王 丹，趙會(huì)軍，余 捷

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司 技術(shù)中心，天津 300452)

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FPSO外輸軟管緊急脫開(kāi)裝置設(shè)計(jì)計(jì)算

王 丹，趙會(huì)軍，余 捷

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司 技術(shù)中心，天津 300452)

針對(duì)外輸軟管將原油外輸期間，輸油軟管會(huì)受到海浪作用發(fā)生擺動(dòng)，存在斷裂導(dǎo)致原油大量泄漏的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，研制緊急脫開(kāi)裝置保護(hù)外輸軟管，分析緊急脫開(kāi)裝置工作原理，完成其閥體壁厚、裝置的流量系數(shù)、密封比壓及致斷螺栓設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)裝置國(guó)產(chǎn)化提供參考。

FPSO；外輸軟管；緊急脫開(kāi)裝置

海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)在世界能源開(kāi)發(fā)中的地位逐漸凸顯，浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油系統(tǒng)(floating production storage and offloading system，F(xiàn)PSO)作為海洋石油開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵裝備，其作用是將井口采出的原油進(jìn)行油氣水分離，并儲(chǔ)存合格的原油，然后由穿梭油輪將原油運(yùn)輸回陸地[1]。FPSO儲(chǔ)存的原油通過(guò)外輸軟管輸送至穿梭油船，多條輸油軟管通過(guò)法蘭連接起來(lái)。外輸軟管漂浮于海上，隨著波浪不斷擺動(dòng)，一旦受力過(guò)大發(fā)生斷裂，會(huì)造成大面積的原油泄漏。因此，需在外輸軟管上加上一個(gè)緊急脫開(kāi)裝置，以防止FPSO進(jìn)行輸油作業(yè)時(shí)外輸軟管意外斷裂造成的原油泄漏事故[2-3]。

緊急脫開(kāi)裝置也叫破斷節(jié)(marine breakaway couplings)，與陸上用的拉斷閥[4]原理一致。該裝置是在危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)確保觸發(fā)、瞬間閉合閥門(mén)、極少的滴漏和相對(duì)小的壓力損失。緊急脫開(kāi)裝置的要求是自動(dòng)、可靠、快速脫離，并且保證常規(guī)操作無(wú)動(dòng)作。

緊急脫開(kāi)裝置種類多樣，一般由2個(gè)彈簧力關(guān)閉的單向閥組成，見(jiàn)圖1。按照脫開(kāi)原理可以分為：致斷螺栓型和鋼索拽拉型緊急脫開(kāi)裝置；按照閥門(mén)的關(guān)閉形式，分為推動(dòng)型、翻轉(zhuǎn)型、閥瓣型緊急脫開(kāi)裝置。針對(duì)推動(dòng)型的致斷螺栓脫開(kāi)裝置進(jìn)行裝置的原理分析及設(shè)計(jì)計(jì)算。

圖1 緊急脫開(kāi)裝置結(jié)構(gòu)

1 緊急脫開(kāi)裝置原理

緊急脫開(kāi)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)推動(dòng)型的致斷螺栓脫開(kāi)裝置來(lái)說(shuō)，在正常輸油時(shí)，2個(gè)單向閥常開(kāi)；當(dāng)發(fā)生突發(fā)狀況時(shí)，2單向閥分離，同時(shí)閥門(mén)在彈簧力作用下立即關(guān)閉[5]。

致斷螺栓保證了輸送軟管及連接裝置不受意外張力的損傷，這種張力可以是軸向的也可以是非軸向的。在受到緊急超負(fù)荷外力時(shí)，觸發(fā)緊急脫開(kāi)裝置，分離的單向閥2個(gè)端面內(nèi)部閥門(mén)在瞬間自動(dòng)關(guān)閉，避免原油的泄漏造成環(huán)境污染。通過(guò)幾顆特殊設(shè)定的應(yīng)力致斷螺栓保護(hù)軟管不受損害。注意：該閥的螺栓是一次性的。圖2為致斷螺栓型脫開(kāi)裝置的作用過(guò)程。

圖2 致斷螺栓型脫開(kāi)裝置原理

閥門(mén)的關(guān)閉形式以推動(dòng)型最常用，當(dāng)致斷螺栓斷裂后，2個(gè)閥芯中間連接部分分開(kāi)，閥芯在彈簧作用下將推到與閥體接觸地方實(shí)現(xiàn)密封，彈簧預(yù)緊力的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵。密封圈多安裝于閥芯上，密封圈采用O型圈，材料的耐油性要好。

2 理論計(jì)算

緊急脫開(kāi)裝置實(shí)際也是一種閥門(mén)，其理論設(shè)計(jì)計(jì)算主要包含閥體壁厚、裝置的流量系數(shù)、密封比壓及致斷螺栓設(shè)計(jì)，其中以后2者的設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵。

2.1 閥體壁厚計(jì)算

閥體壁厚的設(shè)計(jì)可參照文獻(xiàn)[6]所用壁厚設(shè)計(jì)公式。

(1)

式中：p——計(jì)算壓力，MPa；

Dn——計(jì)算內(nèi)徑，mm；

[σ]——許用拉應(yīng)力，MPa；

C——腐蝕余量，mm，設(shè)計(jì)給定。

2.2 裝置流量系數(shù)

閥門(mén)的流量系數(shù)是衡量閥門(mén)流通能力的指標(biāo)，流量系數(shù)越大則代表流體通過(guò)閥門(mén)時(shí)的壓力損失越小。緊急脫開(kāi)裝置要求原油外輸時(shí)盡量降低壓力損失，縮短原油外輸?shù)臅r(shí)間，降低外輸?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。

