深水水平連接器注水罩設(shè)計(jì)

羅 俊，趙宏林，李 博，趙三軍，劉亞磊，段夢蘭

（1.中國石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2.中海石油研究總院，北京100027）①

深水水平連接器注水罩設(shè)計(jì)

羅 俊1，趙宏林1，李 博2，趙三軍1，劉亞磊1，段夢蘭1

（1.中國石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2.中海石油研究總院，北京100027）①

針對深水水平套筒式連接器的特殊連接方式，以連接器的安裝工具與注水罩的安裝工具共用的原則，設(shè)計(jì)了卡爪式注水罩。分析了卡爪式注水罩的工作原理和安裝過程，驗(yàn)證了卡爪式注水罩結(jié)構(gòu)的合理性。對卡爪式注水罩的鎖緊機(jī)構(gòu)及其卡爪進(jìn)行了受力分析，通過有限元計(jì)算，校核了注水罩結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。結(jié)果表明：卡爪式注水罩結(jié)構(gòu)合理，強(qiáng)度滿足工程需要。

水下連接器；注水罩；卡爪；鎖緊機(jī)構(gòu)

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對能源尤其是石油資源的需求與日俱增，海洋油氣的開采也就越來越重要［1-3］。全球油氣資源中約44%分布在水深300 m以下的水域，走向深水是未來油氣田開發(fā)的總趨勢［4-5］。水下采油樹、水下管匯、水下處理設(shè)備以及將其連接在一起輸送到水上結(jié)構(gòu)的連接設(shè)備組成了水下生產(chǎn)系統(tǒng)。海底輸油氣管道是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，在海洋石油開發(fā)中發(fā)揮著重要作用［5-7］。

深水水平套筒式連接器廣泛應(yīng)用于水下作業(yè)設(shè)備中，在水下生產(chǎn)系統(tǒng)尤其是管道連接中占據(jù)重要地位［7］。轂座是連接器的關(guān)鍵部分之一，是管道連接的結(jié)合點(diǎn)。注水罩是深水水平套筒式連接器安裝過程必要的配件之一，在管道連接之前，每個(gè)轂座上都安裝有注水罩或壓力罩，起到保護(hù)、封堵和密封轂座的作用。

注水罩廣泛應(yīng)用在水下生產(chǎn)設(shè)備上，其生產(chǎn)也是與相關(guān)產(chǎn)品打包在一起，國外很多公司（例如Oil States、Cameron和FMC等）對其設(shè)計(jì)研究較多［8］，并有成熟產(chǎn)品，國內(nèi)鮮有這方面的研究。本文針對此現(xiàn)狀進(jìn)行了深水連接器注水罩的設(shè)計(jì)研究。

1 深水水平套筒式連接器

深水連接器是一種應(yīng)用于深水無人潛水可操作條件下的管道連接工具，采用操作方便、性能可靠的卡爪連接方式，廣泛應(yīng)用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)中管道連接處或采油樹上管道間的對接及管道維修［9-10］。跨接管與水下生產(chǎn)系統(tǒng)包括采油樹、中心管匯、跨接管等，如圖1所示。

圖1 跨接管與水下生產(chǎn)系統(tǒng)

深水水平套筒式連接器由2部分組成：①水下生產(chǎn)系統(tǒng)管道端，為水下固定部分，與跨接管相互連接的接受端就是轂座總成；②跨接管，兩端是帶卡爪的連接器，主要由連接器本體、驅(qū)動(dòng)環(huán)、卡爪、HUB、對中導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以及密封元件組成。通過連接器安裝工具，就可以將跨接管與水下生產(chǎn)系統(tǒng)管道連接起來。安裝完畢后，連接器安裝工具就可以撤離。轂座是深水水平套筒式連接器的關(guān)鍵部分之一，如圖2所示。在連接器連接之前注水罩安裝在公輪轂上，以保護(hù)轂座和進(jìn)行注水試驗(yàn)。

圖2 水平套筒式連接器轂座總成

注水罩的鎖緊機(jī)構(gòu)采用與連接器相同的方式，即驅(qū)動(dòng)環(huán)在驅(qū)動(dòng)液壓缸的推力下，卡爪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)卡爪對公母轂座的鎖緊。因此，連接器的安裝工具也用于注水罩的安裝。連接器安裝工具如圖3所示，它是由ROV控制面板、定位板、對中板、驅(qū)動(dòng)板、后擋板、前吊起機(jī)構(gòu)、后吊起機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)液壓缸、對接液壓缸、鎖緊液壓缸、對中液壓缸及徑向鎖緊機(jī)構(gòu)等組成。

