单点系泊系统关键技术探讨
  
作者：刘生法   出处：中国船舶与海洋工程网信息中心   分类：海洋工程
   发布时间：2012/3/15 9:48:45

【摘要】本文从海洋工程单点系泊类型和组成出发，分析了单点系泊关键装置――流体旋转接头的关键技术，描述了该装置国内研究的现状，讨论了实现单点系泊系统完全自主研发的可能性。

【关键词】单点系泊 关键装置 旋转接头 自主研发

On the Critical Technology of Single Point Mooring System

Liu Shengfa

(Guangzhou Marine Engineering Corporation)

[Abstract] In this paper the type and configuration of the SPM system are introduced, the critical technical features of the SPM unit in China are described, the current situation and feasibility in the course of China-localization of the SPM unit are discussed.

[Key Words] SPM, Critical Units, Swivel, Independently R&D

1．前言

油气资源的开发既是国家能源战略的需要，也是经济发展的需要。但目前我国海洋石油钻采装备研发能力和配套能力均与世界发达国家存在较大差距。大多数国产设备质量与可靠性远不及进口设备，不少关键设备尚处于初步研发阶段，有些关键设备至今则还处于空白状态。单点系泊系统就是海洋工程油气产业关键装备之一。长期以来单点系泊系统市场均被国外公司所垄断。要打破垄断，必须解决单点系泊系统的关键装置――高压多通道旋转接头的自主研发问题。

2．单点系泊系统

首先，什么是单点系泊。所谓单点系泊，一般来讲，是指海洋工程船舶通过单点形式系泊在另一个固定式或浮式结构物上，船舶围绕该结构物可以随风浪流作360度回转，由于风标效应，被系泊船舶将会停泊在环境力最小的方位上。对海洋油气开采来说，它同时必须具有流体输转功能。

从单点系泊系统的应用来讲，通常有两大类：海上“FPSO单点系泊系统”和离岸“单点系泊输油终端系统”，前者应用于FPSO定位系泊与流体输转，而后者用于离岸油气装卸，可代替固定式码头。

“FPSO单点系泊系统”用于近海油田开发，是近海油田“井口平台+生产储油轮（FPSO）+单点系泊系统”采油方式中主要组成部分之一。这种开发方式在世界上被广泛应用，我国现有近海油田开采也几乎全部采用这种方式，其简要描述为：井口平台用于安装采油设施，将地下油田的油、气、水三相液体（称为井流）采集上平台，井流通过海底管线输送到FPSO；经过FPSO上配备的油、气、水三相分离设施和其它生产设施对井流进行处理，处理后的原油储存在FPSO油舱内，待定期前来的穿梭油船将原油运输到油库。 在采油期间，根据油藏实际情况，为稳定产量、延长开采寿命会采取一些必要辅助作业措施，例如向油田进行注水或注气/气举作业，这就需要将水或气体从FPSO 输向井口平台注入油层；单点系泊系统用于系泊FPSO，使FPSO 在环境外力（风、浪和流）作用下保持在特定的区域内，作风标运动。在整个开采系统中，井口平台、海底管线是静止不动的，而FPSO 相对于它们是运动的，要保证井流、注水用水、注气/气举用气连续有效、安全地从静止部分传输到运动部分，就是依靠设在单点系泊浮筒上的关键设备――多通道的旋转接头装置完成。

“单点系泊输油终端系统”通常用于外来原油的卸载。单点系泊输油终端系统的组成可分为动和静两大部份，陆上管线、海底管线、筒下软管等属于静的部份，作业时到港油船通过系泊缆与浮筒连接，浮筒在风、浪、流的作用下有一定的升沉和漂移运动，油船与浮筒的转台连接使它始终处于外界作用力合力最小的方向，环绕浮筒有360° 的自由度，所以浮筒及漂浮软管均属动的部份。而在这静与动之间，全靠安装于浮筒上的输油旋转接头沟通连接，使原油的输送得以实现，旋转接头的内环相对于浮筒是不动的，与筒下软管相连，旋转接头的外环是可以转动的与漂浮软管相连，内、外环之间相对运动面由特制的密封环进行密封。输油旋转接头有单通道或多通道，旋转接头设有泄漏检测。管线末端管汇（PLEM）置于海床上，将海底管线和输油软管两大部分连接起来。

为了实现上述单点系泊系统的功能，多年来已发展了多种类型的单点系泊系统，主要有悬链腿系泊系统（CALM）、单锚腿系泊系统（SALM）、内转塔系泊系统（STP）、可解脱立管转塔系泊系统（DRTM）、固定塔系泊系统（FTM）、软刚臂系泊系统（SYM）以及其它派生的系泊系统等。见图1～图6。

3．单点系泊系统关键装置――流体旋转接头

不管是什么类型的单点系泊系统，都涉及到一个关键装置――流体旋转接头（见图7～图9）。流体旋转头的技术已有40多年的历史，40多年来，为了满足油品传输及油田开发的需要，旋转接头技术得到了充分的发展，到目前为止，同时输送的通道数已达到8个以上（见图10），可实现原油、成品油、注水、注气、遥控液压信号、电信号／光信号、高压电力输送等多通道同时传输，成为海上油田现代化生产的传输中心。

