立式采油樹油管掛安裝工具C形環(huán)開口角度分析

易黃高，羅曉蘭，劉亞男，程友祥，王　懿，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．重慶前衛(wèi)海洋石油工程設(shè)備有限責(zé)任公司，重慶 401121)

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立式采油樹油管掛安裝工具C形環(huán)開口角度分析

易黃高1，羅曉蘭1，劉亞男1，程友祥2，王懿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．重慶前衛(wèi)海洋石油工程設(shè)備有限責(zé)任公司，重慶 401121)

油管懸掛器安裝工具和油管懸掛器之間依靠C形鎖緊環(huán)連接。C形鎖緊環(huán)的初始開口角度影響其強(qiáng)度，是設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。針對立式采油樹的油管懸掛器安裝工具，在水深為500 m，壓力等級為34.47 MPa(5 000 psi)，設(shè)計(jì)溫度為-18～121 ℃的條件下，計(jì)算了C形鎖緊環(huán)鎖緊所需的液壓驅(qū)動力。建立有限元計(jì)算模型，使用ABAQUS軟件分析研究了C形鎖緊環(huán)初始開口角度對其強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：初始開口角度在20～30°為宜，C形鎖緊環(huán)的應(yīng)力較小、使用壽命長。

油管懸掛器；安裝工具；C形鎖緊環(huán)

深水水下采油樹是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分[1]，它的運(yùn)行狀態(tài)決定了水下油氣生產(chǎn)的效率和狀態(tài)。水下采油樹的種類繁多，按照安裝方法可分為立式采油樹(如圖1)和臥式采油樹2種[2]。相比于臥式采油樹，立式采油樹的結(jié)構(gòu)簡單，安裝操作方便[3]。立式采油樹的油管懸掛器位于井口頭內(nèi)部，是采油樹的重要部件之一，在安裝過程中需先于立式采油樹樹體進(jìn)行安裝。油管懸掛器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，作用重大，因此，需要通過油管懸掛器安裝工具(THRT)進(jìn)行下放、安裝。油管懸掛器安裝工具的好壞決定油管懸掛器安裝是否順利，并影響整個(gè)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的狀態(tài)。

圖1　立式采油樹

水下立式采油樹及配套安裝工具的關(guān)鍵技術(shù)長期以來一直被國外廠商所壟斷，并實(shí)施專利保護(hù)和技術(shù)封鎖[4]。國內(nèi)對深水采油樹研究還處于初始階段，而對深水采油樹的配套安裝工具的研究更是處于起步階段。中國石油大學(xué)(北京)王軍[4]等和韋卓[5]等主要針對井口連接器和油管懸掛器的鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究分析；趙宏林[6]等針對油管懸掛器下放工具進(jìn)行了關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)和簡要分析，但未深入探討各關(guān)鍵參數(shù)對結(jié)構(gòu)的具體影響。為保證油管懸掛器的安裝順利，需對油管懸掛器安裝工具鎖緊機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件——C形鎖緊環(huán)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

1　油管懸掛器安裝工具鎖緊機(jī)構(gòu)的工作原理

油管懸掛器安裝工具與油管懸掛器之間的連接是通過鎖緊機(jī)構(gòu)與油管懸掛器上相應(yīng)的鎖緊槽之間的相互嚙合來實(shí)現(xiàn)。C形鎖緊環(huán)有良好的彈性，結(jié)構(gòu)簡單、可靠，可以實(shí)現(xiàn)較大的變徑，滿足設(shè)計(jì)要求。另外，C形鎖緊環(huán)可以在自身彈力作用下自動收縮解鎖，安全、可靠。因此，油管懸掛器安裝工具的鎖緊機(jī)構(gòu)常選用C形鎖緊環(huán)，如圖2所示。