圖3 水平套筒式連接器安裝工具

2 注水罩的總體設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

注水罩的作用是在連接器安裝之前對轂座進(jìn)行密封、保護(hù)、封堵以及注水加壓等，適用于1 500 m水深。由于注水罩安裝在連接器的的轂座上，因此，注水罩的安裝機(jī)具和連接器的安裝機(jī)具是同一個(gè)。由于深水的安裝過程是在ROV的輔助下完成的，能見度極低，因此在作業(yè)時(shí)采用水下攝像機(jī)監(jiān)測其安裝過程［11］。

1個(gè)采油樹上預(yù)留有多個(gè)轂座，用以與其他設(shè)備連接。而在采油樹下放之前，這些轂座都安裝有注水罩或壓力罩。一般情況下，1個(gè)采油樹上僅有1個(gè)注水罩，其余都是壓力罩。注水罩主要由吊耳、控制面板、定位鞍／支撐架、驅(qū)動(dòng)環(huán)、連接蓋、卡爪等組成，如圖4所示。其安裝原理是在安裝工具的作用下推動(dòng)驅(qū)動(dòng)環(huán)實(shí)現(xiàn)卡爪的鎖緊。

圖4 注水罩

2.2 控制面板

注水罩的主要作用之一就是對管道內(nèi)注水加壓，因而控制面板必須包含注水加壓接口，以實(shí)現(xiàn)對管道內(nèi)注水加壓。如圖4所示，在控制面板上有2個(gè)手動(dòng)閥操作桿、1個(gè)快速接頭（Hot Stab）和ROV把手。其中有2個(gè)閥的操作桿，1個(gè)是注水功能閥操作桿，另1個(gè)是排泄口的閥操作桿，在進(jìn)行壓力測試的時(shí)候，控制液體的關(guān)斷和排水、氣；還設(shè)計(jì)了1個(gè)快速接頭的接口，用來接入快速接頭，實(shí)現(xiàn)加壓和注水功能。

注水罩僅實(shí)現(xiàn)注水加壓功能，其液壓控制系統(tǒng)原理比較簡單，如圖5所示?？刂泼姘迳霞闪艘缌鏖y，壓力表和換向閥。原理圖中油箱、泵和電機(jī)主要由ROV提供，ROV將快速接頭插入到控制面板上的Hot Stab接口，實(shí)現(xiàn)接通。

圖5 控制原理

2.3 卡爪的設(shè)計(jì)

卡爪是深水水平套筒式連接器注水罩的關(guān)鍵部分。由于采用卡爪抓合卡緊的形式，國內(nèi)外的相關(guān)設(shè)計(jì)中，大多采用20個(gè)卡爪環(huán)繞轂座抓合的形式；這樣可以使卡爪受力均勻，提高其承載能力。由于注水罩本身的質(zhì)量沒有連接器大，而且其所受到的彎矩和轉(zhuǎn)矩也不大，本設(shè)計(jì)采用10個(gè)卡爪，卡爪結(jié)構(gòu)形式和其鎖緊完成如圖6所示?？ㄗ︽i緊后，其主要受到管道內(nèi)壓形成的反作用力、驅(qū)動(dòng)環(huán)的推力、海水壓力等，卡爪在這些力的作用下受力平衡。根據(jù)卡爪鎖緊原理，卡爪的一端必須能保證繞某一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，這樣就能可靠鎖緊和防止脫落，并且避免卡死現(xiàn)象的發(fā)生。

管道連接時(shí)的預(yù)緊力是由卡爪連接時(shí)的連接力提供的，一般情況下有如下規(guī)定：連接時(shí)，預(yù)緊應(yīng)力原則上不能超過其材料的屈服極限σs的80%。一般連接用的鋼制螺栓連接的預(yù)緊力F0，對于選用的合金鋼材料，推薦的確定關(guān)系為F0≤（0.5～0.6）σsA1（1）式中：A1為危險(xiǎn)截面面積，mm2。

對接管道在結(jié)合面處要受流體的作用力，其大小滿足關(guān)系FD＝πr2ΔpL（2）式中：FD為管道內(nèi)流體產(chǎn)生的壓力，N；r為管道內(nèi)徑，mm；ΔpL為管道兩端的壓差，Pa。

圖6 卡爪與完成安裝的卡爪

2.4 自鎖面的選定和計(jì)算

所謂自鎖面即面和面之間的自鎖，就是當(dāng)粗糙表面的靜摩擦因數(shù)大于或等于tanα（α為斜面的傾角）時(shí)，物體在靜摩擦力作用下不會(huì)自行下滑，即產(chǎn)生自鎖，所以自鎖與斜面傾角和物體表面的粗糙度也即物體表面的靜摩擦因數(shù)有關(guān)。自鎖面選擇得合理，可使零部件結(jié)構(gòu)滿足自鎖要求、工作可靠；反之，不僅結(jié)構(gòu)不合理，還可能導(dǎo)致自鎖失效，甚至破壞零件的結(jié)構(gòu)。如圖6，卡爪與驅(qū)動(dòng)環(huán)接觸的有1#面、2#面2個(gè)接觸面，通過分析對比，最適合做自鎖面的為2號面。其原因在于：1#面為驅(qū)動(dòng)環(huán)導(dǎo)向面，導(dǎo)向不能實(shí)現(xiàn)自鎖功能；2#面軸向距離長，而且為卡爪閉合狀態(tài)正好與驅(qū)動(dòng)環(huán)接觸的面，做自鎖面時(shí)可有效進(jìn)行自鎖。

