海底油氣管道維修夾具設(shè)計

張樹麗，趙兵杰，繆燦亮，王同宇，李 濤

（1. 中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津300457；2. 天津理工大學(xué)a. 天津市先進(jìn)機電系統(tǒng)設(shè)計與智能控制重點實驗室；b. 機電工程國家級實驗教學(xué)示范中心，天津 300384）

0 引 言

夾具維修技術(shù)可應(yīng)用于水管道、陸地油氣管道、海底油氣管道和化工廠化工介質(zhì)管道的維修工作中，主要用來應(yīng)對管道因局部受到機械破壞而泄漏、腐蝕穿孔泄漏、裂紋泄漏和壁厚變薄等狀況。根據(jù)工程實際需求情況，夾具可采用焊接方式與維修管道連接在一起，也可采用螺栓緊固方式安裝到管道維修部位。夾具維修技術(shù)工程應(yīng)用的總體成本較低，適用范圍較廣。

近年來，已有很多學(xué)者對夾具維修方案進(jìn)行研究，對機械夾具封堵的原理、特點及封堵施工步驟進(jìn)行了闡述，對機械夾具維修方案進(jìn)行了設(shè)計，給出了相應(yīng)的施工程序。此外，曹學(xué)文等開展了石墨密封材料海底管道密封夾具密封性能研究，闡明了石墨密封的優(yōu)點；劉厚法等基于有限元分析方法，利用ABAQUS軟件開展了長徑比對海底管道壓潰影響研究。然而，上述研究并未對海底管道維修夾具設(shè)計進(jìn)行系統(tǒng)分析。對此，本文特聚焦該課題，對海底油氣管道維修夾具展開整體結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

1 夾具方案

根據(jù)管道泄漏維修需求設(shè)計的海底油氣管道維修夾具結(jié)構(gòu)見圖1 和圖2，其周向密封通過緊固法蘭壓縮實現(xiàn)。通過使法蘭螺栓沿軸向運動，帶動緊固法蘭沿軸向運動，進(jìn)而實現(xiàn)對周向密封橡膠材料的壓縮。周向密封橡膠材料軸向被壓縮變形的結(jié)果是橡膠密封材料沿管道徑向膨脹，直至其內(nèi)壁與維修管道外壁接觸，形成接觸壓力，即形成密封壓力。隨著法蘭螺栓預(yù)緊力的增大，橡膠密封材料進(jìn)一步被壓縮，橡膠密封材料內(nèi)圈與維修管道外壁和橡膠密封材料外圈與夾具主體之間的接觸壓力進(jìn)一步增大，直至滿足管道維修密封壓力要求。

圖1 海底油氣管道維修夾具結(jié)構(gòu)1

圖2 海底油氣管道維修夾具結(jié)構(gòu)2

海底油氣管道維修夾具的軸向密封通過對螺栓施加預(yù)緊力擰緊2 個夾具主體實現(xiàn)。通過主螺栓對夾具主體施加預(yù)緊力，海底油氣管道維修夾具在主螺栓預(yù)緊力的作用下對軸向密封的橡膠材料進(jìn)行壓縮，被壓縮的橡膠密封材料的上、下2 個表面為起密封作用的2 個主密封面。橡膠密封材料上、下2 個表面分別與管道維修夾具主體的上、下2 個半塊接觸，形成接觸壓力，即形成密封壓力。隨著主螺栓預(yù)緊力的增大，橡膠密封材料進(jìn)一步被壓縮，橡膠密封材料的上、下2 個表面與夾具主體的2 個半塊之間的接觸壓力進(jìn)一步增大，直至滿足管道維修密封壓力要求。

在現(xiàn)場維修管道時，將海底油氣管道維修夾具安裝于維修部位，通過法蘭螺栓和主螺栓的運動，分別對周向密封和軸向密封施加預(yù)緊力，直至滿足維修管道的密封要求。此時，維修管道的泄漏部位被密封于管道維修夾具空腔內(nèi)，進(jìn)而實現(xiàn)對泄漏管道與外部環(huán)境的隔離。在此情況下，管道內(nèi)的介質(zhì)不能泄漏到外部環(huán)境中，從而實現(xiàn)對泄漏管道的維修。

2 夾具計算

通過對海底油氣管道夾具的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行計算，使其能滿足密封及相關(guān)強度要求，進(jìn)而為海底油氣管道夾具設(shè)備設(shè)計提供指導(dǎo)。海底油氣管道夾具設(shè)計中的關(guān)鍵參數(shù)計算包括密封能力計算和夾具主體部分的壁厚及耳板厚度計算。

