海底管道修復(fù)用三通連接器的設(shè)計

談平 張強 周明

摘 要：海底石油管道快速修復(fù)技術(shù)是保證海水油氣正常生產(chǎn)的一項重要課題，海底管道修復(fù)用三通連接器是海底管道修復(fù)的關(guān)鍵部件。文章介紹了海底管道修復(fù)用三通連接器的結(jié)構(gòu)原理和使用特點，并采用有限元分析軟件模擬仿真三通連接器在使用狀況下金屬密封件的密封狀態(tài)。按照API標(biāo)準(zhǔn)的要求，設(shè)計出了用于海底管道修復(fù)用的三通連接器。

關(guān)鍵詞：海底管道修復(fù)三通；有限元；靜水壓

中圖分類號：TE973 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）29-0001-04

Abstract： The rapid repair technology of submarine oil pipeline is an important subject to ensure the normal production of seawater oil and gas. The three-way connector for submarine pipeline repair is the key component of submarine pipeline repair. This paper introduces the structural principle and application characteristics of the three-way connector for the repair of submarine pipelines， and simulates the sealing state of the metal seal under the service condition of the three-way connector using the finite element analysis software. According to the requirements of API standard， a three-way connector for submarine pipeline repair is designed.

Keywords： submarine pipeline repair tee； finite element； hydrostatic pressure

引言

近年來，全球海洋石油產(chǎn)量增長迅速，海洋石油將成為世界油氣產(chǎn)量增長的源泉。海底管道的建設(shè)維護(hù)是海洋石油開發(fā)過程中最重要的環(huán)節(jié)之一，隨著服役年限的增加，海管內(nèi)部會受到油氣載荷、內(nèi)部介質(zhì)腐蝕影響，外部受到風(fēng)暴、海浪、潮汐、船舶等附加載荷，以及海水腐蝕、砂流磨損等影響從而造成管道損壞。一段管道泄漏，將產(chǎn)生停輸、停產(chǎn)而造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，因此促進(jìn)了海管不停輸修復(fù)技術(shù)的研究和技術(shù)發(fā)展。

海底管道一旦發(fā)生泄漏必須盡快完成修復(fù)，以減少損失并降低環(huán)境污染。由于水下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，目前廣泛應(yīng)用于陸地管道修復(fù)的技術(shù)很難在水下實現(xiàn)，而傳統(tǒng)焊接、法蘭連接、螺紋連接等修復(fù)技術(shù)的周期長且修復(fù)質(zhì)量不高，工序復(fù)雜等特點，造成很難實現(xiàn)管道的快速、可靠的修復(fù)。海底管道修復(fù)三通的設(shè)計就是為了解決這一難題，海底管道修復(fù)三通對修復(fù)管道形成永久密封能力，采用標(biāo)準(zhǔn)的氟橡膠件，由外部兩個液壓缸驅(qū)動卡爪合攏，通過液壓驅(qū)動螺栓施加預(yù)緊力實現(xiàn)密封，并采用陰極保護(hù)的措施防止海水對卡爪的腐蝕，可實現(xiàn)快速、可靠、不停輸?shù)暮５坠艿佬迯?fù)技術(shù)。

1 海管修復(fù)用三通連接器的工作原理

筆者所在公司開發(fā)的海管修復(fù)三通采用螺栓連接形式，不涉及焊接工藝，從而避免了水下焊接的質(zhì)量風(fēng)險和安全風(fēng)險。

在海底管線泄漏部位，使用管道修復(fù)三通連接器即液壓夾具維修，以達(dá)到封堵泄漏源修復(fù)管道泄漏目的，主要用于小漏點（如裂紋、腐蝕穿孔等）管道的臨時封堵和永久性維修。這種維修方法要求管道上待維修管段的變形應(yīng)在液壓夾具的精度允許范圍之內(nèi)。圖1是無潛水輔助的應(yīng)用于深海小漏點封堵維修的海底管道修復(fù)三通連接器，采用這種修復(fù)方法方便快捷、費用低。

海底管道修復(fù)三通連接器采用特殊的錐面卡位設(shè)計，使三通的內(nèi)表面與海管緊緊貼合，使修復(fù)三通緊緊的固定在海底管道的特定位置，不會發(fā)生轉(zhuǎn)動和軸向移動。海管修復(fù)三通的俯視剖面圖和側(cè)視圖如圖2所示。

