水下油气设施泄漏救援技术研究.pdf

年月 第卷 第期 机 床 与 液 压 收 稿 日 期 基 金 项 目国 家 科 技 重 大 专 项 子 课 题 作 者 简 介尚 宪 朝男工 程 师主 要 从 事 海 洋 石 油 水 下 系 统 与 产 品 的 研 究 与 设 计 水下油气设施泄漏救援技术研究 尚 宪 朝 李 春 生 何 宁 强 王 立 权 曹 曼 王 丽 春 邢 晓 冬 海 洋 石 油 工 程 股 份 有 限 公 司天 津 哈 尔 滨 工 程 大 学 机 电 工 程 学 院黑 龙 江 哈 尔 滨 摘 要针 对 海 洋 石 油 开 采 过 程 中水 下 油 气 设 施 泄 漏 事 故 的 应 急 救 援 需 求提 出 了 水 下 井 口 油 气 泄 漏 救 援 技 术 的 总 体 方 案并 对 该 方 案 的 核 心 部 分控 油 装 置进 行 了 系 统 研 究为 了 保 证 回 收 效 率 及 回 收 率对 控 油 装 置 扣 住 漏 油 点 的 内 部 流 场 进 行 了 流 场 分 析并 对 其 在 海 底 沉 降 量 进 行 了 数 值 模 拟 及 理 论 分 析为 确 保 控 油 装 置 结 构 强 度 和 刚 度 等 适 用 于 下 放 及 控 油 的 工 作 环 境对 控 油 装 置 吊 装 下 放 过 程 进 行 了 强 度 分 析 关 键 词应 急 救 援控 油 装 置流 场 分 析强 度 分 析 中 图 分 类 号 文 献 标 志 码 文 章 编 号 前 言 海 洋 油 气 一 旦 发 生 泄 漏不 仅 污 染 海 洋 环 境更 严 重 危 害 到 了 人 们 的 生 存 环 境因 此海 洋 油 气 开 采 引 发 的 油 气 泄 漏 事 故 应 快 速 救 援以 减 少 泄 漏 造 成 的 损 失 及 对 环 境 的 污 染目 前水 下 井 口 油 气 泄 漏 救 援 技 术 主 要 是 针 对 美 国 墨 西 哥 湾 漏 油 事 故 的 紧 急 救 援 方 法 以 及 我 国 渤 海 蓬 莱 油 田 地 层 泄 漏 收 集 漏 油 的 方 法 结 合 墨 西 哥 湾 漏 油 事 故 及 蓬 莱 漏 油 事 故 的 救 援 方 法提 出 了 水 下 井 口 油 气 救 援 技 术 的 总 体 方 案 和 两 种 控 油 装 置 的 结 构 方 案 通 过 对 控 油 装 置 两 种 结 构 方 案 的 内 部 流 场 的 模 拟 及 分 析确 定 了 控 油 装 置 的 结 构 方 案通 过 土 力 学 分 析确 定 了 控 油 装 置 沉 降 量 与 不 同 土 壤 下 质 量 水 下 井 口 油 气 救 援 系 统 总 体 方 案 图所 示 为 水 下 井 口 油 气 救 援 系 统 总 体 方 案 示 意 图由 图 可 以 看 出该 系 统 由 控 油 装 置转 接 阀快 速 接 头输 油 管浮 球软 管 收 放 装 置泵 及 储 油 船 组 成控 油 装 置 是 整 个 系 统 的 核 心其 目 的 是 扣 住 漏 油 点底 端 与 海 底 实 现 密 封顶 端 与 快 速 接 头 实 现 转 接转 接 阀 的 作 用 是 连 接 控 油 装 置 和 软 管装 在 软 管 上 的 浮 球 是 为 了 增 加 软 管 的 质 量使 软 管 顺 利 下 放 软 管 是 控 油 装 置 及 泵 之 间 的 通 道泄 漏 油 气 通 过 控 