第３９卷第４期 船海工程 Ｖｏ１．３９ Ｎｏ．４ ２０１０年Ｏ８月 ＳＨＩＰ＆ＯＣＥＡＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ａｕｇ．２０１０ 浮式生产储油卸油船 多通道流体旋转接头性能分析 宋志鹏，郑绍春 （武汉理工大学交通学院，武汉４３００６３） 摘要：考虑到多通道流体旋转接头是浮式生产储油卸油船中单点系泊系统中的关键设备，在机械强度、 耐腐蚀、抗疲劳能力、密封性能等方面要求极高，而Ｅｔ前国内的研究不多，因此，从不同角度分析国外３种不同 单点系泊方式中所采用的多通道流体旋转接头结构形式的技术特征和技术难点，为其国产化提供技术参考 和借鉴。 关键词：多通道流体旋转接头；浮式生产储油卸油船单点系？白系统；转塔式系泊 中图分类号：Ｕ６６４．８４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１—７９５３（２０１０）０４—００５３—０５ 兼有生产与储油作用的浮式生产储油卸油船 无阻。多通道流体旋转接头结构特殊，由三大部 （ｆｌｏａｔｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｓｔｏｒａｇｅ＆ｏｆｆｌｏａｄｉｎｇ．ＦＰ～ 分组成：即旋转（动环）部分、密封部分和静止（定 ＳＯ）单点系泊系统的核心设备——多通道流体旋 环）部分，其结构如图ｌａ）所示，多通道纵向堆叠 转接头在机械强度、耐腐蚀、抗疲劳能力、密封性 形式外观见图ｌｂ）所示。 能等方面要求极高，这一关键设备长期以来被少 数外国公司所垄断，如挪威ＡＰＬ公司、荷兰Ｂｌｕｅ— ｗａｔｅｒ公司、挪威Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｔｅｎｔｅｃｈ公司、荷兰 ｌ Ⅱ ●。 ． ＿ＩＨＣ公司、荷兰ＳＢＭ公司以及美国ＦＭＣ ｌ 圈 ＳＯＦＥＣ公司。一套单点系泊装置投资少则千万 美元，多则几千万美元，约占整个ＦＰＳＯ投资的 ｌ － １／３。近年来，海洋油气资源开采逐步走向深海， 一 ｌ Ｉ 扩展到了边际油田。作为ＦＰＳＯ的核心部件之 ｂ－－－ －—— 一，多通道流体旋转接头的国产化诉求越来越急 切，多通道流体旋转接头国产化技术攻关势在必 盘 行，研究其相关技术意义重大。 ａ）结构图 ｂ）外观图 １ ＦＰＳＯ单点系泊系统多通道流体 图１ 多通道流体旋转接头的结构和外观 旋转接头的主要功能和特点 静止（定环）部分由流体输入管与静腔贯 ＦＰＳＯ单点系泊是指锚泊系统与船体只有一 通，旋转（动环）部分由流体输出管与旋转腔贯 个接触点，系泊定位系统中的关键设备多通道流 通，静腔和旋转腔组成完整的流体腔通道，密封 体旋转接头可随风、浪、流转动，在运动中保证海 部分对静止（定环）部分和旋转（动环）部分接触 底石油从相对静止的管路输入到“风向标式”的旋 面之间的流体进行密封，防止流体泄漏及流体 转船体储油舱中，要保证管道流体连续不断、畅通 间的互混。 ２ ＦＰＳＯ多通道流体旋转接头分类 收稿日期：２００９—０９—０７ 修回日期：２００９－１０—２７ ＦＰＳＯ由于作业油田的情况各异而采用不同 作者简介：宋志鹏（１９８７一），男，研究生。 的系泊系统，其内部多通道流体旋转接头的结构 研究方向：船舶建造工艺 也有差异。我国ＦＰＳＯ的单点系泊方式，大体分 Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｉａｎｚａｏｇｏｎｇｙｉ＠１６３．ｃｏｒｎ 为三大类：转塔式系泊、塔式系泊和浮筒式系 ５３ 浮式生产储油卸油船多通道流体旋转接头性能分析——宋志鹏，郑绍春 ａ）结构图 ｂ）系泊示意图 ２Ｏ一流体旋转接头；２４一系泊旋转接头；３１一输入管；３２一旋转腔；３３一输出管；３４一旋转体； ３５ａ、３５ｂ－［￣定部分；３６ａ、３６ｂ一轴承；３７ａ、３７ｂ ０型密封圈；３８ａ、３８ｂ—Ｕ型密封圈；３９一沉头螺钉 图３塔式系泊多通道流体旋转接头 ａ）系泊示意图 ｂ）结构图（横剖图） Ｃ）结构图（俯视图） ２一储油船；３一缆绳；４－海底；５、６、７－输油管；８－浮筒；９－系泊缆；１０一旋转接头；１１一输送管； １３、１４一输入管；１５一环状空腔；１６、１７一输出管；１８一输入管；１９一密封圈；２Ｏ一回转支承；２１定换；２２一动环 图４浮简式系泊多通道流体旋转接头 与浮筒通过缆绳３连接。旋转接头含３根输入 管１３、１４和１８，均位于定环２１内。动环２２与 定环２ｌ之间形成环状空腔１５，密封圈１９防止 旋转接头的型式随着下列因素而变化。 １）工作水深。浮筒系泊多通道流体旋转接 头用于较浅水域，适用水深约在１３￣８８ ｒｎ。塔式 液体泄漏，同时阻止外界杂质、气液进入接头 体。输出管１６、１７将环状空腔内的流体导出， 输送到储油船上。定环和动环之问通过回转支 承２０连接。使用中不需将多个旋转接头堆砌 在一起即可完成流体输送，但是当传输的是多 系泊多通道流体旋转接头也仅用于较浅水域，适 用水深在２０～１０６ ｒｆｌ。