深水復(fù)合材料柔性管接頭設(shè)計(jì)及密封分析*

王 騰 曲金枝 包興先 李樹勃

(中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院)

0 引 言

深海油氣資源的開發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)今世界油氣行業(yè)發(fā)展的主要趨勢。海底管道和立管等作為海洋油氣開發(fā)的重要裝備，其設(shè)計(jì)的合理性、經(jīng)濟(jì)性以及運(yùn)行的安全性等日益引起國內(nèi)外研究者的重視[1]。復(fù)合材料柔性管以其結(jié)構(gòu)輕和耐腐蝕等特點(diǎn)一直備受業(yè)內(nèi)人士關(guān)注[2-5]。接頭是柔性管的重要連接裝置和薄弱部位，起到連接和密封等作用。柔性管接頭的合理設(shè)計(jì)和正確安裝對于保障海洋油氣開發(fā)的安全性具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者對海洋柔性管接頭的設(shè)計(jì)分析開展了一系列工作：李翔云等[6]對接頭密封環(huán)的密封效果進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到了最大接觸壓力與各參數(shù)的關(guān)系；毛慶凱[7]深入地剖析了接頭設(shè)計(jì)過程中的連接和密封等關(guān)鍵問題，完成了淺海輸油管道接頭的實(shí)例設(shè)計(jì)；吳翔實(shí)等[8]設(shè)計(jì)了一種扣壓式海洋軟管接頭，并分析了接頭連接強(qiáng)度的影響因素；張亮等[9]針對某海域使用的非黏結(jié)管道接頭的密封環(huán)鋸齒進(jìn)行了密封性能數(shù)值模擬。

目前國內(nèi)尚缺少較為成熟的柔性管接頭型式設(shè)計(jì)，而國外應(yīng)用較多的柔性管接頭主要有Traplock型接頭、Swaged型接頭和Magma型接頭等[10]。Traplock型接頭又稱為卡鎖型接頭，是最早應(yīng)用于柔性管連接的一種接頭形式，由D.D.BALDWIN等[11]設(shè)計(jì)，其整體抗拉能力和密封性能較差，多用于陸地或者淺海海域的中低壓柔性管道。Swaged型接頭結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要由金屬內(nèi)套筒和金屬外套筒組成，制造和加工方便，接頭安裝形式簡單，便于拆卸并且具有較好的密封性能和較強(qiáng)的抗拉能力，但易造成柔性管與接頭連接處的局部應(yīng)力集中，多用于管徑較小且服役環(huán)境較好的復(fù)合材料柔性管。Magma型接頭由Magma[12-13]公司自主研發(fā)而成，具有較高的抗拉能力和較好的密封性能，安裝和拆卸方便，適用于深海柔性立管系統(tǒng)。但是Magma型接頭在安裝過程中對預(yù)緊力要求較高，預(yù)緊力直接影響整個(gè)接頭的密封和抗拉能力。

目前，國內(nèi)外對于適合深水環(huán)境下的復(fù)合材料柔性管的接頭設(shè)計(jì)及密封分析研究較少。為此，本文針對復(fù)合材料黏結(jié)型柔性管設(shè)計(jì)了Wedge-Swaged型接頭，該接頭具有結(jié)構(gòu)形式簡單，加工、安裝與拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)；并考慮深水30 MPa外壓、32 MPa內(nèi)壓以及300 kN拉力的組合工況，采用ABAQUS有限元軟件對接頭進(jìn)行了承載能力校核及密封性能評(píng)估。所得結(jié)論可為柔性管接頭的進(jìn)一步設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

1 接頭結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

1.1 復(fù)合材料黏結(jié)型柔性管結(jié)構(gòu)

本文研究的深水復(fù)合材料黏結(jié)型柔性管由3層結(jié)構(gòu)組成：內(nèi)襯層，由內(nèi)徑48 mm、厚度4 mm的PE塑性材料組成；增強(qiáng)層，由8層纏繞角55°、厚度0.25 mm的玻纖維復(fù)合材料組成；外保護(hù)層，由外徑64 mm、厚度2 mm的PE塑性材料組成。復(fù)合材料柔性管結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 復(fù)合材料柔性管結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural schematic of composite flexible pipe

