深海油氣井口連接器水下鎖緊及自鎖緊研究及應(yīng)用

楊壯春，孫　維，張鵬舉，施　佳，李曼迪，夏　欣

(1.中海石油深海開(kāi)發(fā)有限公司，廣東 珠海 519000；2.美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200000)

?

深海油氣井口連接器水下鎖緊及自鎖緊研究及應(yīng)用

楊壯春1，孫維1，張鵬舉2，施佳2，李曼迪2，夏欣2

(1.中海石油深海開(kāi)發(fā)有限公司，廣東 珠海 519000；2.美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200000)

摘要：水下采油樹(shù)的井口連接器的規(guī)范等級(jí)為PSL 3G，設(shè)計(jì)壓力為69 MPa(10 000 psi)，溫度范圍為-46～121 ℃。分析了機(jī)械獨(dú)立式井口連接器，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、操作方便和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械鎖緊與解鎖功能，同時(shí)具備自鎖能力，能滿(mǎn)足大通徑、高壓金屬密封要求。根據(jù)API Spec 17D第2版標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)連接器進(jìn)行了理論分析，并應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)連接器的卡牙做了有限元計(jì)算。

關(guān)鍵詞：井口連接器；機(jī)械鎖緊與解鎖；摩擦自鎖；大通徑；高壓金屬密封

近年來(lái)，隨著世界各國(guó)對(duì)海洋油氣資源的大力勘探和發(fā)展，水下采油樹(shù)得到了廣泛應(yīng)用。水下采油樹(shù)井口連接器為采油樹(shù)的重要部件，它可以和采油樹(shù)本體設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，也可以獨(dú)立設(shè)計(jì)，因此，按結(jié)構(gòu)形式劃分，井口連接器包括整體式和獨(dú)立式；但按驅(qū)動(dòng)方式劃分，井口連接器又分為機(jī)械式和液壓式[1]。

圖1　　　液壓整體式井口連接　　　器安裝示意圖

在國(guó)外，水下井口連接器已有成熟的類(lèi)似產(chǎn)品；但在國(guó)內(nèi)，仍然屬于發(fā)展初期。目前，MSP-drilex公司已開(kāi)發(fā)并應(yīng)用的井口連接器有2類(lèi)(見(jiàn)圖1和圖2)：液壓整體式井口連接器和機(jī)械獨(dú)立式井口連接器。本文所分析的水下采油樹(shù)井口連接器為機(jī)械獨(dú)立式井口連接器。

圖2　機(jī)械獨(dú)立式井口連接器安裝示意圖

液壓整體式井口連接器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高，為了保證解鎖功能，一般應(yīng)配備二次機(jī)械式解鎖機(jī)構(gòu)[2]。液壓整體式井口連接器可通過(guò)液壓遠(yuǎn)程控制井口連接器的解鎖與鎖緊，由于液壓密封的需要，連接器的加工精度相對(duì)要求較高。機(jī)械獨(dú)立式井口連接器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作單一，僅需通過(guò)專(zhuān)用工具對(duì)井口連接器的提拉桿進(jìn)行操作，即可實(shí)現(xiàn)連接器的鎖緊與解鎖，且加工精度要求相對(duì)較低。

1方案設(shè)計(jì)

井口連接器的主要功能為實(shí)現(xiàn)采油樹(shù)本體與井口頭的對(duì)接鎖緊和解鎖，在鎖緊時(shí)保證預(yù)密封，并且具備自鎖功能。本文所討論的井口連接器為機(jī)械獨(dú)立式井口連接器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“井口連接器”)，其總體設(shè)計(jì)方案圖如圖3所示。