转塔系泊多通道流体旋转 接头适用水域较广，适用水深２０～１ ４００ ｒｒｌ。 ２）石油理化特性。原油充足时，流体压力 大，对旋转接头的密封要求也较高，此时需设定更 复杂的密封圈组合，在必要情况下需单独设置特 殊通道注射压力液体，以保持密封圈两侧的压力 稳定。原油温度较高时，密封圈的磨损会随之加 剧，此时通道和密封圈的设置也需要作出相应的 种不同物体时，为防止各物质互混，则需要将多 个独立的旋转接头。 ２．４ ＦＰＳＯ多通道流体旋转接头结构对比 整体上看，转塔式系泊和塔式系泊使用的旋 转接头比较相近，都采用多通道、多层堆叠设计， 具有较大的通用性；而浮筒式系 自由于所有重量 由浮体的浮力承受，所有其旋转接头的尺寸和重 量会有较大限制，且其通道数目一般最多设２个， 堆叠层数也仅２～３层，与转塔式系泊和塔式系泊 改变，以降低温度或使热量均匀分布。石油的成 分较为复杂，当石蜡、沥青含量较高时，管道在长 期的输送过程中会淤积大量杂质，导致输送量剧 减甚至堵塞。此时则需设计对应的管道系统，必 要时设置专用清洁通道，使用专用机器人定期清 洁管道。 ５５ 旋转接头有较大差别。 第４期 船海工程 第３９卷 ３）海况。整体来看，适用海况由低到高依次 为：浮筒式系泊、塔式系泊、转塔式系泊。针对不 同海况，旋转接头的旋转量、旋转频率各不相同， 因而磨损情况也不一样。旋转接头的磨损包括机 械部分（定环和动环）磨损和密封圈的磨损。针对 值稍大），使其两侧流体压力平衡［５］。 ３．３旋转接头制造材料 整体上看，优秀的旋转接头质量小、强度高、 磨损小、加工简单、维修方便、造价低，这也是对其 制造材料的指导性要求。具体看来，采用模块化 设计的旋转接头，更易因地制宜，使用不同材料制 不同海况，需设计不同的机械结构和密封圈结构， 必要时设置轴承、内外环止动片等机构来降低磨 造。整个旋转接头中，对材料要求最高的属于定 损，延长寿命。 ３ ＦＰＳＯ多通道流体旋转接头的核 心技术要求 ＦＰＳＯ多通道流体旋转接头的核心技术要 求包括五个方面：结构设计、密封设计，制造材 料冶炼技术，部件精确加工技术和调试与检测 技术。 ３．１旋转接头结构设计 根据不同油田的实际油气产量、压力、温度、 原油成分，在设计旋转接头时应尽量注意以下四 点：①缩小旋转圈的半径，这样可以大幅减轻整体 质量，减少耗材，降低加工难度，保证装置精度，有 效控制成本；②化整为零，模块化设计，将大型部 件进一步拆分为多个标准件，可以降低加工难度， 更容易保证整体精度，其良好的互换性也方便维 修和更换；且各部分可独立采用不同材料，不需大 范围使用某些贵重金属。③合理布置环形空间内 的通道，在不影响安装、使用和维护的前提下最大 限度地利用内部空间，容纳更多管系，做到紧凑和 实用；④零部件（如回转支承、螺钉等）设计尽量使 用市场上已有的标准件的尺寸，以方便维护、更 换，并降低造价。 ３．２旋转接头密封设计 根据所输送流体的压力、温度和原油成分，密 封圈的剖面形状、材料和布置方式各不相同。 当旋转腔内流体压力较大时，需设计更多层 次的密封圈，或选用横截面更有效的密封圈，如从 简单的０型圈到加挡环的（）型圈到Ｖ型圈、ｕ 型圈、Ｙ型圈等。为防止密封圈扭转、翻滚、被挤 人旋转缝隙，安装密封圈的沟槽在必要时也需作 出相应的调整，从最常用的矩形槽到Ｖ形槽、半 圆形槽、燕尾槽、三角形槽等。旋转腔内流体压力 过大、使用多层密封圈仍难以保证密封效果的，需 设计压力平衡系统，在密封圈的内侧也填充压力 液体（填充液体的压力值一般比产品液体的压力 ５６ 环和动环相接触的部位。此部件最突出的要求是 保证良好耐磨性的同时保持接触面的有效润滑 （避免启动力矩过大）。再者，材料的导热性要好， 热膨胀小，以有效控制部件间隙。若管道内的流 体具有高腐蚀性，则需使用抗腐蚀材料制造管道 等零件。除了有特殊要求的部件，其他部件均可 采用价格相对低廉的常用金属材料制造。另外， 由于旋转接头的大型部件较多，且都是铸造成型 后机加工，所以材料的铸造性能应有所保证。另 一种思路是对材料采用表面处理，即零部件本身 使用普通材料，但针对其使用环境，对某一个面或 多个面进行化学处理，或敷设特殊材料涂层，这样 使零部件也能达到使用要求。 ３．４旋转接头加工精度 目前我国的机械加工设备技术成熟，各型数 控加工中心品种繁多，基本能满足旋转接头的精 度要求。考虑到多通道流体旋转接头本身属于单 件小批量生产，所以加工精度较为容易保证。但 小型部件易加工的同时也应看到，旋转接头制造 的难点在于大型部件的精确加工，所以这对生产 商的硬件要求会更高。 ３．５旋转接头调试与质量检测 由于我国的多通道流体旋转接头目前完全依 赖进口，所以国内对于调试和质量检测设施与规 范比较匮乏。需要学习国外设备生产商的成熟思 想与技术，制定一套适合我国国情的规范，制造较 为实用的检测设备。目前我国有《海洋石油工程 设计指南》之类的资料对旋转接头有一定描述，但 作为规范来约束旋转接头的生产和使用，则还远 远不足。实验设备方面，我国对旋转接头无专用 检测、调试设施。