1.2 Wedge-Swaged型接頭設(shè)計(jì)及裝配

Wedge-Swaged型接頭主要由接頭主體(包含內(nèi)套筒和外套筒)、楔形塊、法蘭、密封圈和復(fù)合材料柔性管共同組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—接頭主體；2— 密封圈； 3—楔形塊；4—法蘭； 5—復(fù)合材料柔性管。圖2 Wedge-Swaged型接頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural schematic of Wedge-Swaged end fitting

接頭主體帶有單向平滑鋸齒的內(nèi)套筒，以滿足裝配后的密封和防止柔性管脫落的要求。鋸齒內(nèi)套筒扣壓長度越長，越有利于提高接頭的連接強(qiáng)度和密封性能，但長度增加會(huì)使得鋸齒內(nèi)套筒加工困難，增加制造成本。鋸齒內(nèi)套筒的外徑取決于柔性管內(nèi)徑以及扣壓過盈量?？蹓哼^盈量不足會(huì)導(dǎo)致柔性管內(nèi)流體泄漏以及接頭抗拉能力不夠；扣壓過盈量太大則會(huì)損傷內(nèi)膠層，同時(shí)導(dǎo)致內(nèi)膠層硬化，影響密封性能。為了達(dá)到柔性管的使用要求，需要優(yōu)化鋸齒內(nèi)套筒扣壓長度以及鋸齒過盈的角度和深度。楔形塊的外套筒帶有與法蘭配合的螺紋，以實(shí)現(xiàn)安裝過程中推動(dòng)楔形塊做軸向運(yùn)動(dòng)，并且楔形塊外套筒的弧度與楔形塊的弧度完全一致，在與楔形塊的配合作用下，提供安裝過程中的預(yù)緊力以及實(shí)現(xiàn)安裝后的密封效果。

楔形塊的設(shè)計(jì)與安裝是Wedge-Swaged型接頭設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。4塊楔形塊在放入接頭主體裝配開始前，互相之間留有間隙，通過擰緊法蘭頂推楔形塊向前運(yùn)動(dòng)，楔形塊在做軸向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)做徑縮運(yùn)動(dòng)，使得接頭對楔形塊有擠壓作用，進(jìn)而楔形塊又對柔性管有擠壓作用，最終通過4塊楔形塊的擠壓配合來起到密封效果。同時(shí)，為了使楔形塊能順暢地進(jìn)入接頭內(nèi)部，楔形塊在加工時(shí)要保證內(nèi)、外表面盡量光滑，并且楔形塊的外表面坡度要和接頭主體楔形外套筒的坡度保持一致。安裝時(shí)對楔形塊內(nèi)、外表面做一定的潤滑處理以方便安裝和后期的維護(hù)。為了避免楔形塊因擠壓而損壞，楔形塊不能太薄，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)要求，楔形塊也不能太厚。本設(shè)計(jì)楔形塊最薄處的厚度為1.8 mm，最厚處為10.0 mm。

法蘭對楔形塊的運(yùn)動(dòng)提供頂推作用。法蘭設(shè)計(jì)有與接頭外套筒配合的螺紋，同時(shí)法蘭內(nèi)徑要與柔性管的外徑一致，以起到與接頭主體緊密結(jié)合和安裝定位的作用。

接頭和復(fù)合材料柔性管的裝配過程如圖3所示。接頭的裝配順序?yàn)閍→b→c→d→e→f。首先將柔性管接頭放置到預(yù)設(shè)位置，將密封圈和法蘭按順序套在柔性管上(見圖3a)；其次將柔性管順鋸齒方向推進(jìn)接頭內(nèi)部，并將密封圈沿柔性管推入到接頭內(nèi)頂端(見圖3b)；然后在接頭內(nèi)部密封圈和法蘭之間依次放入4塊楔形塊(見圖3c和圖3d)；最后將法蘭擰緊與接頭連接，推動(dòng)楔形塊軸向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而提供安裝需要的預(yù)緊力，達(dá)到密封及抗拉的效果(見圖3e和圖3f)。