1—驅(qū)動環(huán) ；2—C形鎖緊環(huán)；3—安裝工具主體；4—定位鍵；5—限位環(huán)。

此鎖緊機(jī)構(gòu)的工作原理為：鎖緊時(shí)，通過液壓作用推動驅(qū)動環(huán)下移，驅(qū)動環(huán)外錐面與C形鎖緊環(huán)內(nèi)錐面相互作用，促使C形鎖緊環(huán)張開，與油管懸掛器上的鎖緊槽相互嚙合，從而實(shí)現(xiàn)鎖緊機(jī)構(gòu)的鎖緊。解鎖時(shí)，實(shí)行反向操作，驅(qū)動環(huán)向上移動，C形鎖緊環(huán)失去內(nèi)側(cè)支撐，在自身彈力作用下自動收縮解鎖。因此，鎖緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及液壓驅(qū)動力大小的計(jì)算是保證油管懸掛器安裝工具安全工作，順利實(shí)現(xiàn)油管懸掛器安裝工具與油管懸掛器之間連接的關(guān)鍵。C形鎖緊環(huán)是鎖緊機(jī)構(gòu)上的主要部件，由于定位鍵的存在，C形鎖緊環(huán)具有一定的初始開口角度，對C形鎖緊環(huán)的強(qiáng)度造成影響，因此需要對其進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)研究。

2　C形鎖緊環(huán)鎖緊所需液壓驅(qū)動力計(jì)算模型

如圖2所示，初始狀態(tài)時(shí)，C形鎖緊環(huán)平放在油管懸掛器臺肩上。取鎖緊環(huán)上某一剖面進(jìn)行分析，其受力如圖3c所示。鎖緊環(huán)內(nèi)錐面角度為45°，內(nèi)錐面受到驅(qū)動環(huán)的壓力Fn和摩擦力Fμ的共同作用，將其合力F分解為水平分量F1和豎直分量F2，水平分量F1可以看作是驅(qū)動環(huán)施加給C形鎖緊環(huán)的鎖緊力，豎直分量F2可以近似看作液壓驅(qū)動力。

分析圖3c可知：

α+β=45°

(1)

tanβ=μ

(2)

(3)

在式(1)～(3)中，F(xiàn)1為合力的水平分量；F2為合力的豎直分量；α和β為力的角度。

鎖緊環(huán)在鎖緊過程中，驅(qū)動環(huán)向下運(yùn)動，使C形鎖緊環(huán)向外擴(kuò)張，C形鎖緊環(huán)的徑向受力如圖3b所示。圖3b中的水平分量F1可近似看作是徑向均布線載荷q在鎖緊環(huán)圓周上的合力。

a　C形鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)

b　C形鎖緊環(huán)徑向受力

c　C形鎖緊環(huán)剖面受力分析

F1=q×2πR

(4)

式中：q為徑向均布線載荷；R為C形鎖緊環(huán)的半徑。

C形鎖緊環(huán)的材料為30W4Cr2VA，驅(qū)動環(huán)的材料為20CrNiMo，兩種材料之間的摩擦因數(shù)為0.15。鎖緊環(huán)截面如圖4，形心位于簡化的z軸上，則鎖緊環(huán)的截面慣性矩為Iz=2.336×10-9m4，抗彎截面系數(shù)為W=1.168×10-7m3。

圖4　鎖緊環(huán)截面

該鎖緊環(huán)為C型環(huán)結(jié)構(gòu)，可以視為軸對稱模型，簡化的C形鎖緊環(huán)力學(xué)模型如圖5a所示。取其上半部分進(jìn)行分析，可以簡化為懸臂梁模型，如圖5b。因此，為求液壓缸所需最大液壓驅(qū)動力，需在鎖緊環(huán)處于完全鎖緊狀態(tài)時(shí)，先利用莫爾積分法求出最大徑向載荷q值，后通過式(1)～(4)中的受力關(guān)系推導(dǎo)出液壓驅(qū)動力值。

a　C形鎖緊環(huán)初始和鎖緊后狀態(tài)

b　C形鎖緊環(huán)簡化受力

徑向載荷q作用下，圓心角φ的m-n截面處的彎矩為：

(5)

(6)

B點(diǎn)處的鉛直位移為：

(7)

(8)

B點(diǎn)處的水平位移為：

(9)

由幾何關(guān)系可知：

(10)