圖3　井口連接器總體設(shè)計(jì)方案圖

井口連接器與樹(shù)本體是通過(guò)螺紋聯(lián)接的，螺紋為特殊螺紋，具有良好的承壓能力。連接盤(pán)上設(shè)有喇叭口，在安裝時(shí)起到一定的導(dǎo)向作用。采油樹(shù)與井口連接通過(guò)8塊卡牙進(jìn)行鎖緊與解鎖，8塊卡牙安裝于連接器本體中，圍繞中軸呈輻射狀均布(見(jiàn)圖4)。通過(guò)提拉桿下壓下壓環(huán)，使得8塊卡牙整體向中軸線移動(dòng)，從而達(dá)到對(duì)井口頭的鎖緊；提拉桿向上移動(dòng)，下壓環(huán)不再壓緊8塊卡牙，下壓環(huán)與卡牙間存在間隙，當(dāng)使用專(zhuān)用工具收回采油樹(shù)時(shí)，8塊卡牙同時(shí)往回退，從而實(shí)現(xiàn)解鎖。在8塊卡牙鎖緊的過(guò)程中，可以調(diào)節(jié)下壓環(huán)的行程，從而達(dá)到調(diào)節(jié)采油樹(shù)本體與井口頭間的金屬密封預(yù)密封力；同時(shí)，當(dāng)外力撤去時(shí)，由于下壓環(huán)與卡牙接觸面的特殊結(jié)構(gòu)，保證解鎖力始終在當(dāng)量摩擦錐內(nèi)，從而達(dá)到自鎖的目的[3]。

圖4　卡牙

2關(guān)鍵技術(shù)

鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是保證采油樹(shù)與井口連接的關(guān)鍵。它既要承受由環(huán)空高壓引起的軸向分離力，同時(shí)還要保證足夠的密封力，且要求整個(gè)服役期間可靠自鎖。卡牙的卡齒面為特殊的卡齒，卡齒面分布于2α的錐角的錐面上；下壓環(huán)和卡牙的接觸面也處于2α的錐角的錐面上.卡牙徑向截面圖如圖5所示?？ㄑ琅c下壓環(huán)接觸面受力分析圖如圖6所示。圖6中，沒(méi)有體現(xiàn)連接器本體對(duì)卡牙的摩擦力和支承力，卡牙所受的徑向分離力和下壓環(huán)斜面的支持力及摩擦力是確保自鎖的關(guān)鍵因素。對(duì)卡牙的徑向分離力沿斜面做正交分解，正壓力為垂直斜面向左，下滑力為沿斜面向下。設(shè)卡牙與下壓環(huán)的滑動(dòng)摩擦因數(shù)(靜摩擦因數(shù)稍大，此處認(rèn)為相等)為μ，則最大允許的靜摩擦力Fμ=μFn。

圖5　卡牙徑向截面圖　　　　　　圖6　卡牙受力圖

在實(shí)際生產(chǎn)中，井內(nèi)的壓力并不穩(wěn)定，由于井內(nèi)的壓力存在波動(dòng)，必然會(huì)對(duì)井口設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)，這種載荷長(zhǎng)期的作用，仍然可能使得卡牙松動(dòng)，導(dǎo)致密封力減小，引起金屬密封失效；因此，為了確保整個(gè)服役期間可靠自鎖，防止下壓環(huán)軸向的緩慢地微觀竄動(dòng)，應(yīng)在提拉桿上端安裝防松裝置(見(jiàn)圖7)。

圖7　帶有放松裝置的機(jī)械獨(dú)立式井口連接器安裝示意圖

提拉桿上端有多道環(huán)齒結(jié)構(gòu)，防松裝置通過(guò)鎖緊卡塊(類(lèi)似圖5中卡牙的卡齒)嵌入提拉桿的環(huán)齒結(jié)構(gòu)，防松裝置安裝于頂板上，頂板安裝于采油樹(shù)本體頂部，可以起到防提拉桿軸向竄動(dòng)的作用。為了使下壓環(huán)與卡牙在自鎖時(shí)具備一定的預(yù)緊力，通常使卡牙與下壓環(huán)處于過(guò)盈配合，這在保證密封力的同時(shí)，也能延長(zhǎng)井口連接器的防松壽命[4]。

3理論分析

通常保證自鎖的方式有2種：1)在摩擦因數(shù)一定的情況下，盡量減小接觸面的角度；2)在接觸面角度一定的情況下，盡量增大摩擦因數(shù)。水下設(shè)備通常應(yīng)考慮防腐，一方面通過(guò)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)的方法對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)；另一方面通過(guò)防腐涂層進(jìn)行保護(hù)。根據(jù)API SPEC 17D，PTFE涂層的摩擦因數(shù)為μ=0.07，摩擦角φ=arctanμ=4°15′，因此，當(dāng)卡牙和下壓環(huán)采用PTFE做涂層時(shí)，斜面接觸角度應(yīng)≤4°。