油 装 置 及 软 管 输 送 至 海 面 的 储 油 船 上 达 到 了 控 油 的 目 的 图水 下 井 口 油 气 救 援 系 统 总 体 方 案 水 下 井 口 油 气 救 援 系 统 技 术 要 求 为 满 足 我 国 近 海 海 域 由 于 管 道 泄 漏 及 地 层 破 裂 引 起 的 漏 油 事 故 的 紧 急 救 援 需 求文 中 首 先 明 确 了 水 下 油 气 设 施 泄 漏 救 援 技 术 的 适 用 工 况主 要 参 数 指 标 如 下 作 业 最 大 水 深 作 业 土 质 类 型抗 剪 切 强 度 为 的 黏 性 土 层 及 砂 性 土 层 的 海 域 漏 油 面 积 可 控 油 压 范 围 转 接 方 案 装 置 及 工 作 原 理 水 下 井 口 油 气 救 援 系 统 的 顶 部 转 接 结 构 要 求 安 全 可 靠 地 工 作便 于 进 行 水 下 安 装转 接 作 业转 接 结 构 由个 部 分 组 成锥 齿 漏 斗密 封 装 置快 速 接 头 和 手 动 闸 板 阀如 图所 示 为 转 接 装 置 总 体 方 案安 装 时 机 械 手 牵 引 软 管 接 头 先 与 锥 形 漏 斗 实 现 对 接考 虑 到 海 底 复 杂 情 况顶 部 锥 形 漏 斗 形 结 构 有 助 于 海 底 实 现 软 管 接 头 与 快 速 接 头 的 顺 利 对 接在 密 封 装 置 和 手 动 闸 板 阀 右 侧分 别 设 计 的 与 机 械 手 配 合 的 旋 转 手 柄实 现 密 封定 位开 关 的 功 能 图水 下 井 口 油 气 救 援 系 统 转 接 装 置 海 底 工 作 原 理 与 管 道 密 封 装 置 控 油 装 置 的 结 构 设 计 分 为层顶 层 转 接 装 置 实 现 油 气 的 转 接中 层 框 架 由 槽 钢 和 钢 板 组 成主 要 承 受 和 传 递 泄 漏 油 气 的 传 输下 层 结 构 是 钢 板插 入 泥 土 实 现 密 封为 整 个 系 统 提 供 支 撑当 海 底 油 气 因 地 层 破 裂 发 生 漏 油 时控 油 装 置 在 监 控 下 吊 放 至 海 底 油 液 泄 漏 区 域由 于 自 身 质 量使 控 油 装 置 入 泥 至 防 沉 板 处 与 海 底 土 壤 实 现 密 封控 油 装 置 内 收 集 到 的 泄 漏 油 液 经 输 油 管 道 输 送 至 水 面 的 工 程 船 上当 因 海 洋 管 道 破 裂 引 发 泄 漏 事 故 时控 油 装 置 下 放 到 海 底 后 需 扣 住 海 底 漏 油 管 道控 油 装 置 入 泥 与 海 底 土 壤 密 封 的 同 时 也 要 求 控 油 装 置 扣 住 漏 油 管 道并 与 管 道 实 现 密 封图 为 控 油 装 置 在 地 层 破 裂 漏 油 情 况 下 海 底 工 作 示 意 图为 控 油 装 置 在 管 道 破 裂 漏 油 情 况 下 海 底 工 作 示 意 图 图控 油 装 置 海 底 工 作 示 意 图 图为 控 油 装 置 管 道 密 封 装 置密 封 件 通 过 高 强 螺 栓 与 控 油 装 置 底 层 钢 板 连 接管 道 与 控 油 装 置 接 触 点 的 密 封 材 料 采 用 氢 化 丁 腈 橡 胶氢 化 丁 腈 橡 胶 不 仅 具 有 良 好 的 耐 油 性 能耐 磨 等 性 能耐 化 学 品 性 能 