流量系數(shù)表示流體流經(jīng)閥門(mén)時(shí)產(chǎn)生單位壓力損失時(shí)流體的流量，一般式的流量系數(shù)計(jì)算如下[6]。

(2)

式中：C——流量系數(shù)；

qV——體積流量；

ρ——流體密度；

Δp——閥門(mén)的壓力損失。

2.3 密封比壓計(jì)算

緊急脫開(kāi)裝置的2個(gè)單向閥要求在致斷螺栓斷裂時(shí)，保證正常的啟閉并在關(guān)閉時(shí)達(dá)到密封不泄漏，其中閥門(mén)驅(qū)動(dòng)力和密封副密封的合理設(shè)計(jì)計(jì)算是關(guān)鍵。閥門(mén)的驅(qū)動(dòng)力是由閥門(mén)密封副密封設(shè)計(jì)計(jì)算所決定。閥門(mén)能在關(guān)閉時(shí)達(dá)到有效的密封，其密封副密封設(shè)計(jì)計(jì)算是主要環(huán)節(jié)。閥門(mén)密封的副密封，一般采用密封副2平整光滑密封面相互擠壓來(lái)阻止介質(zhì)通過(guò)，因此密封面上的總作用力及密封比壓計(jì)算如下[7]。

(3)

式中：QMZ——密封面上總作用力，N；

QMJ——密封面處介質(zhì)作用力，N；

QM1——彈簧的預(yù)緊力，N。

(4)

式中：DMN——密封面內(nèi)徑，mm；

bM——密封面寬度，mm；

p——計(jì)算壓力，MPa。

(4)

式中：F1——彈簧預(yù)加變形量，mm；

G——材料切變模量，MPa；

d——彈簧直徑，mm；

Dz——彈簧中徑，mm；

n——彈簧有效圈數(shù)。

而密封面上的密封比壓由下式求得。

(5)

q應(yīng)滿足qMF

2.4 致斷螺栓設(shè)計(jì)

緊急脫開(kāi)裝置的2個(gè)單向閥之間靠幾個(gè)致斷螺栓連接，隨著外輸軟管的搖擺，螺栓的受力不斷變化，這里分2種情況進(jìn)行分析計(jì)算：①受最大拉力導(dǎo)致斷裂；②受循環(huán)的脈動(dòng)載荷導(dǎo)致疲勞破壞。

1)最大拉應(yīng)力。

(6)

式中：σmax——最大拉應(yīng)力，MPa；

F——螺栓承受最大拉力，N；

d——螺栓的最小截面直徑，mm。

2)疲勞破壞[8]。拉力幅Fa是影響螺栓疲勞強(qiáng)度的最大因素。

(7)

式中：Fa——螺栓的拉力幅；

Fmax——螺栓的拉力最大值；

F0——螺栓的預(yù)緊力。

由于拉力幅是主要因素，因此可按應(yīng)力幅進(jìn)行螺栓疲勞強(qiáng)度的計(jì)算。

(8)

式中：nsa——計(jì)算安全系數(shù)；

3 結(jié)論

由于各種原因，目前緊急脫開(kāi)裝置在國(guó)內(nèi)尚未有廠家生產(chǎn)，全部依賴國(guó)外進(jìn)口(與外輸軟管一起)。因此，設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)性好、可靠性高、安全性好的緊急脫開(kāi)裝置，具有現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 袁中立,李春.FPSO的現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].石油工程建設(shè),2005(6):25-29.

[2] 徐慧,張彩瑩,羅延生,等.海上漂浮輸油軟管拉伸與彎曲力學(xué)特性[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2012(4):279-282.

[3] 王維相.國(guó)內(nèi)外橡膠軟管工業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].橡膠工業(yè),2000(2):117-121.

[4] 王丹,鄭曉濤,董海杰,等.FPSO外輸軟管破斷節(jié)裝置提升安全性[J].石油與裝備,2013(52):81-82.

[5] 王偉杰,田永花.緊急關(guān)斷球閥在海洋石油平臺(tái)的選型應(yīng)用[J].閥門(mén),2012(4):22-24.

[6] 陸培文.實(shí)用閥門(mén)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[7] 陳國(guó)順.閥門(mén)密封副密封設(shè)計(jì)理論及計(jì)算方法的分析與研究[J].閥門(mén),2010(3):11-13.

[8] 周志鴻,李靜.螺栓疲勞強(qiáng)度計(jì)算方法的對(duì)比與選擇[J].鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具,2005(4):4-10.

Design of the Emergency Release Device for FPSO Off-loading Hose

WANG Dan, ZHAO Hui jun, YU Jie

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

As the offshore oil processing station, FPSO is responsible for transmitting crude oil to oil tankers by off-loading hoses. During transmission, the hoses will be affected by the waves with the risk of leaking crude oil. The emergency release device is developed to protect the hoses. The working principle of the emergency release device was introduced. The valve body thickness, flow coefficient, the sealing pressure and the breaking bolt were studied in detail which provides reference for equipment nationalization.

FPSO; off-loading hoses; emergency release device

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.016

2016-07-10

中海油總公司項(xiàng)目(C/KJF ETCY 003-2010)

王丹 (1986—)，男，碩士，工程師

U674.38

A

1671-7953(2016)05-0062-03

修回日期：2016-08-10

研究方向:海洋石油裝備、設(shè)備密封

E-mail:wangdanbulls2008@126.com