，形成两个密封面，防止流体泄漏。密封圈为一种聚四氟的复合材料，具有良好的耐磨性和自润滑性，硬度比橡胶O 型圈高。背圈也是一种聚四氟的复合材料，硬度高于密封圈，主要作用是增加密封的刚性［5］。

3 滑环密封故障原因分析

从滑环的历次故障现象并结合滑环结构进行分析，滑环密封渗漏经常发生在下部密封中的第一道密封处，从滑环密封结构分析中可知，下部第一道密封直接与流体接触，如果流体中含有较多的杂质，很容易沉积在密封上部及密封面处，长时间存在杂质的情况下，随着滑环动静环的运动，很容易造成密封磨损，进而导致密封失效渗漏。为检验流体中是否存在杂质，对井口平台来的流体分时段进行了多次取样化验，化验结果证实流体中确实含有细沙，由于细沙的存在，很可能导致滑环密封面的磨损。

同时，在对滑环密封环更换过程中，在旧密封圈和静环的密封面上存在很多的碎屑，对碎屑进行材料分析后，证实这些碎屑材料跟密封圈的材料一致，因此，可以判断碎屑是由于密封圈磨损产生的。根据碎屑的位置进行分析，除了由于流体有杂质造成了密封圈的磨损外，当密封圈与密封面的润滑不良时，密封圈也会发生磨损，磨损产生的碎屑在滑环运动过程中会进入到滑环的密封面上，也会造成密封泄漏，使密封失效。

因此，判断造成密封圈密封失效的主要问题是密封圈磨损，而造成的磨损的原因有以下两个方面：（1）滑环的流体中有杂质；（2）密封圈与密封面的润滑不良。

4 滑环添加自动注油装置方案的制定与实施

4.1 新老滑环结构的变化使添加重油自动注入系统成为可能

2011年9月，由于滑环密封和相关部件磨损，导致密封渗漏现象严重，对滑环进行了整体的更换，更换后的滑环结构变化较大。

通过新老滑环下部第一道密封上部的结构对比，老滑环下部第一道密封上部直接与流体接触，很容易造成杂质沉积。而新滑环的结构设计更加合理，新滑环下部第一道密封上部结构通过一个榫槽的结构，有效隔绝了流体与第一道密封的接触，防止了细微颗粒在第一道密封上的沉积。但是，随着使用时间的增加，仍然会有细微颗粒沉积在第一道密封的上部，同时，由于缺少润滑，密封圈同样也会磨损，使密封产生渗漏。

2012年2月，在滑环更换4个月后，第一道密封再次发生了渗漏，又对第一道密封进行了更换，使用不久，密封再次发生渗漏。根据之前对密封磨损的原因的判断，为解决密封渗漏问题，通过对新滑环结构的研究，并通过与厂家的充分沟通，决定通过H点对第一道密封的上部进行冲洗作业。通过反复冲洗，将杂质冲洗出来后，使密封恢复了正常工作；同时，在第一道密封上部注入重油后，可以有效防止杂质的沉积，也增加了密封圈与密封面的润滑，通过实践证实效果比较明显，由于新滑环H 点的存在使添加重油自动注入系统成为可能。

4.2 滑环添加自动注油装置的方案的制定

为保证滑环的正常工作，需要每天人工利用手动液压泵对滑环H 点进行注重油作业，无形间增加了很大的日常工作量；同时，在大风天气时，人员无法赶赴现场进行手动注油，将可能无法保证滑环的正常运行。为解决此问题，通过各种论证，提出了为滑环添加自动注油系统的方案，方案的大体设计思路如下。

（1）在滑环所在的平台上增加一个重油自动注入柜，重油柜使用高压管线与滑环第一道密封上部的H点连接，定时注入一定量的重油。

（2）通过对滑环结构的研究及与厂家充分沟通，重油的注入时间控制在每隔4h 注入1 次，每次持续2min，以保证注入足量的重油。

（3）为防止注入压力过大对滑环密封造成损坏，设置了压力安全阀，设定值为66bar，超压后，安全阀自动泄压，防止高压对密封造成损坏。

（4）由于重油的黏度较高，为保证冬季也能顺利注入重油，重油柜内设置加热器对重油进行加热，以降低重油的黏度，并通过温度开关对温度进行控制。

在H点处注入重油的作用有3个方面：（1）有效防止介质中的杂质沉降到第一道密封圈上部；（2）通过注入大量重油，将杂质从第一道密封圈上部冲洗出来；（3）对密封圈和密封面进行润滑［6］。

4.3 滑环添加自动注油装置方案的实施

自动注油系统的方案确定后，前期与厂家进行了沟通，如由厂家进行此系统的设计和施工，价格昂贵，整体价格将近100 万元，且等待周期很长。为实现降本增效，决定自行设计滑环重油自动注入系统。

通过对滑环工作原理的研究，完成了对滑环重油自动注入系统的设计工作。经过紧张的施工和调试，完成了自动注油系统重油柜的制作，并在最短的时间内完成了自动注油装置的安装和调试工作，保证了重油自动注油装置在最短的时间内投入使用。

4.4 滑环自动注油装置的优化

滑环重油自动注入系统可以自动定点、定时向滑环的H 点处注入重油，注入重油的量是靠PLC 的时间计时器来控制的，每次注入泵启动后，就启动计时器，计时器到达设定值后，泵自动停止，以控制注油量。

