海上壓裂作業(yè)船緊急脫離裝置的設計

荀永明

(中石化四機石油機械有限公司，湖北 荊州 434024)

海上作業(yè)環(huán)境復雜多變，氣候影響大，在海上進行壓裂作業(yè)時，壓裂設備固定在作業(yè)船上，船上的壓裂設備與鉆井平臺之間通過高壓管匯連接[1-2]，在遇到復雜天氣和緊急情況下需要快速脫離，以便作業(yè)船能在最短的時間內(nèi)離開，從而保證設備和人員安全，因此，作業(yè)船與鉆井平臺和壓裂管匯之間必須要安裝緊急脫離裝置。緊急脫離裝置是一種工作可靠且操作簡單的工具。當遇到緊急情況時，它能保證壓裂作業(yè)船載設備與平臺的管路連接裝置快速有效地脫離。但目前海洋壓裂作業(yè)船超高壓緊急脫離裝置技術(shù)仍被國外壟斷，因而，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的海洋裝備技術(shù)迫在眉睫[3-4]。為此，針對現(xiàn)有緊急脫離裝置的特點和所存在的缺陷，設計了一種壓裂作業(yè)船超高壓緊急脫離裝置[5-6]，希望為類似結(jié)構(gòu)的設計提供借鑒。

1 整體方案設計

1.1 方案設計

壓裂作業(yè)是海洋油氣田開發(fā)和增產(chǎn)的一種重要措施，海洋壓裂作業(yè)時，通過高壓軟管將排出管匯和海洋平臺上的井口裝置相連。為了避免出現(xiàn)臺風和其他緊急情況時，壓裂作業(yè)船與平臺碰撞，需要在壓裂作業(yè)船與平臺井口間連接緊急脫離裝置，以便實現(xiàn)緊急脫離。緊急撤離時，通過遠程網(wǎng)絡控制啟動液壓控制系統(tǒng)，快速脫離裝置母接頭與公接頭迅速分離，壓裂船快速駛離平臺。如圖1所示，緊急脫離裝置主要由母接頭與公接頭組成，母接頭與公接頭相連組成裝置的內(nèi)部流道[7]。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

工作壓力：105 MPa 公稱通徑：3″ (69.7 mm)

接口型式：3″Fig1502 工作溫度：-29～121℃(P～U)

材料級別：EE-0.5 產(chǎn)品性能等級：PR1

產(chǎn)品規(guī)范等級：PSL3

1.3 工作原理

1.3.1 鎖定狀態(tài)

啟動液壓控制系統(tǒng)，液壓泵通過油口向液壓缸內(nèi)供油，活塞在液壓油的驅(qū)動下向右移動，當活塞行程達到右極限，液壓泵停止工作，此時，限位卡瓦在活塞的作用下將公接頭鎖死在缸體內(nèi)，此時公、母接頭連接形成裝置的內(nèi)部通道，壓裂液經(jīng)母接頭端流入，途經(jīng)母接頭右端面附近方形孔流入公接頭內(nèi)部流道，最終由公接頭流出，通往平臺井口。其流向如圖2a)所示，此狀態(tài)為出廠及壓裂作業(yè)時狀態(tài)。

1.3.2 解鎖狀態(tài)

啟動液壓控制系統(tǒng)，液壓泵通過油口開始向液壓缸內(nèi)供油，活塞在液壓油的驅(qū)動下向左移動，當活塞行程達到一定位置時失去對限位卡瓦的徑向定位作用，此時，公接頭便可以掙脫限位卡瓦的作用，船便可以離開平臺，如圖2b)所示。當公接頭脫離本體后，密封環(huán)在彈簧預緊力作用下立即向右滑動，達到右極限位置，此時密封環(huán)內(nèi)壁與母接頭外壁在密封圈的作用下阻止流體向外泄漏。

2 關(guān)鍵部件設計與分析

采用GB 50253-2003輸油管道壁厚設計方法和ASME B31.1-2004壓力管道的壁厚設計方法兩種常規(guī)方法對緊急脫離裝置的關(guān)鍵部件進行校核。

2.1 強度校核公式

上接頭，內(nèi)徑50 mm，外徑80 mm，承壓105 MPa，以材料為42CrMo為例。

下接頭，內(nèi)徑94 mm，外徑114 mm，承壓105 MPa，以材料為42CrMo為例。

1)GB 50253-2003輸油管道直管段的壁厚計算公式：

(1)

式中：S為直管段鋼管計算壁厚，mm；P為設計內(nèi)壓力，MPa；D為鋼管外直徑，mm；[σ]為鋼管許用應力，MPa。

[σ]=KφσS

(2)

式中：K為設計系數(shù)，取0.6；σS為鋼管的最低屈服強度，MPa；φ為焊縫系數(shù)，取值為1.0。

2)ASME B31.1-2004壓力管道(動力管道)設計計算方法：

彎頭進行彎曲和加工完成后的最小需要壁厚應按公式(3)來確定

(3)