式(5)～(10)中：θ=∠BOC，為C形鎖緊環(huán)初始開口角度；φ為m-n截面處的圓心角；Δ為鎖緊環(huán)截面B處的最終變形量，如圖5所示；Δ1為鎖緊環(huán)截面B的鉛直位移量；Δ2為鎖緊環(huán)截面B的水平位移量；E為鎖緊環(huán)的材料的彈性模量；Iz為鎖緊環(huán)的截面慣性矩。

則徑向載荷q與B點(diǎn)位移Δ之間的關(guān)系如式(13)所示。

(11)

(12)

3　C形鎖緊環(huán)鎖緊所需液壓驅(qū)動力ABAQUS計(jì)算

油管懸掛器安裝工具鎖緊機(jī)構(gòu)由安裝工具主體、驅(qū)動環(huán)、C形鎖緊環(huán)組成，C形鎖緊環(huán)工作時(shí)，坐落在油管懸掛器安裝工具的臺肩上，在驅(qū)動環(huán)的作用下，C形鎖緊環(huán)張開嵌入TH上的鎖緊槽中。因此，鎖緊機(jī)構(gòu)的有限元模型包括安裝工具主體、驅(qū)動環(huán)、C形鎖緊環(huán)，如圖6所示。

1—驅(qū)動環(huán)；2—C形鎖緊環(huán)；3—安裝工具主體。

有限元模型采用顯式準(zhǔn)靜態(tài)分析模型。計(jì)算中選取C形鎖緊環(huán)的材料為30W4Cr2VA，油管懸掛器安裝工具主體和驅(qū)動環(huán)的材料為20CrNiMo，上述材料均選用理想彈塑性模型。材料參數(shù)如表1所示。

表1　各部件材料屬性

鎖緊過程中，由于油管懸掛器安裝工具主體是固定的，故其邊界條件設(shè)為完全固定。驅(qū)動環(huán)在驅(qū)動力的作用下，有豎直向下的運(yùn)動，因此，約束其U2方向上的位移為-0.02 m，其他方向上的位移為0。C形鎖緊環(huán)在油管懸掛器安裝工具主體的限制下，僅在水平面上有一定的位移，不需要再進(jìn)行限制。

鎖緊環(huán)鎖緊過程中，鎖緊環(huán)外表面和驅(qū)動環(huán)內(nèi)表面之間建立接觸分析。提取其接觸面之間的作用力，獲得接觸力與驅(qū)動環(huán)位移的關(guān)系數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到接觸力與驅(qū)動環(huán)位移的曲線，如圖7所示。

圖7　接觸力大小與驅(qū)動環(huán)位移之間的關(guān)系

第1階段，隨著分析步時(shí)間的增加，驅(qū)動環(huán)向下的位移增大，鎖緊環(huán)PQ段與驅(qū)動環(huán)錐面接觸且接觸位置從P向Q運(yùn)動(如圖4)，鎖緊環(huán)從初始狀態(tài)(G)直到完全鎖緊(H)，隨著驅(qū)動環(huán)位移的不斷増加，接觸力不斷增大，到達(dá)H點(diǎn)時(shí)接觸力達(dá)到最大值8 074.1 N。

第2階段，驅(qū)動環(huán)到了鎖緊環(huán)Q點(diǎn)處，鎖緊環(huán)接觸位置由PQ段過渡到QR段，驅(qū)動環(huán)與鎖緊環(huán)之間的接觸力突然下降。

第3階段，鎖緊環(huán)QR段開始與驅(qū)動環(huán)之間建立接觸，接觸力突然上升。

第4階段，JK段接觸力趨于平緩，此階段主要克服驅(qū)動環(huán)與鎖緊環(huán)之間的摩擦力，該摩擦力大小約為7 638.05 N，小于第1階段中出現(xiàn)的最大接觸力8 074.1 N。

綜上，接觸力最大值出現(xiàn)在圖7中H點(diǎn)處，對應(yīng)為鎖緊環(huán)上Q點(diǎn)附近，最大接觸力為8 074.1 N，與理論計(jì)算得的F2=8 703.3N之間誤差約為7.8%，其結(jié)果滿足工程需求，ABAQUS計(jì)算模型滿足要求。