旋转接头的检测和调试需模拟 实际使用情况，针对不同数目通道，不同流体压 力、温度、成分，在不同转速、旋转频率下，承受小 量力矩，完成模拟实验，检测其密封效果、磨损情 况等。参照国外经验，可以使用多自由度液压缸 支撑平台，在多个方向各装设一段可调节弹簧，模 浮式生产储油卸油船多通道流体旋转接头性能分析——宋志鹏，郑绍春 拟海上工作环境。考虑到旋转接头固定在支撑体 再用不同长度的输油管路将不同高度的输油接头 的平台上，所承受的载荷和转矩有限，且其核心问 连接至整旋转接头的法兰盘上。 题在于机械部分的密封效果和磨损情况的监测， 所以模拟实验中需拟合的要素不多，使用普通检 参考文献 测装置即可满足功能上的需要。 ［１］吕立功，景勇，温宝贵，等．ＦＰＳＯ系泊系统设计上的 ４补充要求 考虑ＥＪ］．中国造船，２００５，４６（１１）：３４８—３５６． Ｅｅｌ Ｊａｎ Ａ Ｆｏｏｌｅｒ￣Ｒｏｔａｔａｂｌｅ ｓｗｉｖｅｌ ｆｏｒ ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ ｃｏｎ— 多通道流体旋转接头国产化，除要考虑上述 ｄｕｉｔｓ．Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ．Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｐａ— 技术因素外，设计时还需考虑应便于人工作业维 ｔｅｎｔ ４２８８１０６ ＥＰ］．１９７９． 修，在相邻两个接头单元之间设置一定的人工作 Ｅ３］Ｊｏｈｎ Ｅ Ｏｒｔｌｏｆｆ．Ｍｏｔｉｏｎ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ ｆｌｕｉｄ ｓｗｉｖｅｌ ｓｔａｃｋ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ．Ｕｎｉｔｅｄ 业空间，通过该空间可以完成相邻两个接头之间 Ｓｔａｔｅｓ Ｐａｔｅｎｔ ４６０２５８６［－Ｐ］．１９８４． 的完全拆卸与组装。如在ＦＰＳＯ转塔舱专门设置 Ｅ４］Ｒｅｎｅ Ｐｅｒｒａｔｏｎｅｏ Ｓｗｉｖｅ１．Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ， 各个接头单元的人工作业平台。同时要考虑旋转 Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｐａｔｅｎｔ ５０７１１７１Ｅｐ］．１９８９． 接头应在某一接头单元出故障拆卸维修时，其他 Ｅｓ］Ｊｏｓｔｅｉｎ Ｅｒｓｔａｄ．Ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｆｌｕｉｄ ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ．Ｕｎｉｔ－ 接头仍能正常工作。为此，可以把液体旋转接头 ｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｐａｔｅｎｔ ５７１８４５８ 模块化，使旋转接头单元之间可以任意上下连接， ｒ ．１９９５． Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｒｅｑ ｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｍｕｈｉ－ｃｈａｎｎｅ１ Ｆ１ｕｉｄ Ｓｗｉｖｅｌ Ｓｔａｃｋ ｉｎ ＦＰＳＯ ＳＯＮＧ Ｚｈｉ－ｐｅｎｇ，７ＡｔＥＮＧ Ｓｈａｏ－ｃｈｕｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００６３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ ｆｌｕｉｄ ｓｗｉｖｅｌ ｓｔａｃｋ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ－ｐｏｉｎｔ ｍｏｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｆｌｏａｔｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃ— ｔｉｏｎ ｓｔｏｒａｇｅ＆ｏｆｆｌｏａｄｉｎｇ（ＦＰＳＯ）．Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ ｄｅｍａｎｄｉｎｇ ｉｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｒｅ— ｓｉｓｔａｎｃｅ ｔＯ ｆａｔｉｇｕｅ，ｓｅａｌｉｎｇ，ｅｔｃ．