旋转接头装置往往处于风、浪、流、潮水等交替作用之下，一旦发生事故，救援困难，所以旋转接头装置必须具有更高的安全性；由于海上设施离岸维修条件差、检修周期长，因此要求旋转接头装置性能可靠、经久耐用；旋转接头装置常处于潮湿盐雾环境中，海水和大气腐蚀问题严重，旋转接头装置应具有更高的耐腐蚀性；旋转接头装置通过的是高压、高温且有腐蚀性的介质，除了满足介质传输功能外，还要保证不能因旋转接头的动密封失效而导致泄漏，发生污染环境的事故，因此在整个采油系统中，旋转接头装置是一个要求极高的关键设备。

旋转接头装置的关键技术问题主要有：整个装置的结构形式、本体材料的选择、材料表面处理、密封件材料和样机试验等。

1）旋转接头装置总布置。装置总的结构形式取决于油田生产设施或输油终端对旋转接头的功能要求，如传输介质、流体压力、温度、流量、通道类型、通道数量等。图11为某油田LNG旋转接头的示意图，其总的结构形式由内环、中间环、轴承环和外环组合而成，密封结构采用轴向动态密封、径向静态密封方式。图12为BZ34油田软刚臂单点系泊系统旋转接头示意图，其总的结构形式由内环和外环组合而成，密封结构采用径向动态密封方式。前一种形式结构较复杂，但密封效果好；后一种形式结构较简单，易于制造，装配累积公差较易控制，但对密封环要求稍高。

2）旋转接头本体材料。本体材料的选择，既要考虑其耐油介质腐蚀、耐海水腐蚀，还要考虑其耐压等级和结构强度。对于LNG传输、高压介质传输等较高端的应用（如CFD11油田的旋转接头），往往采用双相不锈钢材料和锻造工艺，因其具有较高的机械性能、较好的延展性、耐低温特性和耐麻点腐蚀性能等，但显然具有较高的制造成本。对于原油传输应用（如BZ25-1油田的旋转接头），多采用碳钢材料和铸造工艺，铸造时加铝颗粒或铌元素进行晶粒细化，同时注意克服铸造缺陷；在与密封接触的铸钢上进行特殊表面处理，如堆焊一层625镍铬钢，既能保证足够的强度、较好的耐高温、耐腐蚀性和较高的耐磨性，又具有较好的经济性。

3）密封件。旋转接头密封材料的主要要求是：在工作介质中有良好的稳定性，即不易膨胀及收缩、难溶解、软化和硬化；在工作介质中压缩恢复性大，永久变形小；有适当的机械强度和硬度，受工作介质影响后，其变化小；耐热性、耐寒性及吸振性能好；耐磨性好，摩擦系数小；耐老化性好等。能较好地满足这些要求的材料目前有填充聚四氟乙稀材料，即以PTFE为基体添加各种填料进行改性，常用的有青铜粉填充、玻璃纤维填充、碳纤维填充等，这些填充剂可降低热膨胀系数，改善热传导能力，增加耐磨性，提高抗压能力，增强抗冷流（蠕变）性能等。当然，密封件材料研制还必须与密封配合面相“配对”，并经过大量试验才能确保可靠性。

在完成了旋转接头的样机制造后，还必须制造专门的试验台架，对旋转接头进行静压试验、动态密封试验和耐久试验，以确保研制项目的成功。

4．关于单点系泊关键装置的自主研发

我们知道单点系泊系统是海工装备的关键配套设备之一，而其关键装置长期以来被国外的APL、SBM、SOFEC等公司所垄断，要打破垄断，必须进行自主研发。事实上，国内多年前已经开始了自主研发工作，具备了进行该装置国产化的技术条件。

1989年由广州船舶及海洋工程设计研究院抓总，联合广州机床厂和重庆液压件厂承担了当时国家科委下达的攻关项目――单点系泊关键装置――旋转接头的研制工作，1991年成功研制了SS-800型输油旋转接头，该成果于1994年获国家科学技术委员会颁发的国家科技成果证书。SS-800型输油旋转接头的研制成功填补了我国海上油田开发设备的一项空白。但是由于没有后续资金支持，没有进一步研制出可在输油终端或FPSO上实际使用的完整装置，所以很多年都没有实现产业化。

2006年底广船院完成了用于近海油田开发的“单点液体旋转接头专题研究”项目，设计了具有3通道的SS-1200型液体旋转接头，并顺利通过中海油公司的验收，密封结构形式也获得了国家专利。但由于投入的经费非常少，远远不足以进行样机研制，这次研究止步于设计图纸（达到送审设计深度），未能走到样机试制阶段。

2008年，在有关单位的努力下，单点系泊关键装置项目被成功纳入了工信部《海洋工程装备科研项目指南》，广船院在该项目申报中也顺利通过了专家审查，但由于没有市场项目依托（即谁来首先采用国产设备的问题），该项目暂缓正式立项。当然对单点系泊系统的潜在用户（如中海油），他们希望客户提供可靠的、可实际使用的产品，这也合乎情理。但是不是带来了一个“先有鸡还是先有蛋”的问题呢？即是先有依托项目呢还是先有可用的产品？而国产的可用产品又从哪里来？要解决这个问题，国家应尽快制定自主创新优惠政策，其中最重要的是要建立国产海工关键装备首台套应用保障机制。

参考文献：

[1] 30万吨级单点系泊输油终端系统可行性报告――广州船舶及海洋工程设计研究院，2001.4

[2] SS-1200单点液体旋转接头装置专题研究报告――广州船舶及海洋工程设计研究院，2006.12

[3] 单点旋转接头更换不停产程序技术与应用――刘继伦，《中国海上油气（工程）》，1999.10

[4] Fluid Transfer Systems for LNG FPSOs，INTSOK LNG Seminar – Perth October 2004