圖3 接頭裝配示意圖Fig.3 Schematic diagram of end fitting assembly

1.3 Wedge-Swaged型接頭扣壓尺寸計(jì)算

為保證接頭與柔性管的充分接觸，鋸齒內(nèi)套筒與柔性管內(nèi)襯層的扣壓量是關(guān)鍵因素?？蹓毫恐苯佑绊懝芙宇^的連接性能和使用壽命?？蹓荷疃忍髸?huì)導(dǎo)致鋸齒或密封面塑性變形過大，從而導(dǎo)致連接失效或密封失效；扣壓深度太小將導(dǎo)致密封面的接觸應(yīng)力不足，從而導(dǎo)致管柔性管接頭脫落或者油氣泄漏[14]。

接頭鋸齒外形及扣壓示意圖如圖4所示。

圖4 接頭鋸齒外形及扣壓示意圖Fig.4 Schematic diagram of end fitting crimping

柔性管扣壓量計(jì)算式為[15]：

Δ=Tδ+D2-D1+d2-d1

(1)

式中：Δ為柔性管扣壓量，mm；D1為柔性管外徑，mm；D2為配合后的楔形塊內(nèi)徑，mm；d1為接頭內(nèi)套筒外徑，mm；d2為柔性管內(nèi)徑，mm；T為內(nèi)膠厚度，mm；δ為內(nèi)膠壓縮比。

D1、D2、d1、d2、δ及T為常量，因此對于特定的海洋柔性管和接頭，扣壓量Δ只與內(nèi)膠壓縮比δ相關(guān)。通常，內(nèi)膠壓縮比δ取45%～50%。本文柔性管和接頭尺寸如下：D1=61.6 mm，D2=62.0 mm，d1=50.0 mm，d2=48.0 mm，T=8.0 mm，取δ=45%，代入數(shù)據(jù)可得扣壓量Δ=2 mm，鋸齒的扣壓深度為Δ的，即為1 mm。

2 接頭密封設(shè)計(jì)及密封準(zhǔn)則

2.1 密封設(shè)計(jì)

密封的本質(zhì)是阻止流體泄漏。接觸面間的流體泄漏由流體壓力、流體黏度、接觸壓力、接觸表面紋理及接觸面表面粗糙度等多種因素決定[16-19]。

圖5為接頭泄漏通道示意圖。圖5中箭頭表示泄漏方向。

圖5 接頭泄漏通道示意圖Fig.5 Schematic diagram of end fitting leakage channel

由圖5可以看出，Wedge-Swaged型接頭在使用過程中可能的泄漏通道有2條：第一條泄漏通道是鋸齒與復(fù)合材料柔性管內(nèi)層過盈接觸的位置；第二條泄漏通道是復(fù)合材料柔性管外層和楔形塊以及接頭主體外套筒之間。為了保證管接頭具有良好的密封效果，針對以上2條泄漏通道采取2種密封方式：針對第一條泄漏通道，采用鋸齒和柔性管內(nèi)層的過盈配合來實(shí)現(xiàn)密封，是本結(jié)構(gòu)最主要的密封方式，也是本文研究的重點(diǎn)；針對第二條泄漏通道，采用密封圈密封的方式，原理是安裝完成后楔形塊對密封圈的軸向作用，使密封圈和接頭主體外套筒內(nèi)壁以及復(fù)合材料柔性管外層形成加壓作用，進(jìn)而阻塞油氣泄漏通道，達(dá)到密封效果。