機械三通由前后兩個半瓦構(gòu)成，后半瓦上配有焊頸法蘭，可與球閥或夾板閥連接；后半瓦與前半瓦通過液壓鉸鏈連接在一起；安裝到海底管道指定位置后，通過液壓將前后瓦閉合到管道上，張力預(yù)緊器預(yù)緊軸向螺栓和徑向螺栓后，即可實現(xiàn)海底管道修復(fù)三通與海管的緊固與密封。在三通內(nèi)部，兩片半瓦內(nèi)的兩端分別設(shè)計了兩個帶齒的錐形卡瓦，當(dāng)螺栓預(yù)緊后，卡瓦的內(nèi)外錐齒面的牙齒咬合產(chǎn)生楔緊力，使卡瓦內(nèi)齒牢牢抱緊海管，達(dá)到沿海管軸向和周向的固定要求。此外，三通內(nèi)部的軸向和徑向上均設(shè)計有密封槽，密封槽內(nèi)嵌有密封條，夾具的密封裝置由配對的兩瓣間的模鑄彈性端面密封件與管道四周的模鑄環(huán)向封隔器組成。當(dāng)前后瓦螺栓預(yù)緊后，兩瓣關(guān)閉壓縮端面，金屬與金屬直接接觸，形成金屬硬密封，同時防止了端面密封被擠出；通過預(yù)緊法蘭兩端的螺栓，夾具傳遞推力載荷，壓縮封隔器，在管道四周形成一個高致密壓力腔，密封條即可實現(xiàn)對三通內(nèi)部進(jìn)行有效的密封。三通安裝完成后，可以通過測試口測試海底管道修復(fù)三通連接器的密封性能。三通上面裝有陽極塊，外表面進(jìn)行涂層處理防止海水腐蝕。

海底管道修復(fù)三通的主要參數(shù)如下：

規(guī)格：28英寸

總長：3.4米

工作溫度：-18℃～121℃

額定工作壓力：900Lb

驅(qū)動器控制壓力：2000Psi

工作水深：500米

海底管道修復(fù)三通的主要特點：

（1）特殊的錐形卡瓦設(shè)計保證，三通與海管在安裝過程中牢固貼緊。

（2）固定和密封同時進(jìn)行，實現(xiàn)快速安裝。

（3）采用內(nèi)部密封方式減少壓力載荷。

（4）滿足NACE工況要求。

2 海底管道修復(fù)三通連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 防止翻轉(zhuǎn)計算

已知開孔機的重量G=80kN，開孔機重心到管道中心的距離為L=3000mm，管道外徑D=710mm卡瓦齒與海管的摩擦系數(shù)為f=0.15，卡瓦與管道的正壓力為N。管道的防轉(zhuǎn)摩擦力：

F=2fN=0.3N （1）

開孔機水平安裝時是防止反倒的極限狀況，根據(jù)力矩平衡原理：

F=GL （2）

由（1）和（2）式求得：N=2253520N

為了防止管道轉(zhuǎn)動，卡瓦對管道的壓力最小為N，同時壓力也不能過大，會壓潰海管。

2.2 前后瓦連接螺栓的計算

前后兩瓣瓦是通過16個螺栓連接起來，閥腔對前后瓦分開的壓力為R，面積A=1.2m2在試驗壓力下閥腔壓力W=22.5MPa

B=WA=27000000N （3）

彎矩對前后軸向拉力T，螺栓到海管中心的距離C=600mm

T==400000N （4）

每個螺栓承受的力Q，螺栓數(shù)量n=16

Q==1737.5kN （5）

按照API 17D要求，選用B7螺栓，許用應(yīng)力？滓=430MPa，螺栓直徑d

d==71.7mm （6）

取3″-8UN螺栓。

2.3 卡瓦受力的計算

半卡瓦的受力分析如圖3所示，圖中R為上半卡瓦與端面法蘭的正壓力，P為需要施加在此半卡瓦上的軸向力，？琢=20°為卡瓦外錐角，N為管道對卡瓦的反力（即三通卡瓦對海管的正壓力）

由X軸方向和Y軸方向建立平衡方程求得：

R==1268317N （7）

P=+R（fcos？琢+sin？琢）=781578N （8）

2.4 端面法蘭螺栓力的計算

海底管道修復(fù)三通連接器兩端半卡瓦與前后兩半瓦采用螺栓連接，使卡瓦產(chǎn)生軸向力推動法蘭，從而使半卡瓦錐面上產(chǎn)生楔緊力，使卡瓦內(nèi)表面與主管道表面咬合，同時擠壓密封圈，同時實現(xiàn)海管與三通的固定和密封。