但是经过一段时间运行后，通过观察，发现此套装置经常出现注入压力不足时也开始计时的情况，因此就会发生注入重油量不足或者没有注入重油的情况，会对滑环的正常运行造成影响。

为了保证能够给滑环H 点注入足量的重油，在泵出口增设了一个压力开关，当注入压力低时，计时器不计时，只有当注入压力达到设定压力值后（设定值4MPaG），压力开关动作会给计时器一个触发信号，计时器才会开始计时，计时器到达设定值之后，停泵。通过一段时间观察，增设压力开关后，每次都能保证在正常压力下向滑环H点注入足够量的重油，通过优化，保证了滑环的正常工作。

5 滑环监控系统的设计

5.1 滑环运行状态监控参数的确定

由于没有相关的资料可供参考，因此，在确定监控滑环的哪些运行参数上存在较大难度。最后，通过讨论，决定以故障为导向，倒推滑环的哪些运行状态异常会造成故障，这些运行状态的监控参数就是需要监控的参数。目前，滑环可能大概率发生故障为密封渗漏，以此为主导向，对滑环需要监控的运行参数进行确定。

（1）如果滑环在轴向发生倾斜，可能会造成滑环内外环之间产生偏心，进而造成密封圈磨损，因此，滑环轴向倾斜度是需要的监控参数。

（2）如果由于装配问题造成滑环的内外环之间存在一定的间隙，也会造成渗漏问题，因此，滑环内外环间隙也是需要的监控参数。

（3）滑环如果存在水平的摆动，也可能导致密封渗漏，因此也是需要的监控参数。

（4）在理想工作状况下，滑环的驱动臂只会对滑环的动环产生一个周向力，使滑环外环进行圆周运动［7］。但是实际工况下，情况比较复杂，在受到外力作用时，可能导致驱动臂对滑环产生一个径向力和扭转力，导致滑环产生偏心运动，造成滑环密封渗漏，因此，驱动臂的受力情况也为需要监控参数。

（5）由于对滑环进行维修时未对轴承进行更换，因此，由于轴承的磨损等问题，也有可能造成滑环静环和动环的间隙变化，因此，同样需要对轴承的状态进行监控。

最终确定的监控的参数如下，即滑环的轴向倾斜度、滑环的水平摆动、内外环的间隙、轴承跳动、滑环的跳动及驱动臂的应力。

5.2 传感器的选择、安装与布置

（1）对于滑环的轴向倾斜度的监控，选择倾角传感器，需要将倾角传感器固定在中心主轴上面，以最初的角度为基准，随后发生的变化量即是滑环的轴向倾斜度。

（2）对滑环的水平摆动的监控，同样选择倾角传感器来测量，需要在滑环的内外环水平位置分别安装一台倾角传感器，通过测量两台倾角仪的测量差值，即可知道滑环是否有水平摆动。

（3）对于滑环内外环间隙的测量，将使用高精度激光测距传感器。滑环每隔90°安装一个激光测距传感器，一共安装4 个传感器，由于空间空间限制，内环无法安装传感器，因此，考虑以内环外壁作为测量点。由于滑环上不可以进行任何热工作业，为安装激光位移传感器，特别设计了专门的夹具，通过磁铁吸附在滑环上，传感器安装在夹具上，实现对间隙的测量。

（4）对于轴承的跳动监控，同样使用激光位移传感器，通过螺栓将特制的夹具固定在内环，激光传感器外伸到外环外部，对外环外壁进行测量，同时安装加速度传感器对滑环和轴承的震动进行测量。

（5）对于驱动臂的受力测量：对于力的测量，一般都是通过应变片进行测量，对于滑环是否受到驱动臂的径向力及扭转力，同样也可以通过应变片进行测量。通过测量应变片的阻值变化，即可知道驱动比是否受到外力，并传递给滑环，同时，还可以测量出滑环是否受到来自驱动臂的扭转力。

（6）传感器夹具的加工和制作：由于滑环结构的特殊性，对于传感器的安装造成了一定的困难，因此，需要对传感器设计特殊的夹具，用于传感器的安装，夹具还需要便于传感器位置的调整。因此，根据现场的实际情况和传感器形状，设计和制作了专用的夹具。

5.3 对于内环数据传送问题的解决

由于滑环内环相对于安装在系泊支架上的串口服务器接线箱始终处于相对运动状态，如使用电缆进行连接，电缆会随着内环和接线箱的相对运动不断缠绕在滑环上，导致电缆扯断，因此无法实现数据的有线传送。为了较为方便、可行地处理这个棘手的问题，通过讨论和试验，决定通过使用无线数据传送模块实现内环传感器的相关数据传送，通过无线模块，将测量数据传送到串口服务器上，再通过串口服务器，将数据传送给上位机进行处理。经过现场实地测试，方案可行。

5.4 滑环监控系统的项目的实施

（1）根据设计的位置，对各种传感器进行安装和固定。

（2）铺设到接线箱仪表电缆和电源线。

（3）对无线通信装置及串口服务器进行安装和调试。

（4）对中控的监控软件进行通信测试和功能测试。

6 项目实施效果及经济效益

在滑环重油自动注油系统投入运行后，滑环密封的故障率明显降低，未出现由于滑环密封磨损或细微沙粒卡阻而造成密封渗漏故障，有效延长了密封的使用时间。同时，通过安装单点滑环实时监测系统，有效地提高了对滑环运行情况的监控水平，对滑环的相关运行状态进行整体的实时监控，并对数据进行实时有效分析，有效地保证了滑环的安全稳定运行。