祁德路 張守森 張凱 仲光華 韓玉

(海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司 天津 300450）

[關(guān)鍵字] FPSO；液壓潛沒(méi)泵；液壓系統(tǒng)；保壓

1 液壓潛沒(méi)泵液壓系統(tǒng)構(gòu)成

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置FPSO適應(yīng)的水深范圍廣、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、可及時(shí)轉(zhuǎn)移和重復(fù)利用，其發(fā)展對(duì)我國(guó)開(kāi)發(fā)深水油氣資源具有重要戰(zhàn)略意義。液壓潛沒(méi)泵作為FPSO油氣儲(chǔ)存、外輸和污油水處理的關(guān)鍵設(shè)備，系統(tǒng)組成復(fù)雜、輔助設(shè)施較多，整套系統(tǒng)遍布于FPSO船體的主甲板、液壓間和控制室等。如果按照各設(shè)施功能劃分，那么液壓潛沒(méi)泵系統(tǒng)可由執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓泵單元，驅(qū)動(dòng)核心液壓系統(tǒng)和控制核心電控系統(tǒng)3大模塊組成，系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖1所示。

圖1 液壓潛沒(méi)泵系統(tǒng)組成

其中液壓潛沒(méi)泵單元由甲板組件、管柱組件和泵頭組件三大部分組成，除甲板組件在甲板面以上外，管柱組件和泵頭組件都在液貨艙內(nèi)，甲板組件由STC閥、隔離液管和支撐泵體的座板組成；管柱組件由三根同心管組成，從內(nèi)到外依次為高壓液壓管、低壓液壓管和隔離液管；泵頭組件是液壓潛沒(méi)泵的核心部件，主要由液壓馬達(dá)，葉輪以及隔離密封件等組成，是把液貨吸入并提供傳輸壓力的重要元件，直接影響整個(gè)貨油系統(tǒng)的外輸。

內(nèi)到外依次為高壓液壓管、低壓液壓管和隔離液管；泵頭組件是液壓潛沒(méi)泵的核心部件，主要由液壓馬達(dá)，葉輪以及隔離密封件等組成，是把液貨吸入并提供傳輸壓力的重要元件，直接影響整個(gè)貨油系統(tǒng)的外輸。

2 泵頭組件壓力分析

因泵頭組件位于液貨艙的最底部，而FPSO液貨艙的艙高一般都比較高，故泵頭組件在液貨艙滿倉(cāng)時(shí)承受的靜壓頭較大，對(duì)泵頭軸封的密封性要求很高，為了便于檢測(cè)泵頭處軸封的密封狀態(tài)，同時(shí)避免軸封損壞時(shí)液貨油進(jìn)入到液壓油系統(tǒng)對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)造成污染，液壓泵頭處一般設(shè)置有嚴(yán)密的密封和監(jiān)測(cè)裝置，泵體結(jié)構(gòu)詳圖如圖2所示：

圖2 液壓潛沒(méi)泵泵體結(jié)構(gòu)

潛沒(méi)泵的隔離液管和甲板組件處的隔離液罐相連，因隔離液罐所在位置在液貨艙頂甲板之上，隔離液罐中的液面高度高于其所在液貨艙的液面，所以在泵頭組件處隔離液的靜壓力正常情況下會(huì)大于外部液貨的壓力，其液位會(huì)保持不變。當(dāng)液貨側(cè)和隔離液側(cè)的密封有損壞時(shí)，隔離液會(huì)進(jìn)入到液貨當(dāng)中，隔離液罐觀察鏡處的液位會(huì)下降；同時(shí)，為了避免隔離液進(jìn)入到液壓油內(nèi)污染液壓油，需要泵頭處低壓液壓油的壓力高于隔離液的壓力，當(dāng)機(jī)械密封有損壞時(shí)，液壓油會(huì)進(jìn)入到隔離液當(dāng)中，甲板上隔離液罐觀察鏡處的液位會(huì)上升。泵頭處密封結(jié)構(gòu)參照?qǐng)D三。當(dāng)隔離液罐中液位發(fā)生較大變化時(shí)（需要排除由于環(huán)境溫度變化引起的液面微動(dòng)），需要操作方對(duì)泵頭進(jìn)行檢修或更換密封，并重新加注隔離液。