4　C形鎖緊環(huán)開口角度對鎖緊環(huán)強(qiáng)度的影響計(jì)算

4．1鎖緊時(shí)開口角度對鎖緊環(huán)強(qiáng)度的影響

C形鎖緊環(huán)鎖緊過程中，鎖緊環(huán)的初始開口角度的不同，造成截面B的位移量的不同，鎖緊環(huán)上最大應(yīng)力值也不同，下面分別取C形鎖緊環(huán)的初始開口角度θ(即圖5a中∠BOC)為20、30、40、50、60°，計(jì)算C形鎖緊環(huán)的最大應(yīng)力，如圖8所示(以30°為例)，C形卡環(huán)的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在卡環(huán)外表面上，距離開口約1/3圓周處，最大應(yīng)力值為161.9 MPa，小于材料的許用應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

圖8　初始開口角度為30°時(shí)C形鎖緊環(huán)的最大應(yīng)力值

不同初始開口角度下，C形鎖緊環(huán)的最大應(yīng)力值不同。初始開口角度與C形鎖緊環(huán)最大應(yīng)力之間的關(guān)系曲線如圖9所示。

圖9　最大應(yīng)力與初始開口角度之間的關(guān)系

如圖9所示，不同初始開口角度下，C形鎖緊環(huán)的最大應(yīng)力值不同。C形鎖緊環(huán)的開口角度越大，C形鎖緊環(huán)上的最大應(yīng)力越小?？紤]C型鎖緊環(huán)在工作中需反復(fù)進(jìn)行鎖緊和解鎖，C形鎖緊環(huán)上的最大應(yīng)力越小，其強(qiáng)度越高，其壽命也會越長。

4．2提升油管懸掛器時(shí)開口角度對鎖緊環(huán)強(qiáng)度的影響

C形鎖緊環(huán)鎖緊到油管懸掛器上之后，C形鎖緊環(huán)為主要承載部件，承載油管懸掛器和油管的總重力，約為2 100 kN。該工況下，鎖緊環(huán)的初始開口角度的不同，C形鎖緊環(huán)的承載面積不同，C形鎖緊環(huán)的應(yīng)力云圖也不同。分別取C形鎖緊環(huán)的初始開口角度θ(即圖5a)中∠BOC)為20、30、40、50、60°，計(jì)算C形鎖緊環(huán)的最大應(yīng)力，如圖10所示(以30°為例)。C形鎖緊環(huán)的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在卡環(huán)開口處附近上表面上，最大應(yīng)力值為438.3 MPa，小于材料的許用應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

圖10　初始開口角度為30°時(shí)C形鎖緊環(huán)的最大應(yīng)力值

不同初始開口角度下，C形鎖緊環(huán)的最大應(yīng)力值不同。初始開口角度與C形鎖緊環(huán)最大應(yīng)力之間的關(guān)系曲線如圖11所示。

圖11　最大應(yīng)力與開口角度之間的關(guān)系

如圖11所示，不同初始開口角度下，C形鎖緊環(huán)的最大應(yīng)力值不同。C形鎖緊環(huán)的開口角度越大，C形鎖緊環(huán)的承載面積越小，C形鎖緊環(huán)上的最大應(yīng)力越大。

綜上所述，C形鎖緊環(huán)鎖緊時(shí)，鎖緊環(huán)的開口角度越大，C形鎖緊環(huán)上的最大應(yīng)力越小；提升油管懸掛器時(shí)，鎖緊環(huán)的開口角度越大，C形鎖緊環(huán)的承載面積越小，C形鎖緊環(huán)上的最大應(yīng)力越大。提升油管懸掛器時(shí)鎖緊環(huán)的最大應(yīng)力比鎖緊時(shí)鎖緊環(huán)的最大應(yīng)力要大很多，因此，主要考慮提升油管懸掛器時(shí)開口角度對鎖緊環(huán)的影響，次要考慮鎖緊時(shí)開口角度對鎖緊環(huán)的影響，得出以下結(jié)論：在設(shè)計(jì)C形鎖緊環(huán)時(shí)，初始開口角度的設(shè)計(jì)取值在20～30°時(shí)，C形鎖緊環(huán)上的最大應(yīng)力較小，C形鎖緊環(huán)不容易破壞。