2.1 密封能力計算

海底油氣管道維修夾具采用的密封材料為橡膠材料，可采用二階Mooney-Rivilin模型對橡膠材料進(jìn)行建模計算，有

式（1）中：和為材料常數(shù)；為應(yīng)變密度；和分別為第1 應(yīng)變不變量和第2 應(yīng)變不變量。

在有限元建模計算中，管道、維修夾具的主體和擰緊法蘭材料為鋼，材料性質(zhì)：彈性模量為210 GPa；泊松比為0.3。在模擬計算中，考慮部件之間的接觸摩擦因數(shù)，鋼性材料之間的摩擦因數(shù)設(shè)為0. 1。密封材料采用丁腈橡膠，硬度為IRHD65，彈性模量=5.52 MPa，泊松比μ =0.499。密封材料與鋼性材料之間的接觸摩擦因數(shù)設(shè)為0.4。模型參數(shù)取=0.736，=0.184。模擬計算時施加表面壓強載荷。在有限元建模計算中，利用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行建模和計算。采用4 節(jié)點CAX4RH 對橡膠材料進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用CAX4R對鋼性材料進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2.1.1 周向密封計算

對于周向密封建模計算，根據(jù)密封結(jié)構(gòu)的特點，采用二維軸對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計算，密封結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。海底油氣管道維修夾具周向密封結(jié)構(gòu)模擬計算參數(shù)見表1。

圖3 密封結(jié)構(gòu)示意圖

表1 海底油氣管道維修夾具周向密封結(jié)構(gòu)模擬計算參數(shù)

針對有限元模擬計算開展網(wǎng)格無關(guān)性驗證工作。在該有限元模擬計算中，劃分的單元格采用四面體單元，所有網(wǎng)格都采用尺寸控制方式劃分。分別對海底油氣管道維修夾具的密封圈、夾具、擰緊法蘭和維修管道的單元格進(jìn)行劃分，劃分的單元格尺寸見表2。

表2 網(wǎng)格無關(guān)性分析結(jié)果

采用5 組有限元模擬計算數(shù)據(jù)驗證網(wǎng)格劃分對有限元模擬計算結(jié)果的影響，模擬計算結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，網(wǎng)格尺寸對有限元模擬計算結(jié)果的影響較小。根據(jù)有限元模擬計算網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果，在有限元模擬計算中，橡膠密封圈的網(wǎng)格劃分控制尺寸為4 mm，維修管道、擰緊法蘭和夾具的網(wǎng)格劃分控制尺寸為8 mm。

以海底油氣管道維修夾具密封壓力為10 MPa為目標(biāo)，通過海底油氣管道維修夾具擰緊法蘭對橡膠密封圈施加作用力。在海底油氣管道夾具密封能力計算中，只要密封面A和密封面B滿足10 MPa的密封能力要求，就能實現(xiàn)密封壓力為10 MPa的目標(biāo)。對密封圈施加的面載荷為14.8 MPa，海底油氣管道夾具周向密封結(jié)構(gòu)有限元模擬計算接觸壓力云圖見圖4，此時密封面A和密封面B的接觸壓力曲線見圖5。

圖4 夾具周向密封結(jié)構(gòu)有限元計算接觸壓力云圖

圖5 密封面接觸壓力曲線

密封面A中接觸壓力達(dá)到12.5 MPa 的長度為25 mm，密封面B 中接觸壓力達(dá)到12.5 MPa 的長度為34 mm，在這種情況下，海底油氣管道維修夾具密封能滿足12.5 MPa 試驗壓力要求，故能滿足10 MPa 密封能力要求，滿足設(shè)計目標(biāo)的要求。

2.1.2 軸向密封計算

對于軸向密封建模計算，根據(jù)密封結(jié)構(gòu)的特點，采用二維軸對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計算，夾具軸向密封結(jié)構(gòu)計算模型見圖6。夾具主體2 采用完全對稱的形式固定，對海底油氣管道維修夾具主體1 的水平方向位移進(jìn)行限制，只允許其產(chǎn)生豎直方向的位移。施加載荷采用表面壓強載荷。

圖6 夾具軸向密封結(jié)構(gòu)計算模型

以夾具密封壓力為10 MPa為目標(biāo)，通過夾具螺栓對橡膠密封條施加作用力。在夾具密封能力計算中，只要密封面A和密封面B滿足10 MPa密封能力的要求，就能實現(xiàn)密封壓力為10 MPa的目標(biāo)。對密封圈施加的面載荷為8 MPa，夾具軸向密封結(jié)構(gòu)有限元模擬計算接觸壓力云圖見圖7，此時密封面A和密封面B 的接觸壓力曲線見圖8。

圖7 夾具軸向密封結(jié)構(gòu)有限元模擬計算接觸壓力云圖

圖8 密封面接觸壓力

密封面A與密封面B 的接觸壓力曲線有效部分基本重合。密封面A 和密封面B 中接觸壓力達(dá)到12.5 MPa的長度為32 mm，在這種情況下，夾具密封能滿足12.5 MPa試驗壓力要求，故能滿足10 MPa密封能力要求，滿足設(shè)計目標(biāo)的要求。