通常，金屬材料與金屬材料之間在有潤滑情況下，靜摩擦因數(shù)一般取0.15；考慮到在水下作業(yè)時(shí)，卡爪與驅(qū)動(dòng)環(huán)接觸之間有海水，取摩擦因數(shù)為0.15。根據(jù)自鎖面傾角與摩擦因數(shù)的公式，有

得：α≤8.5°。

根據(jù)以上受力分析及注水罩應(yīng)用場合，管道內(nèi)部壓力為51.7 MPa，管道內(nèi)徑為304.8 mm（12英寸），管道兩端的壓力差取極限條件即管道內(nèi)部壓力，即51.7 MPa，帶入式（2）計(jì)算得：FD＝3 770 k N。由于設(shè)計(jì)采用10個(gè)獨(dú)立卡爪均布于轂座圓周抓合的形式，則每個(gè)卡爪受力為

考慮工作面長度和自鎖可靠性，設(shè)計(jì)中取自鎖面的斜度θ（即卡爪鎖緊狀態(tài)下與轂座軸線夾角）為4°。如圖6所示，2#面為驅(qū)動(dòng)環(huán)提升卡爪張開時(shí)的工作面，考慮到卡爪的形狀為圓環(huán)狀1周包覆在轂座上，所以此處面設(shè)計(jì)成與連接管道軸線有傾角的圓錐面。傾斜角度θ計(jì)算依據(jù)為：保證卡爪能抓到轂座底部，并避免卡爪在切入下轂座時(shí)不與下轂座相碰。故卡爪從閉合到張開時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度與卡爪兩齒尖的距離d和轂座高度h之間滿足下列關(guān)系［12］，即

3 鎖緊機(jī)構(gòu)承載能力計(jì)算

卡爪式注水罩鎖緊機(jī)構(gòu)的核心部件是驅(qū)動(dòng)環(huán)和卡爪，這兩者是承受各種載荷的關(guān)鍵點(diǎn)，需要對其承載能力進(jìn)行計(jì)算。利用有限元分析軟件Abaqus建

立卡爪鎖緊狀態(tài)下的有限元模型，如圖7所示。

圖7 鎖緊機(jī)構(gòu)有限元模型

使用上述模型分別對鎖緊機(jī)構(gòu)所能承受的最大彎矩和拉壓載荷進(jìn)行分析。由于模型是周向360°對稱的，在使用Abaqus分析時(shí)采用模型的1／2進(jìn)行網(wǎng)格劃分和載荷施加。給鎖緊機(jī)構(gòu)施加極限彎矩、極限拉力和極限壓力，取安全系數(shù)為1.5，材料的最大應(yīng)力、不同載荷以及危險(xiǎn)位置如表1所示。

表1 不同載荷下的計(jì)算數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1） 設(shè)計(jì)了一種用于深水管道的卡爪式注水罩，分析了其工作原理，完成了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、卡爪的設(shè)計(jì)。

2） 通過注水罩的功能與安裝過程分析，卡爪式注水罩適合用于深水管道轂座的保護(hù)、密封以及加壓試驗(yàn)。

3） 通過卡爪的理論分析和鎖緊機(jī)構(gòu)有限元分析及承載能力計(jì)算，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和方案的可靠性。

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Design of Deepwater Horizontal Collet Connector Flooding Cap

Aiming at the special connection mode of deep-water horizontal collet connector and the sharing of the installation tool，the claw type flooding cap was designed with three-dimensional software solidworks，its working principle and installation process were analyzed.The design was verified rationality.A detailed theoretical analysis of its locking mechanism and its claw was carried out.The feasibility of its structure was verified.The result of finite element analysis showed that the strength of the flooding cap mechanical structure meets the project needs.

subsea connector；flooding cap；claw；locking mechanism

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.008

1001-3482（2014）11-0032-04①

2014-05-29

國家科技重大專項(xiàng)“水下管匯連接器樣機(jī)研制”（2011ZX05026-003-02）

羅 俊（1991-），男，陜西漢中人，碩士研究生，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論、海洋油氣裝備的研究，E-mail：luojun20080901＠126.com。