泵頭組件處的壓力大小順序?yàn)椋阂簤河蛡?cè)油壓P1大于隔離液側(cè)壓力P2，隔離液側(cè)壓力P2大于液貨側(cè)壓力P3（見(jiàn)圖3）。

圖3 泵頭密封結(jié)構(gòu)

3 保壓原理

液壓潛沒(méi)泵的泵站中設(shè)置有主液壓油泵和輔助補(bǔ)油保壓泵，主泵負(fù)責(zé)輸出高壓液壓油，輔泵為液壓系統(tǒng)補(bǔ)油并保持一定的回油背壓，保持系統(tǒng)內(nèi)液壓油壓力，一方面保證液壓油流動(dòng)防止液壓油凝結(jié)，另一方面的作用就是保證泵頭內(nèi)液壓油壓力P1始終大于隔離液壓力P2和液貨在機(jī)械密封處的壓力，參照（圖3）所示。

在FPSO臺(tái)風(fēng)來(lái)臨避臺(tái)風(fēng)或者平臺(tái)失電時(shí)，保壓泵無(wú)法提供壓力，這就需要提供一套額外的保壓系統(tǒng)在此工況下提供液壓系統(tǒng)壓力，以維持液壓油側(cè)的壓力大于隔離液測(cè)。

4 重力油柜保壓

在失電情況下，結(jié)合多個(gè)液壓潛沒(méi)泵配套項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，常采用設(shè)置重力油柜的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)保壓效果。即在系統(tǒng)最高處以上某處（高于系統(tǒng)最高管線一定高度）設(shè)置一套液壓油柜與系統(tǒng)回油管線相連，通過(guò)高度差靜壓使泵內(nèi)液壓油保證一定的壓力，如（圖4）所示，3為重力油柜，加注與系統(tǒng)相同的液壓油，平時(shí)閥門(mén)2為常閉狀態(tài)，緊急狀態(tài)下打開(kāi)閥門(mén)2，關(guān)閉閥門(mén)1和4，可保證系統(tǒng)內(nèi)液壓油壓力靜壓高于艙內(nèi)液貨在泵頭處?kù)o壓。

圖4 重力油柜應(yīng)用示意圖

結(jié)合“深海一號(hào)”半潛式生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)液壓潛沒(méi)泵的液壓系統(tǒng)布置來(lái)看，HPU位于僅次于立柱頂部的房間，液壓管線從立柱頂部的甲板穿出后與位于立柱頂部的潛沒(méi)泵相連，若采用傳統(tǒng)的重力油柜式的保壓裝置，由于要達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需要重力油柜的高度高于系統(tǒng)管線最高點(diǎn)5米以上（具體高度需根據(jù)液貨艙高度和泵頭所在位置確定），若在立柱頂部布置需要做高于立柱頂部7米高度的支架，這顯然是不切合實(shí)際的，一方面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不能達(dá)到要求，且會(huì)影響整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)；若將重力油柜放在組塊上，由于組塊的空間有限，會(huì)打破組塊即有的布置設(shè)計(jì)，額外增加若干的液壓管線，且還要考慮液壓重力油柜的防火防爆等要求實(shí)施起來(lái)的復(fù)雜程度較大。

5 蓄能器保壓

為解決重力油柜在深海一號(hào)應(yīng)用困難的情況，設(shè)計(jì)人員大膽采用了在液壓行業(yè)內(nèi)應(yīng)用普遍卻在海洋工程中應(yīng)用較少，特別是液壓泵系統(tǒng)中未曾有應(yīng)用案例的蓄能器保壓原理。