式中：A為腐蝕、沖蝕和機械裕量的總和，參照ASME B31.1-2004標準中102.4；T為設計壁厚，mm；P為設計內(nèi)壓，MPa；D為管道的外徑，mm；S為材料的最低屈服強度，MPa；E為焊縫接頭系數(shù)，參照ASME B13.1-2004；Y為系數(shù)，參照ASME B13.1-2004；I為彎頭內(nèi)壁，用公式(4)計算。

(4)

式中：r為彎頭的曲率半徑，mm;d為彎頭的外徑,mm。

2.2 應力分析

緊急脫離裝置的關(guān)鍵部件主要包括液壓執(zhí)行機構(gòu)、公接頭、母接頭和彈性卡瓦。由于在工作過程中公接頭和母接頭主要承受內(nèi)部高壓流體的作用，液壓執(zhí)行機構(gòu)和彈性卡瓦主要受到內(nèi)部液壓油和其部件的綜合作用，受力情況相對復雜，故采用SOLIDWORKS對公接頭、母接頭進行力學分析，對液壓執(zhí)行結(jié)構(gòu)和彈性卡瓦將在第三部分的室內(nèi)強度試驗和密封性試驗中進行檢驗[8-9]。

2.2.1 公接頭

在進行壓裂作業(yè)及緊急脫離時公接頭主要的受高壓流體內(nèi)壓作用，故采用SOLIDWORKS對其進行有限元分析，由于公接頭結(jié)構(gòu)模型較為簡單且有規(guī)律，采用掃描法進行網(wǎng)格劃分，劃分的單元以六面體網(wǎng)格為主，圖3為公接頭有限元分析模型。公接頭材料為結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為212 GPa，泊松比為0.28。在公接頭一端施加沿X方向的約束，另一端施加沿-X方向的約束，在公接頭的內(nèi)部施加150 MPa均勻的壓力載荷，其分析結(jié)果如圖4所示，從圖4中可以看出公接頭各部位的受力遠小于屈服應力930 MPa,因為該設計壁厚滿足強度要求。

2.2.2 母接頭

同樣也采用掃描法對母接頭進行網(wǎng)格劃分，劃分的單元以六面體網(wǎng)格為主，圖5為母接頭有限元分析模型。母接頭材料為結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為212 GPa，泊松比為0.28。在公接頭一端施加沿X方向的約束，另一端施加沿-X方向的約束，在公接頭的內(nèi)部施加150 MPa均勻的壓力載荷，其分析結(jié)果如圖6所示，從圖6中可以看出母接頭右端面流道出口處受力較大，但也遠小于屈服應力930 MPa,因此該設計壁厚滿足強度要求。

其材料及其力學性能如表1所示。

表1 關(guān)鍵部件材料特性

關(guān)鍵部件材料屈服極限/MPa泊松比密度/(kg·m-3)彈性模量/GPa公接頭42CrMo9300.287 850212母接頭42CrMo9300.287 850212

3 室內(nèi)試驗

3.1 本體強度試驗

2016年12月，在國家油氣鉆采設備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心內(nèi)對該高壓管線快速脫離裝置進行性能試驗。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試后，依據(jù)GB/T 22513要求[10]，進行本體靜水壓強度試驗，試驗分兩個階段進行，第一個階段，試驗時間3 min，試驗試壓為157.5 MPa；第二個階段，試驗時間15 min，試驗試壓為157.5 MPa，穩(wěn)壓15 min，兩個階段均無明顯壓降，試驗曲線如圖7、圖8所示。

3.2 功能性試驗

將管線快速脫離裝置裝配好之后，調(diào)節(jié)液控箱，使裝置處于鎖緊狀態(tài)，將公接頭(帶錘擊環(huán)一端)用試壓堵頭堵死，另一端接進水壓力,排盡試件內(nèi)腔空氣；進水壓力逐漸升壓達到105 MPa，穩(wěn)壓3 min后降壓至0 MPa，通過試壓堵頭排掉裝置內(nèi)殘余壓力，再操作液控箱，將裝置處于解鎖狀態(tài)，然后手動提拉下接頭，確認下接頭可以順利從裝置本體上脫開。重復以上兩個步驟，進行3次鎖緊和解鎖循環(huán)。通過3次鎖緊和解鎖試驗，很好地驗證了液壓執(zhí)行機構(gòu)裝置的可靠性。

4 結(jié)論

1)該裝置的設計與現(xiàn)有緊急脫離裝置相比，增加了分離密封裝置，減少了分離過程中油液泄漏，保持環(huán)境的清潔和安全；2)對緊急脫離裝置的承壓件進行有限元分析以及進行壓力試驗，均較好地驗證了該裝置的可靠性；3)面對費用高且技術(shù)被國外壟斷的特點，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的海上壓裂作業(yè)船緊急脫離裝置具有很高的戰(zhàn)略價值。