2.2 密封準(zhǔn)則

在判斷接觸面某處是否發(fā)生泄漏這一問題上，很多學(xué)者提出了不同的密封準(zhǔn)則，目前尚沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[9，20]。泄漏與否的判定通常需要確定臨界密封失效壓力，當(dāng)接觸壓力小于臨界密封失效壓力時(shí)將發(fā)生泄漏。本文采用U.S.FERNANDO等[21]的密封準(zhǔn)則。臨界密封失效壓力計(jì)算式如下：

pc=αpf+(1-α)σY

(2)

式中：pc是臨界密封失效壓力，MPa；pf是介質(zhì)壓力，MPa；σY是兩種接觸材料中較弱材料的屈服應(yīng)力，MPa；α是液體侵入長度比例。

在實(shí)際工程中，對于不同表面粗糙度的密封接觸面，即使接觸壓力相同，密封效果也不盡相同。表面越光滑其真實(shí)接觸面積越大，密封性能越好；而且，聚合物材料在長期應(yīng)用中還會(huì)出現(xiàn)蠕變和應(yīng)力松弛的現(xiàn)象。因此，出于安全考慮，理論上的臨界密封失效壓力需要采用安全系數(shù)n加以調(diào)整。目前相關(guān)研究中大多沒有考慮表面粗糙度及蠕變的影響(相當(dāng)于n=1)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)[9,22]，本文選取安全系數(shù)n=1.4。

Wedge-Swaged型接頭密封分析的關(guān)鍵在于鋸齒的密封效果。當(dāng)接頭內(nèi)套筒與柔性管內(nèi)層的接觸壓力大于臨界密封失效壓力時(shí)，密封良好；反之，密封失效。本研究中柔性管中的流體壓力為32 MPa，接觸面兩側(cè)分別為鋼材料和PE材料，PE材料屈服應(yīng)力為30 MPa，液體侵入長度為0，代入式(2)中得臨界密封失效壓力為42 MPa。

3 接頭承載力及密封性能校核

3.1 接頭承載力及變形

采用ABAQUS軟件建立800 mm長的柔性管及接頭有限元模型，模擬3 000 m的水深條件，對其施加30 MPa外壓、32 MPa內(nèi)壓以及300 kN拉力(考慮柔性管的自重)，考慮鋸齒過盈量為0.9和1.0 mm，楔形塊過盈量為0.0、0.1及0.2 mm等幾種組合工況，對接頭的承載力和密封性能進(jìn)行分析，其有限元分析的本質(zhì)是彈塑性接觸問題[23]。柔性管各層和接頭的Mises應(yīng)力失效判斷標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 各部件失效判斷標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Failure judgment standards of each component

在各模擬工況下，接頭和柔性管各組件的應(yīng)力和伸長量如表2～表4所示。圖6為鋸齒過盈量1.0 mm、楔形塊過盈量0.2 mm時(shí)接頭和柔性管各組件的應(yīng)力云圖。

表2 不同過盈量對接頭主體等效應(yīng)力和伸長量的影響Table 2 The influence of different interference on the equivalent stress and elongation of the main body of the end fitting

表3 不同過盈量對楔形塊及法蘭裝配整體等效應(yīng)力和伸長量的影響Table 3 The influence of different interferences on the equivalent stress and elongation of the wedge block and flange assembly

表4 不同過盈量對柔性管等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力的影響Table 4 The influence of different interference on the equivalent stress and contact stress of flexible pipe

3.2 接頭承載力性能校核

研究發(fā)現(xiàn)Wedge-Swaged型接頭端部主體部分的最大等效應(yīng)力為341.2 MPa(見表2)，沒有超過屈服應(yīng)力值355 MPa。楔形塊及法蘭裝配整體部分的最大等效應(yīng)力為143.9 MPa(見表3)，沒有超過屈服應(yīng)力值355 MPa。同樣由表2可以發(fā)現(xiàn)，無論是鋸齒過盈還是楔形塊過盈，隨著過盈量的增大，接頭主體部分的最大等效應(yīng)力也相應(yīng)增大。由表3可以看出：隨著楔形塊過盈量的增大，楔形塊及法蘭裝配整體部分的最大等效應(yīng)力也相應(yīng)增大；而隨著鋸齒過盈量的增大，楔形塊及法蘭裝配整體部分的最大Mises應(yīng)力變化不明顯。