ｔｈｉｓ ｋｅｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｈａｓ ｌｏｎｇ ｂｅｅｎ ａ ｓｍａｌｌ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｆｏｒｅｉｇｎ ｃｏｍｐａｎｉｅｓ ｍｏｎｏｐｏｌｉｅｓ，ａｎｄ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒ ｔｈｅｉｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｓ ｓｃａｎｔ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｒｅｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ－ｐｏｉｎｔ ｍｏｏｒｉｎｇ ａｐｐｒｏａｃｈ ｗｅｒｅ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ～ｃｈａｎｎｅｌ ｆｌｕｉｄ ｓｗｉｖｅｌ ｓｔａｃｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｆｒｏｍ ａ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｖｉｅｗ ｏｆ ｉｔｓ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｄｉｆｆｉｅｕｌ— ｔｉｅｓ ｆｏｒ ｉｔｓ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅ１ ｆｌｕｉｄ ｓｗｉｖｅｌ ｓｔａｃｋ；ｓｉｎｇｌｅ－ｐｏｉｎｔ ｍｏｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ＦＰＳＯ；ｔｕｒｒｅｔ ｍｏｏｒｉｎｇ （上接第５２页） 质，进行通风、干燥，进行涂层状态的检查；对大面 体、甲板、上层建筑等部位，应涂装最后一道面漆。 积锈蚀磨损，进行相应除油、除锈、涂漆等系列工 参考文献 作。液舱涂装、属狭小舱室涂装，注意安全防护， 涂装后，需经过保养处理等才能装载液体介质。 ［１］中国船级社．内河船舶入级规则［Ｍ］．北京：人民交通 在测量船上墩修理下水以前，在全船的主船 出版社，２００８． Ｏｎ ｔｈｅ Ｒｕｓｔｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｈ ｙｄｒｏｇｒａｐｈｉｃ Ｓｕｒｖｅｙ Ｓｈｉｐ ＰＵＨｕｉ－ｆｅｎｇ （Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ Ｂｕｒｅａｕ，Ｃｈａｎｇｊｉａｎｇ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ ４３００１０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｔｈａｔ ｗｏｒｋｉｎｇ ｉｎ ｍｏｒｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ａｎｄ ｐｏｏｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｗａｔｅｒ ａｒｅａ，ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｇｒａｐｈｉｃ ｓｕｒｖｅｙ ｓｈｉｐ ｅａｓｉｌｙ ｒｕｓｔｓ ｉｎ ｓｅｒｉｏｕｓ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｗａｔｅｒ．Ｒｕｓｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｈｙｄｒｏｇｒａｐｈｉｃ ｓｕｒｖｅｙ ｓｈｉｐ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｓｈｉｐ．Ｉｔ ｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｐａｙｉｎｇ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｔｏ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｏｆ ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ｒｕｓｔｉｎｇ ａｎｄ ｐｒｏｌｏｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｇｒａｐｈｉｃ ｓｕｒｖｅｙ ｓｈｉｐ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｐ ｓｕｒｖｅｙ；ｒｕｓｔｉｎｇ；ｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅ；ｍｅｔｈｏｄ ５７