两种FPSO外输系统中断开式联轴节的使用分析

刘康

（中海油能源发展采油服务公司综合服务公司，天津塘沽，邮编：300452）

1.0 前言

海上油气资源开发是一项高风险的作业活动。特别是近几年来，国内外海上原油泄漏事故频发，对海洋环境造成了严重破坏。随着社会的发展和进步，海洋环境问题也日益得到重视，“保护海洋环境”不再是一句口号。

在海上油气资源开发过程中，原油外输作业是一项非常重要的工作。作业时，需要FPSO、穿梭提油轮、守护船等各方面配合，同时对相应的原油外输设备及辅助设施质量（如外输软管、系泊大缆等）也有很高要求，因此如何降低因原油外输作业事故而导致的原油泄漏风险，是海上作业风险控制的重中之重。

在外输作业过程中，有这样一种风险：由于外输软管内外部压力的突然异常，可能会引起软管破断因而导致原油泄漏。为了降低这种风险，在实际的外输软管使用中，油田通常会配套使用断开式联轴节（Breakaway Coupling）以增加外输软管的使用安全性。

下文我们将通过对中国海域内常用的两种断开式联轴节的原理分析，了解其使用特性和适用性。

2.0 断开式联轴节的类型

FPSO外输软管管线中所使用的断开式联轴节，又被常称为破断阀、自封闭阀。它是为了降低软管因突然受到异常压力而引起原油泄漏风险所配套使用的一种设备。断开式联轴节的最大特点在于轻量、自发安全性较强，安装简便的同时，不需要额外为其提供动力。

由于断开式联轴节是与外输软管配套使用，因此，不同类型的外输软管使用方式决定了其配套使用的断开式联轴节也有不同。在中国海域内，外输软管使用方式有两种，一种是滚筒式，另一种是漂浮式。

滚筒式：在FPSO艉输甲板上，有固定一个专门用于软管收放的滚筒。外输作业的时候，滚筒上缠绕的软管将被逐一释放到海中，待外输作业结束后，再将释放的软管回收至滚筒上。

漂浮式：整组软管无论外输与否，始终都自然漂浮在海面上，不需要频繁地收放。

2.1 滚筒式匹配的断开式联轴节

由于滚筒式外输软管需要在滚筒上频繁收放，而断开式联轴节属钢结构，无法弯曲。因此，这种方式下断开式联轴节必须安装在外输软管快速释放阀（Quick Release Comlock）和外输软管之间，而不能安装在外输软管管线（Hose String）中间，以避免弯曲损坏。这种断开式联轴节通常被称为Hose Reel End。如下图示：

图1：快速释放阀、断开式联轴节和软管

图2：断开式联轴节

2.2 漂浮式匹配的断开式联轴节

由于不存在考虑需要弯曲的问题，只要直径尺寸合适，这种断开式联轴节可以放置在外输软管管线中间的任何位置。而在实际使用中，断开式联轴节必须安装在整组软管管线最容易受到高强度破断力的位置，以确保其发挥作用。因此，漂浮式匹配的断开式联轴节一般安装在软管管线倒数 （从提油穿梭轮算起）第四节和第五节之间。这种断开式联轴节通常被

直接称为Breakaway Coupling。如下图所示：

图1：断开式联轴节位置（白色浮筒处）

图2：断开式联轴节

3.0 滚筒式匹配的断开式联轴节原理

图3：Hose Reel End设计图纸

断开式联轴节需要和滚筒的快速释放阀连接配合使用，所以在分析其工作原理时，必须结合快速释放阀来一起考虑。为便于理解，下列图片显示了快速释放阀与断开式联轴节连接的法兰面；以及快速释放阀的阀门打开时的状态：

图4：快速释放阀法兰面

图5：快速释放阀阀门打开时的状态

根据设计图纸我们可以知道，滚筒式匹配的断开式联轴节内部为套筒结构，且中心有弹簧和联轴器。在没有外输作业的时候，弹簧保持自然状态，有效地密封断开式联轴节，同时快速释放阀的阀门也保持关闭。

在外输作业时，液压系统会将快速释放阀的阀门打开（如图5所示），然后通过快速释放阀阀门的下压动作顶开断开式联轴节的密封板，当断开式联轴节的密封板被下压至管腔最底部后，整个外输通路将被打开，此时可以开始进行外输作业。

当外输作业结束后或者遇到紧急情况需要迅速切断外输管路、解脱外输软管的时候，可以通过液压系统收起快速释放阀阀门，此时断开式联轴节密封板依靠弹簧的张力恢复原位，整个端口即可处于闭合状态。

根据上述原理描述分析可知：当整组软管发生溢油泄漏时，断开式联轴节所起的保护比较小。因此滚筒式匹配的断开式联轴节应该要与安全性更高的双层外输软管配合使用。这种情况下，断开式联轴节的主要作用还是体现在软管如果受内外异常压力影响而发生破断事故需要紧急解脱时能够快速截断油路，以降低大量原油泄漏的风险。

4.0 漂浮式匹配的断开式联轴节原理

漂浮式匹配的断开式联轴节内部有1组8个碟片或者2组共16个碟片以及配套的弹簧，碟片的数量主要取决于它是单向破断自封闭方式还是双向破断自封闭方式。图6是双向破断自封闭方式的断开式联轴节。当它受到的拉力超过额定破断拉力时，内部管体将会分离成两截，此时在弹簧的作用力下管体内的碟片被顶出打开并形成无缝的锥形闭门，整个软管通路被截断。具体变化如下图所示：

图6：Breakaway Coupling设计图纸

图7：Breakaway Coupling工作流程

若使用的断开式联轴节属于单向破断自封闭方式，那么则只会形成某一边的锥形闭门，当然同样也可以截断整个软管通路。

漂浮式匹配的断开式联轴节通常安装在软管管线倒数（从提油穿梭轮算起）第四节和第五节之间，相对于滚筒式匹配的断开式联轴而言，它对外输软管的主动保护程度较高，而且在防溢油方面做的更好。漂浮式匹配的断开式联轴节的设计特点和使用特性决定了它能够有效地和单层软管配套使用，以降低单层软管因破断所导致的溢油风险。

4.0 结论

通过以上两种FPSO外输系统中断开式联轴节的使用原理分析，我们可以知道：

（1）不同的FPSO外输系统需要匹配不同的断开式联轴节；

（2）不同特性的断开式联轴节在结构上和原理上有所差异；

（3）断开式联轴节在外输软管配套使用中是必要的，它能够有效地降低外输软管的溢油风险。