端面半片法蘭與半卡瓦采用10個螺栓連接，在試驗壓力W=22.5MPa下產(chǎn)生的軸向力H

H=WD2=8903666N （9）

每個螺栓上承受的力q

q==523341N （10）

按照API 17D要求，選用B7螺栓，許用應(yīng)力？滓=430MPa，螺栓直徑d

d==39.4mm （11）

取2″-8UN螺栓。

3 海底管道修復(fù)三通連接器主要零件的有限元分析

3.1 本體的靜水壓計算

閥體的工作載荷為15Mpa，按照API 6A本體試驗條件[5]，試驗壓力為22.5MPa。

閥體材料選用ANSI 8630M，屈服強度為552MPa，抗拉強度為690MPa，用有限元進(jìn)行分析計算，采用2階的四面體單元，本體為對稱結(jié)構(gòu)，因此取本體的一段進(jìn)行劃分網(wǎng)格，并在局部區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)分，單元數(shù)為78489，節(jié)點數(shù)為117624，自由度為342996，見圖4。

按照API 6A變形能理論，SE≤SY

SE-Von Mises理論方法計算的在壓力容器壁內(nèi)最高應(yīng)力處的最大許用應(yīng)力當(dāng)量；SY-材料規(guī)定的最小屈服強度。

軟件分析計算的Von Mises應(yīng)力如圖5所示，最大Von Mises應(yīng)力為117.2MPa，小于材料的屈服強度552MPa，閥腔中心紅色區(qū)域為局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，產(chǎn)生了應(yīng)力集中，本體應(yīng)力強度滿足要求。

3.2 卡瓦與端面法蘭的計算

卡瓦是海底管道修復(fù)三通連接器的重要部件，它由固定管道和密封管道的雙重作用。設(shè)計卡瓦時，應(yīng)正確確定各部分尺寸，保證卡瓦有足夠的軸向力和有效行程，確保管道固定和密封同時完成。

卡瓦選用ANSI 8620，屈服強度為360MPa，抗拉強度為690MPa，卡瓦內(nèi)齒采用滲氮工藝，加強硬度，用有限元進(jìn)行分析計算，采用2階的四面體單元，并在局部區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)分，單元數(shù)為94533，節(jié)點數(shù)為140133，自由度為352996，見圖6。

軟件分析計算的Von Mises應(yīng)力如圖7所示，最大Von Mises應(yīng)力為665MPa，為卡瓦的變形槽根部，此處為應(yīng)力集中區(qū)，小于材料的抗拉強度690MPa?？ㄍ邞?yīng)力滿足API 6A設(shè)計要求。

4 試驗

結(jié)合API 17D、API 6A和API 6H，海底管道修復(fù)三通連接器的測試需要通過以下試驗來驗證其符合使用要求：

（1）性能驗證試驗

海底管道修復(fù)三通連接器以及氣驅(qū)動器必須完成下列測試

同時還需要進(jìn)行，靜水壓試驗、氣密封試驗、驅(qū)動器殼體試驗、驅(qū)動器密封試驗、驅(qū)動器操作功能性試驗。

（2）出廠試驗

出廠試驗需要檢測的項目有目視檢驗、尺寸檢驗、無損檢驗、本體靜水壓試驗、氣密封試驗。

（3）整體集成試驗

在完成性能試驗和出廠試驗后，需要將管道和連接器進(jìn)行連接，模擬水下海流工況以及介質(zhì)載荷工況進(jìn)行振動試驗。完成振動試驗后進(jìn)行一次氣體密封測試。

5 結(jié)束語

針對海底管道的使用工況的要求，設(shè)計了28寸900磅級海底管道修復(fù)三通連接器，通過本體和卡瓦的理論計算、有限元分析，設(shè)計的水下海底管道修復(fù)用三通連接器滿足API標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)強度要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]S.Z.Ali， Subsea Valve Actuator For Ultra Deepwater[R]. OTC 8240，1996.

[2]American Petroleum Institue， Design and Operation of Subsea Production Systems-Subsea Wellhead and Tree Equipment [M]. API 17D 2nd， 2011.

[3]Herd，D.P，McCaskill，J.W"How to Make a Valve Which Will Fail-Safe in Very Deep Water"[J]. ASME Paper，1976，76-35.

[4]Cylindrical helical springs made fromround wire and bar -Guide to methods of specifying， tolerances and testing[M].BS 1726-1，2002.

[5]American Petroleum Institue， Petroleum and natural gas Industries-Drilling and production equipment-Wellhead and Christmas tree Equipment [M]. API 6A 20nd，2010.

[6]American Petroleum Institue， Petroleum and natural gas Industries-Design and operation of subsea production systems- Completion/workover riser and systems [M]. ISO 13628-7，2010.