在卡牙鎖緊到位后，如果繼續(xù)下壓下壓環(huán)，則卡牙與下壓環(huán)間將過(guò)盈預(yù)緊(見(jiàn)圖8)。圖8中，假設(shè)卡牙與下壓環(huán)間可調(diào)過(guò)盈量為Δδ，下壓環(huán)調(diào)節(jié)位移為ΔL=Δδ/sinα。取Δδ=1 mm，α=4°，則調(diào)節(jié)位移ΔL=19.11 mm；當(dāng)α=3°時(shí)，則調(diào)節(jié)位移ΔL=28.65 mm。顯然，隨著接觸面角度的降低，調(diào)節(jié)位移迅速增大。卡牙與下壓環(huán)位置關(guān)系如圖9所示，考慮到加工制造引起的接觸面偏差，實(shí)際上卡牙與下壓環(huán)的鎖緊先由線接觸，逐漸變?yōu)槊娼佑|，預(yù)緊力不斷增大。由于空間結(jié)構(gòu)的限制，調(diào)節(jié)位移不宜過(guò)大，在可調(diào)節(jié)過(guò)盈量一定的情況下，只能增大接觸面角度；因此，為了保證滿(mǎn)足具有一定調(diào)節(jié)空間的預(yù)緊力的要求，接觸面角度只能在不大于摩擦角的情況下做小幅度改變[5]。

圖8　過(guò)盈與位移　　　圖9　卡牙與下壓環(huán)位置關(guān)系圖

將下壓環(huán)近似看作剛體，變形完全來(lái)自卡牙，忽略卡牙的結(jié)構(gòu)影響，將卡牙看作方塊，則卡牙所受側(cè)向預(yù)緊力可近似表達(dá)為FΔδ=kΔδ。k為剛度系數(shù)，k=EA/L。其中，彈性模量E=206 GPa，接觸面積A=2.165×104mm2，卡牙徑向厚度L=154 mm，則k=2.896×1013N/mm。下壓環(huán)的下壓力為FY=4FΔδ/sinα。函數(shù)μ(Δδ)表示摩擦因數(shù)隨過(guò)盈量增加的變化情況。當(dāng)接觸面接觸距離小到一定程度時(shí)，摩擦因數(shù)會(huì)明顯增大，但卡牙與下壓環(huán)材料間有涂層，因此，摩擦因數(shù)≤1，說(shuō)明下壓力計(jì)算方法是合適的。由此，下壓力可改寫(xiě)為FY=4kΔδ/sinα，取Δδ=1 mm，α=4°，則FY=1.660×1013N，顯然，該力是十分巨大的，實(shí)際不會(huì)產(chǎn)生如此巨大的松動(dòng)力，提供如此巨大的力對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)說(shuō)也是無(wú)法達(dá)到的。井口連接器的設(shè)計(jì)壓力為Pw=69.0 MPa，金屬密封圈的最大冗余直徑(見(jiàn)圖10)G=526.33 mm，則中心分離力FF=4πG·2Pw=1.501×107N。中心分離力即為最大可能的軸向松動(dòng)力。

圖10　金屬密封最大密封直徑示意圖

綜上所述，在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮加工誤差，應(yīng)保證自鎖及足夠的預(yù)緊力，取過(guò)盈量取Δδ=1 mm，接觸面角度取α=4°；但考慮到預(yù)緊困難，可以對(duì)卡牙和下壓環(huán)接觸面做相應(yīng)的處理，使摩擦因數(shù)增大。

4關(guān)鍵件的有限元分析

卡牙的危險(xiǎn)點(diǎn)在卡齒處，它受到井內(nèi)壓力的軸向分離力作用。最大分離力為FFM=4πG·2PT=4πG×2×1.5PT=2.252×107N，每塊卡牙的軸向分離力為FKF=FFM/8=2.815×106N?？ㄑ啦牧闲阅芤?jiàn)表1。

