油管掛外補(bǔ)芯與采油樹本體間的鎖緊環(huán)設(shè)計(jì)

程 銳，許 洋，范海濤

（美鉆能源科技（上海）有限公司，上海 200941）

0 引言

隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)向深海發(fā)展，行業(yè)對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)提出了強(qiáng)烈需求，但該領(lǐng)域在國(guó)內(nèi)的發(fā)展相對(duì)滯后。大批水下生產(chǎn)系統(tǒng)（包括關(guān)鍵設(shè)備水下采油樹）長(zhǎng)期依靠國(guó)外進(jìn)口，采購(gòu)困難、價(jià)格昂貴、維護(hù)成本高，在遇到生產(chǎn)、安裝和維護(hù)問題時(shí)，國(guó)外供應(yīng)商服務(wù)響應(yīng)周期長(zhǎng)，一直處于被動(dòng)狀態(tài)[1]。

為了實(shí)現(xiàn)國(guó)家海洋戰(zhàn)略，打破國(guó)外深海技術(shù)的壟斷局面，保證國(guó)家能源安全，我國(guó)已將全面提升深海油氣開發(fā)裝備自主研發(fā)制造能力列入國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略。其中，水下采油樹是水下生產(chǎn)系統(tǒng)深海油氣開發(fā)裝備的重要組成部分。在國(guó)內(nèi)，已有廠家可以獨(dú)立自主地設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、維護(hù)和安裝深海水下采油樹。本文依托美鉆能源科技（上海）有限公司（簡(jiǎn)稱“公司”）1 500 m水下智能井口和采油樹項(xiàng)目，根據(jù)中國(guó)南海某油田工況，著重介紹國(guó)外進(jìn)口水下采油樹維護(hù)過程中采油樹本體上坐掛油管掛外補(bǔ)芯遇到的無法取出問題，即：鎖緊環(huán)無法解鎖，結(jié)合該問題對(duì)鎖緊環(huán)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究分析，改進(jìn)鎖緊環(huán)設(shè)計(jì)[2]。

1 鎖緊環(huán)的鎖緊與解鎖功能介紹

油管掛外補(bǔ)芯坐掛于采油樹本體上，其安裝狀態(tài)見圖1。圖1中：左側(cè)為鎖緊狀態(tài)，右側(cè)為解鎖狀態(tài)。油管掛外補(bǔ)芯通過下入工具下壓載入環(huán)，撐開鎖緊環(huán)（鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)為帶有開口的環(huán)），使得油管掛外補(bǔ)芯鎖定在采油樹本體上；當(dāng)借助取回工具提拉載入環(huán)時(shí)，鎖緊環(huán)將縮回至原始狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)油管掛外補(bǔ)芯的解鎖[3]。

2 油管掛外補(bǔ)芯提取過程

在取油管掛外補(bǔ)芯前，對(duì)油管掛外補(bǔ)芯（SSB）取送工具進(jìn)行外觀檢測(cè)保養(yǎng)，并對(duì)工具進(jìn)行功能性壓力測(cè)試、位置尺寸數(shù)據(jù)測(cè)量，結(jié)果顯示均為正常。

作業(yè)人員使用行車將SSB取送工具放入采油樹樹本體內(nèi)（見圖2），在確認(rèn)SSB取送工具與油管掛外補(bǔ)芯鎖緊后，將油管掛外補(bǔ)芯與采油樹本體解鎖，確認(rèn)載入環(huán)已提升至完全解鎖位置（原理上芯軸上提，鎖緊環(huán)解鎖），取油管掛外補(bǔ)芯時(shí)，質(zhì)量超過19 t（以最大力16 t取出，1 t＝9 810 N）。由于行車額定提升載荷為20 t，則油管掛外補(bǔ)芯未取出[4]。