5　結(jié)論

1)分別利用莫爾積分法和有限元分析軟件ABAQUS對C形鎖緊環(huán)的鎖緊過程進(jìn)行力學(xué)分析，得到鎖緊環(huán)驅(qū)動力的理論計(jì)算公式，得到了液壓驅(qū)動力與驅(qū)動環(huán)位移之間的關(guān)系曲線。莫爾積分法計(jì)算得到的最大液壓驅(qū)動力為8 703.3 N，有限元計(jì)算得最大液壓驅(qū)動力為8 074.1 N，兩者之間誤差為7.8%，在工程允許范圍之內(nèi)。

2)利用有限元分析軟件ABAQUS對鎖緊過程中C型環(huán)的強(qiáng)度進(jìn)行了校核，C形鎖緊環(huán)上的最大應(yīng)力為163.0 MPa，計(jì)算結(jié)果表明：鎖緊環(huán)的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。且C形鎖緊環(huán)一直處于彈性區(qū)域內(nèi)，滿足在自身彈性作用下自動收縮解鎖的要求，設(shè)計(jì)合理可靠。

3)利用有限元分析軟件ABAQUS對兩種工況下初始開口角度不同的C形鎖緊環(huán)的強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，得到兩種工況下鎖緊環(huán)最大應(yīng)力與初始開口角度之間的關(guān)系曲線，分析可知，C形鎖緊環(huán)鎖緊時(shí)，鎖緊環(huán)的開口角度越大，C形鎖緊環(huán)上的最大應(yīng)力越??；提升油管懸掛器時(shí)，鎖緊環(huán)的開口角度越大，C形鎖緊環(huán)的承載面積越小，C形鎖緊環(huán)上的最大應(yīng)力越大。因此，在設(shè)計(jì)C形鎖緊環(huán)時(shí)，初始開口角度的設(shè)計(jì)取值在20～30°，C形鎖緊環(huán)上的最大應(yīng)力較小，C形鎖緊環(huán)不容易破壞。

4)油管懸掛器的安裝是采油樹下放安裝階段最重要的一環(huán)，油管懸掛器安裝工具的設(shè)計(jì)研究剛剛處于起步階段。本文僅從C形鎖緊環(huán)的初始開口角度的方面對其強(qiáng)度進(jìn)行了分析。為滿足下放安裝的安全可靠，需從其他設(shè)計(jì)參數(shù)對油管懸掛器安裝工具的鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步研究。同樣的，還需從可靠度、事故預(yù)防和應(yīng)急處理等幾方面對油管懸掛器安裝工具進(jìn)行可靠性分析，以保證油管懸掛器安裝工具的設(shè)計(jì)符合安全、可靠的要求。

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Research of the Opening Angle of C Type Locking Ring for Tubing Hanger Running Tool of Vertical Christmas Tree

YI Huanggao1，LUO Xiaolan1，LIU Yanan1，CHEN Youxiang2，WANG Yi1，DUAN Menglan1

(1．Offshore Oil and Gas Research Center，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2．Chongqing Qianwei Offshore Petroleum Engineering & Equipment Co.，Ltd.，Chongqing 401121，China)

The tubing hanger running，which is used for install and retrievess12 the tubing hanger，is connected to the tubing hanger through the C type locking ring.The initial opening angle，which influences the strength，is one of key parameters of the locking ring.Thus，in a view of the tubing hanger running tool for the 500 m depth condition of vertical tree，the design pressure is 5，000 psi and the design temperature is -18～121 ℃，the hydraulic driving force for the C type locking ring was calculated.Then the ABAQUS calculate model is built and verified.The influence of the initial opening angle to the C type locking ring is also analyzed by using the ABAQUS software.The result indicates that it is better to take the value of the initial opening angle between 20° and 30°.At this time，the C type locking ring get a lower stress and it is not easy to be broken.

tubing hanger；running tool；C type locking ring

1001-3482(2016)05-0007-06

2015-11-06

國家工信部2013年高技術(shù)船舶(海洋裝備)科研項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝[2013]41號)

易黃高(1991-)，男，湖南長沙人，碩士研究生，主要從事海洋石油裝備的設(shè)計(jì)研究工作，E-mail：yhghn@163.com。

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.002