蓄能器多為氣囊式，氣囊內(nèi)沖入氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w，在使用前蓄壓，釋放即打開(kāi)閥門(mén)后即可使管線內(nèi)充壓，見(jiàn)圖5。

圖5 蓄能器工作原理

蓄能器體積小，易于布置，可設(shè)置在液壓泵站旁，回油管線側(cè)。液壓蓄能器的設(shè)置方案見(jiàn)（圖6），圖中1為HPU低壓側(cè)隔離閥，2為蓄能器隔離閥，3為蓄能器，4是高壓側(cè)隔離閥。

圖6 蓄能器應(yīng)用示意圖

蓄能器內(nèi)膠囊內(nèi)沖入最低系統(tǒng)低壓液壓油壓力的氮?dú)鈮毫?，通過(guò)隔離閥與液壓回油管線相連，在正常工況下蓄能器處于保壓狀態(tài)，隔離閥（2）處于常閉狀態(tài)，低壓側(cè)隔離閥和高壓側(cè)隔離閥處于常開(kāi)狀態(tài)，系統(tǒng)通過(guò)HPU的保壓泵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保壓；在FPSO臺(tái)風(fēng)來(lái)臨人員避臺(tái)或者平臺(tái)失電時(shí)先將低壓側(cè)隔離閥1和高壓側(cè)隔離閥4關(guān)閉，然后將蓄能器側(cè)的隔離閥2打開(kāi)，蓄能器即可與液壓管線相連通，維持系統(tǒng)的壓力，由于低壓側(cè)隔離閥1和高壓側(cè)隔離閥4的密閉性極好，蓄能器能在相當(dāng)?shù)囊欢螘r(shí)期內(nèi)維持系統(tǒng)壓力，保護(hù)了液壓系統(tǒng)的潔凈度，保證了液壓系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。在日常使用過(guò)程中需操作人員定期檢查蓄能器壓力，隨時(shí)補(bǔ)充，確保在應(yīng)急工況下隨時(shí)能使用。但有一點(diǎn)需要特別指出的是氣囊式蓄能器的壽命取決于氣囊的使用壽命，介質(zhì)以及工作溫度等影響，故而需要根據(jù)應(yīng)用實(shí)際情況更換或維修。

6 結(jié)論

潛沒(méi)泵已經(jīng)成為FPSO、油品船舶和化學(xué)品船等貨液卸載轉(zhuǎn)運(yùn)的主流設(shè)施，而液壓驅(qū)動(dòng)是目前潛沒(méi)泵應(yīng)用最靈活、最安全的驅(qū)動(dòng)方式，液壓油的潔凈度是保證液壓系統(tǒng)良好運(yùn)行的前提保障，良好的密封性能保護(hù)液壓油免受污染，而密封監(jiān)測(cè)是密封性能的最直觀手段。但在突發(fā)情況，比如避臺(tái)或其他緊急失電的工況下，如何繼續(xù)維持液壓泵系統(tǒng)的密封性能則成為了液壓泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用的不可避免的問(wèn)題。

本文介紹了兩種系統(tǒng)保壓的方法，重力油柜和蓄能器，并分析了兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)：蓄能器體積較小，相比重力油柜設(shè)計(jì)沒(méi)有空間高度的布置要求，節(jié)約了空間和管線材料，更便于現(xiàn)場(chǎng)布置；重力油柜操作更為簡(jiǎn)便，蓄能器一次充氣后需要蓄能，且需要定期檢查壓力且壽命不確定。結(jié)合“深海一號(hào)”半潛式儲(chǔ)卸油平臺(tái)實(shí)際的應(yīng)用條件，選擇了空間要求較小，能大量節(jié)省液壓管線布置的蓄能器保壓方式。這種選擇與應(yīng)用可作為后續(xù)FPSO，半潛平臺(tái)或類似設(shè)計(jì)條件的參考方案。