是 海 洋 管 道 良 好 的 密 封 材 料 图控 油 装 置 管 道 密 封 装 置 机 床 与 液 压第卷 控 油 装 置 内 部 流 场 分 析 通 过 对 墨 西 哥 湾 及 渤 海 蓬 莱 两 起 典 型 的 海 洋 油 气 泄 露 事 故 的 起 因 及 其 解 决 措 施 的 分 析对 控 油 装 置 内 部 结 构 提 出 了 两 种 方 案见 图图 为 锥 体 结 构图 为 方 体 结 构由 图可 知两 种 方 案 的 结 构 差 异 很 大为 了 准 确 地 分 析 两 种 方 案 的 内 部 流 场两 种 方 案 设 置 相 同 的 初 始 条 件 参 数入 口 宽 度 均 为 出 口 直 径 均 为 高 度 均 为 利 用 软 件 建 立 两 种 方 案 的 几 何 模 型 图控 油 装 置 结 构 模 型 图为 两 种 结 构 在 油 气 冲 击 下 的 流 线 图图 椎 体 结 构 为 模 型 一图 方 体 结 构 为 模 型 二由 图可 以 看 出相 同 流 体 材 料相 同 初 始 条 件 下 模 型 一 和 模 型 二 的 流 线 型 完 全 不 同模 型 一 流 线 型 分 布 较 规 律 且 运 动 方 向 从 模 型 入 口 至 模 型 出 口 方 向 模 型 二 的 流 线 型 分 布 不 均 匀流 线 型 集 中 于 控 油 装 置 内 壁在 控 油 装 置 侧 壁 上 出 现 漩 涡 运 动 且 各 条 流 线 的 流 动 方 向 分 布 不 同一 部 分 流 线 的 流 动 方 向 由 入 口 直 接 流 入 出 口另 一 部 分 的 流 动 集 中 于 控 油 装 置 内 部 后 被 挤 出 图控 油 装 置 结 构 模 型 图为 控 油 装 置 两 种 模 型 的 出 油 管 口 流 速 图从 图 中 可 以 看 出相 同 流 体 材 料相 同 初 始 条 件 下 锥 体 结 构 和 方 体 结 构 的 出 油 管 口 流 速 完 全 不 同锥 体 结 构 相 对 于 方 体 结 构 流 速 较 快 且 顺 畅壁 内 侧 边 缘 有 两 条 急 速 流方 体 结 构 流 速 较 低不 易 流 出 图出 油 口 流 速 图 由 以 上 对 两 种 结 构 的 流 场 分 析综 合 两 种 结 构 的 优 缺 点采 用 两 种 结 构 相 结 合 的 形 式 作 为 控 油 装 置 的 结 构 形 式即 控 油 装 置 上 端 采 用 锥 体 结 构便 于 泄 漏 油 气 的 排 出下 端 采 用 方 体 结 构为 控 油 装 置 提 供 一 定 的 容 积 结 论 通 过 分 析 国 内 外 海 洋 石 油 泄 漏 事 故 的 紧 急 救 援 方 案提 出 了 水 下 油 气 收 集 转 接 救 援 技 术 的 总 体 方 案 通 过 对 控 油 装 置 内 部 流 场 的 模 拟 与 分 析 确 定 控 油 装 置 方 案 为 两 种 结 构 综 合控 油 装 置 上 端 采 用 锥 形 结 构 下 端 采 用 方 形 结 构 参 考 文 献 吕 荣 洁 蓬 莱失 手 油 覆 渤 海 国 企 凌 贵 龙丁 金 滨 从 入 门 到 精 通 北 京清 华 大 学 出 版 社 叶 元 烈机 械 优 化 理 论 与 设 计北 京机 械 工 业 出 版 社 第期尚 宪 朝 等水 下 油 气 设 施 泄 漏 救 援 技 术 研 究