表1　卡牙材料性能

本文分析主要關(guān)注卡牙卡齒的強(qiáng)度。在鎖緊狀態(tài)下，近似將卡牙側(cè)面和地面接觸面看作無(wú)彈性位移，即可在該位置增添剛性約束。有限元分析如圖11所示。由圖11可以看出，最大應(yīng)力強(qiáng)度σeq=455.4 MPa，許用應(yīng)力σE=517 MPa，安全系數(shù)S.F=4σE/σeq=1.135，強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖11　卡牙應(yīng)力云圖

5結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析，可以得出如下結(jié)論。

1)井口連接器的鎖緊型面為錐面；而液壓整體式井口連接器的鎖緊型面為柱面。因此，井口連接器預(yù)緊力可調(diào)節(jié)，其適應(yīng)井內(nèi)壓力變化的能力更強(qiáng)，在長(zhǎng)時(shí)間工作之后，鎖緊型面松動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)下壓預(yù)緊，繼續(xù)維持良好的密封。

2)與液壓整體式井口連接器相比，井口連接器自身沒(méi)有液壓驅(qū)動(dòng)裝置，因此，加工精度、表面粗糙度相對(duì)要求較低；同時(shí)，由于錐面鎖緊型面設(shè)計(jì)，其允許加工誤差能力更高。

3)井口連接器擁有防松機(jī)構(gòu)，在預(yù)緊力不足的情況下，仍然可以依靠防松機(jī)構(gòu)防止提拉桿后退。過(guò)盈量?jī)H需0.01 mm，就可以維持自鎖。

4)MSP-drilex公司已完成對(duì)該井口連接器的壓力測(cè)試，井口連接器鎖緊并實(shí)現(xiàn)高壓(測(cè)試壓力為103.5 MPa)密封，驗(yàn)證了井口連接器強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，密封能力良好。

參考文獻(xiàn)

[1] 董衍輝,段夢(mèng)蘭,王金龍,等.深水水下連接器的對(duì)比與選擇[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，20(4)：111-114.

[2] 高攀,段夢(mèng)蘭,董楠,等.細(xì)長(zhǎng)型井口回接連接器設(shè)計(jì)[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011,18(12)：120-124.

[3] 龔銘煊,劉再生,段夢(mèng)蘭,等.深海水下采油樹(shù)下放安裝過(guò)程分析與研究[J]. 石油機(jī)械，2013,17(4)：151-156.

[4] 李婷婷,董楠,段夢(mèng)蘭,等.深水管道裝置安裝方法研究[J]. 石油機(jī)械，2012,17(5)：178-182.

[5] 王瑩瑩,段夢(mèng)蘭,馮瑋,等.深水管匯安裝方法及其在南海荔灣3-1氣田中應(yīng)用研究[J]. 海洋工程，2011,16(3)：100-104.

責(zé)任編輯鄭練

Deep-sea Wellhead Connector Locking and Self-locking of Underwater Research and Application

YANG Zhuangchun1, SUN Wei1, ZHANG Pengju2, SHI Jia2, LI Mandi2, XIA Xin2

(1.CNOOC Deepwater Development Co., Ltd., Zhuhai 519000, China; 2.Meizuan Energy Technology (Shanghai)Co., Ltd., Shanghai 200000, China)

Abstract：For the subsea wellhead tree connector,the product specification level is PSL 3G, the design pressure is 69 MPa (10 000 psi), and the temperature range is -46-121 ℃. Connector involved is a mechanical type wellhead connector, which has a simple and compact structure, easy operation and high reliability.It can achieve mechanical locking and unlocking function, along with self-locking capabilities, to meet large diameter, high-pressure metal seal claim. According to API Spec. 17D of the second version of the standard requirements of the connector theoretical analysis, and apply software SolidWorks to analyze the card connectors teeth with finite element calculation.

Key words:wellhead connector, mechanical locking and unlocking, friction and self-locking, chase drive, high-pressure metal seal

收稿日期：2015-10-09

作者簡(jiǎn)介：楊壯春(1964-)，男，高級(jí)工程師，主要從事海洋工程等方面的研究。

中圖分類(lèi)號(hào)：TE 952

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B