圖2 作業(yè)人員取油管掛外補(bǔ)芯示意圖

經(jīng)過小組討論，在正常取油管掛外補(bǔ)芯失敗的情況下，陸續(xù)采用吊機(jī)加大過提力配重并結(jié)合煤油浸泡（在采油樹本體內(nèi)部進(jìn)行清洗及倒入煤油浸泡一段時(shí)間，對(duì)采油樹進(jìn)行10 t配重，提升力達(dá)到40.5 t后，將整棵采油樹加配重提起，見圖3）來進(jìn)行提??；采油樹本體通過排氣加熱（將采油樹本體周圍閥體拆除，通過閥孔排氣，排除SSB補(bǔ)芯在內(nèi)部形成的吸力，利用陶瓷加熱板對(duì)本體加熱到300 ℃；以期本體與SSB補(bǔ)芯之間、SSB鎖環(huán)與SSB之間的雜質(zhì)隨原油一起流出，在減少阻尼力的同時(shí)，可以釋放出SSB鎖環(huán)與SSB之間的空間，使SSB鎖環(huán)完全復(fù)位，見圖4）來進(jìn)行提取。以上方法均以失敗告終。

圖3 配重加煤油浸泡提取油管掛外補(bǔ)芯示意圖

圖4 采油樹本體排氣加熱提取油管掛外補(bǔ)芯示意圖

3 油管掛外補(bǔ)芯提取失敗原因分析

1）鎖緊環(huán)（金結(jié)構(gòu)鋼4 140，材料強(qiáng)度130 K）材料彈性失效（見圖5）[5]。

圖5 鎖緊環(huán)彈性失效示意圖

2）鎖緊環(huán)附近存在雜物，摩擦系數(shù)增大（見圖6）。

圖6 鎖緊環(huán)與SSB 補(bǔ)芯存在雜物示意圖

6 對(duì)鎖緊環(huán)進(jìn)行有限元分析

6.1 鎖緊環(huán)鎖緊過程模擬

對(duì)鎖緊環(huán)施加15 t的下壓載荷，鎖緊環(huán)完全張開后卸載，設(shè)計(jì)摩擦系數(shù)μ＝0.2。載荷與約束施加示意圖見圖7。

圖7 載荷與約束施加示意圖

對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)行有限元計(jì)算，鎖緊環(huán)撐開過程中的位移及應(yīng)力云圖見圖8和圖9。

圖8 鎖緊環(huán)撐開過程曲線及完全撐開位移云圖

圖9 鎖緊環(huán)完全撐開的應(yīng)力云圖

由圖8和圖9可知，鎖緊環(huán)在撐開過程中，鎖緊環(huán)一方面沿徑向撐開，另一方面沿周向移動(dòng)，其最大應(yīng)力點(diǎn)約處于90°（在該區(qū)域30°范圍屬于大應(yīng)力區(qū)）的位置，最大應(yīng)力為598.78 MPa，存在一定的偏差，但相對(duì)準(zhǔn)確。

6.2 鎖緊環(huán)一般解鎖過程模擬

鎖緊環(huán)完全處于屈服狀態(tài)，對(duì)油管掛外補(bǔ)芯施加15 t的上提載荷，鎖緊環(huán)完全收回后卸載，設(shè)計(jì)摩擦系數(shù)μ＝0.2。載荷與約束施加示意見圖10，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)行有限元計(jì)算，鎖緊環(huán)收縮過程中的位移及應(yīng)力云圖見圖11和圖12[6]。

圖10 載荷與約束施加示意圖

由圖11和圖12可知，理想狀態(tài)下，在取回油管掛外補(bǔ)芯的過程中，鎖緊環(huán)不僅有徑向收縮，還有環(huán)向移動(dòng)，并且在15 t的提拉載荷作用下，是完全可以解鎖的（即使鎖緊環(huán)完全屈服，只要摩擦阻力未達(dá)到臨界值，是可以強(qiáng)力取回的）。