圖6 接頭和柔性管各組件應(yīng)力云圖Fig.6 Stress diagram of end fitting and flexible pipe components

由表4可見：柔性管內(nèi)層及外層的等效應(yīng)力均為29.48 MPa，沒有超過屈服應(yīng)力值30 MPa；而且柔性管增強(qiáng)層徑向應(yīng)力隨著過盈量的改變，其變化不明顯，最小值為306.1 MPa，最大值為306.2 MPa，遠(yuǎn)小于柔性管增強(qiáng)層的最大徑向應(yīng)力的失效標(biāo)準(zhǔn)820 MPa。

為了判斷接頭與柔性管是否脫落，分析了接頭和柔性管內(nèi)層接觸的不同位置(到接頭內(nèi)根部的距離)的伸長量，如圖7所示。由圖7可以看出：柔性管離接頭內(nèi)根部越近，伸長量越小；反之, 柔性管離接頭內(nèi)根部越遠(yuǎn)，伸長量越大；靠近接頭內(nèi)根部位置的柔性管伸長量為0，靠近接頭末端位置的柔性管伸長量為4.3 mm。因此，可以判斷柔性管接頭沒有脫落。

圖7 柔性管內(nèi)層測量點(diǎn)與對應(yīng)伸長量Fig.7 Measurement points and corresponding elongation of the inner layer of the flexible pipe

3.3 接頭密封性能校核

由表4可知，當(dāng)鋸齒過盈量為0.9 mm、楔形塊過盈量為0.2 mm時(shí)，柔性管內(nèi)層和接頭鋸齒接觸面的接觸應(yīng)力最小，應(yīng)力為52.18 MPa，仍大于密封準(zhǔn)則計(jì)算的42 MPa的臨界密封壓力，可以認(rèn)為第一道密封效果良好。同樣研究發(fā)現(xiàn)，無論是鋸齒過盈還是楔形塊過盈，隨著過盈量的增大，接觸應(yīng)力也相應(yīng)增大。本設(shè)計(jì)還采用橡膠密封圈密封第二條泄漏通道，兩項(xiàng)密封措施保證了柔性管接頭的密封效果。

通過對模擬組合工況下接頭和柔性管進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)鋸齒過盈和楔形塊過盈的合理確定對接頭和柔性管的承載性能和密封性能有重要影響。綜合考慮，本設(shè)計(jì)的最優(yōu)過盈量為：鋸齒過盈量1.0 mm，楔形塊過盈量0.2 mm。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

(1)本文設(shè)計(jì)了一種適合于深水復(fù)合材料柔性管的Wedge-Swaged型接頭，在水深3 000 m的環(huán)境下，針對不同工況對接頭進(jìn)行了有限元分析，Wedge-Swaged型接頭滿足承載性能和密封性能要求，并且接頭與柔性管連接不脫落。

(2)鋸齒過盈和楔形塊過盈的合理確定對接頭和柔性管的承載性能和密封性能有重要影響。無論是鋸齒過盈還是楔形塊過盈，隨著過盈量的增大，接頭主體部分的最大等效應(yīng)力和柔性管內(nèi)層的接觸應(yīng)力都相應(yīng)增大；楔形塊及法蘭裝配整體部分的最大等效應(yīng)力只隨著楔形塊過盈量的增大而增大，受鋸齒過盈量變化的影響不大。

(3)本設(shè)計(jì)的最優(yōu)過盈量為鋸齒過盈量1.0 mm，楔形塊過盈量0.2 mm。本設(shè)計(jì)提出的Wedge-Swaged型接頭還有很大的優(yōu)化空間，鋸齒粗糙程度、鋸齒扣壓角度、鋸齒扣壓深度及楔形塊坡度等的優(yōu)化將是下一步的研究工作。