2.2 主體計算

設(shè)計依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)如下：

1）管道維修夾具材料的許用應(yīng)力按GB 150—2011（《壓力容器》）的相關(guān)規(guī)定選取；

2）結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算按GB 150—2011（《壓力容器》）和化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《承壓設(shè)備帶壓密封夾具設(shè)計規(guī)范》、《帶壓密封技術(shù)規(guī)范》開展。

設(shè)海底油氣管道維修夾具壁厚為，其計算公式為

式（2）和式（3）中：為夾具的壁厚，設(shè)計時其值大于等于6 mm；為夾具的設(shè)計壓力，MPa；為維修管道泄漏介質(zhì)壓力，MPa；為夾具腔體內(nèi)直徑，mm；[ ]σ為材料在工作環(huán)境溫度下的許用應(yīng)力，MPa；φ為焊接接頭系數(shù)，當(dāng)夾具采用焊接方法加工時取φ=0.7，當(dāng)夾具采用整體鍛造加工制作時取φ=1.0。

海底油氣管道維修夾具的連接耳板應(yīng)與夾具主體焊接牢靠。夾具耳板厚度的計算公式為

式（4）中：為夾具耳板的厚度，mm；為夾具密封腔的寬度，mm；為夾具耳板螺孔中心至外壁與耳板連接（焊接）處的距離，mm；為夾具耳板長度，mm。

根據(jù)管道維修的需求完成海底油氣管道維修夾具設(shè)計。海底油氣管道維修夾具的主體材料選用16 Mn，當(dāng)鑄件厚度小于100 mm，溫度小于等于100 ℃時，材料的許用應(yīng)力[ ]σ=150 MPa。維修管道管徑為219 mm，海底油氣管道維修夾具內(nèi)徑與管道外徑預(yù)留間隙為10 mm，此時=239 mm。當(dāng)維修管道泄漏介質(zhì)壓力=10 MPa，海底油氣管道維修夾具采用焊接方法加工時，取φ=0.7。由式（2）和式（3）計算得到海底油氣管道維修夾具壁厚=18.39 mm，在實際設(shè)計中，海底油氣管道維修夾具壁厚取整為20 mm，夾具殼體和耳板厚度見圖9。

圖9 夾具殼體和耳板厚度

海底油氣管道維修夾具密封腔寬度=150 mm，海底油氣管道維修夾具連接耳板螺孔中心至夾具外壁與耳板連接處的距離=40 mm，耳板長度=800 mm，由式（3）和式（4）可計算得到耳板的連接厚度至少為23.2 mm，在實際設(shè)計中，海底油氣管道維修夾具耳板的連接厚度取值為45 mm。

采用有限元方法對夾具強度進(jìn)行建模和計算。海底油氣管道維修夾具采用16Mn 材料，其密度為7 850 kg·m，材料的彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。模擬計算施加載荷采用表面壓強載荷，以15 MPa內(nèi)部液體壓力為例進(jìn)行模擬計算，在海底油氣管道維修夾具殼體內(nèi)部加載15 MPa 的壓強載荷，海底油氣管道維修夾具耳板約束采用全約束。模擬計算中采用三維實體單元C3D8R網(wǎng)格劃分單元格，單元格亦采用尺寸控制方式劃分。有限元模擬計算網(wǎng)格無關(guān)性驗證方法與周向密封模擬計算中采用的方法相同，最終模擬計算中單元格控制尺寸取14 mm。

模擬計算的Mises應(yīng)力云圖見圖10。殼體周向的Mises應(yīng)力分布曲線見圖11。有限元分析結(jié)果表明，殼體材料所受最大極限應(yīng)力為113.7 MPa，小于材料許用應(yīng)力150 MPa，殼體整體強度滿足內(nèi)壓15 MPa 的要求。

圖10 模擬計算的Mises應(yīng)力云圖

圖11 殼體周向的Mises應(yīng)力分布曲線

3 結(jié) 語

本文針對海底油氣管道開展了管道維修夾具設(shè)計工作，完成了海底油氣管道維修夾具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)管道10 MPa運行壓力的介質(zhì)維修需求，對于10 MPa密封能力，利用有限元軟件ABAQUS建立了有限元模型，并開展了模擬計算。同時，對關(guān)鍵部件主體部分的壁厚和耳板厚度進(jìn)行了計算。通過上述計算，驗證了設(shè)計的海底油氣管道維修夾具能滿足運行壓力為10 MPa 的泄漏管道的維修需求。該設(shè)計工作可供后續(xù)的海底油氣管道維修夾具設(shè)計和應(yīng)用參考。