圖11 鎖緊環(huán)收縮過程曲線及完全收縮位移云圖

圖12 鎖緊環(huán)完全收回的應(yīng)力云圖

6.3 鎖緊環(huán)自鎖過程模擬

鎖緊環(huán)完全處于屈服狀態(tài)，對(duì)油管掛外補(bǔ)芯施加60 t的上提載荷，臨界摩擦系數(shù)取μ＝0.37。載荷與約束施加示意圖見圖13，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)行有限元計(jì)算，鎖緊環(huán)自鎖過程中的位移及應(yīng)力云圖見圖11和圖12。

圖13 載荷與約束施加示意圖

由圖14和圖15可知，理想狀態(tài)下，在取回油管掛外補(bǔ)芯過程中，鎖緊環(huán)不僅有徑向收縮，還有環(huán)向移動(dòng)，但由于摩擦系數(shù)達(dá)到了臨界值，即使提升力達(dá)到了60 t也無法取回。

圖14 鎖緊環(huán)收縮過程曲線及自鎖的位移云圖

圖15 鎖緊環(huán)自鎖的應(yīng)力云圖

6.4 最終處理結(jié)果介紹

根據(jù)上述分析結(jié)果，提交公司評(píng)審確認(rèn)，由于原油和雜質(zhì)在鎖緊環(huán)附近堆積，使得鎖緊環(huán)周圍的摩擦系數(shù)增大，達(dá)到了自鎖的臨界摩擦系數(shù)，鎖緊環(huán)無法再取出，只能切割油管掛外補(bǔ)芯進(jìn)行維修。油管掛外補(bǔ)芯切割作業(yè)（見圖16）后，查看采油樹本體、鎖緊環(huán)和油管掛外補(bǔ)芯發(fā)現(xiàn)，鎖緊環(huán)附近確實(shí)淤積了大量原油和雜質(zhì)，這是導(dǎo)致鎖緊環(huán)無法解鎖的根本原因。

圖16 油管掛外補(bǔ)芯切割作業(yè)及取出的鎖緊環(huán)示意圖

7 結(jié)論

根據(jù)分析結(jié)果，采油樹本體上坐掛的油管掛外補(bǔ)芯遇到的無法取出問題（鎖緊環(huán)無法解鎖），主要是由于原油和雜質(zhì)在鎖緊環(huán)附近堆積，使得鎖緊環(huán)周圍的當(dāng)量摩擦系數(shù)增大，達(dá)到了自鎖的臨界摩擦系數(shù)，與鎖緊環(huán)屈服與否無關(guān)。

為了克服和避免該問題的發(fā)生，使得油管掛外補(bǔ)芯更容易取出，可采取以下措施：

1）在鎖緊環(huán)上環(huán)空腔和下環(huán)空腔間增加隔絕原油和雜質(zhì)的密封件，避免因其聚集阻礙鎖緊環(huán)的運(yùn)動(dòng)。

2）降低鎖緊環(huán)與采油樹本體的接觸面錐面半角。

3）避免超期服役。超期服役將導(dǎo)致鎖緊環(huán)長(zhǎng)期處于高應(yīng)力工況下，受變載影響逐漸擴(kuò)大成屈服變形。

與此同時(shí)，均布線性載荷算法和多項(xiàng)集中力算法均是趨于保守的。在精度要求不高的情況下，鎖緊環(huán)類的開口環(huán)可以按照均布線密度載荷校核計(jì)算，該方法偏于保守，但不反應(yīng)實(shí)際大應(yīng)力位置（不適合載荷較高的情況，其可能導(dǎo)出未屈服而屈服的結(jié)果）。在精度要求較高的情況下，宜采用多項(xiàng)集中力的校核方法，該方法更接近于實(shí)際情況，適用范圍更廣，但需要注意在應(yīng)用過程中應(yīng)遵循的原則，特別是最小能量原則（矩陣方程組的解有無窮個(gè)，但滿足該條件的往往只有1組）。