深水鍛件結(jié)構(gòu)工藝孔封堵技術(shù)研究

安維崢，康永田，萬(wàn) 波，侯廣信

1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100027

2.中國(guó)船級(jí)社海洋工程技術(shù)中心，天津 300457

大型鍛件結(jié)構(gòu)在水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備中應(yīng)用較多，其為設(shè)備非常重要的零件之一，在水下井口、水下采油樹(shù)和水下管匯等設(shè)備上都有應(yīng)用。大型鍛件作為設(shè)備中的重要零件，需要承擔(dān)設(shè)備的壓力和溫度載荷，對(duì)鍛件的應(yīng)用具有極高的技術(shù)要求[1-2]。隨著水下生產(chǎn)系統(tǒng)向著深水邁進(jìn)，設(shè)備的智能化要求也越來(lái)越高，因此在大型鍛件上需要設(shè)置不同形式的功能孔，用于滿足設(shè)備電纜或者液壓傳輸?shù)囊?。由于加工工藝技術(shù)的限制，在鍛件本體上就會(huì)開(kāi)一些工藝孔，用于功能孔的制造，在加工完成之后還需對(duì)這些工藝孔進(jìn)行封堵，以滿足設(shè)備對(duì)不同工作載荷的技術(shù)要求[3-4]。

目前我國(guó)水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化剛剛處于起步階段，國(guó)內(nèi)少數(shù)企業(yè)針對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備制造了工程樣機(jī)，并且對(duì)有些設(shè)備開(kāi)展了海試工作，在工藝技術(shù)水平方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[5-6]。然而，在深水鍛件結(jié)構(gòu)工藝孔封堵技術(shù)研究方面尚處于起步階段，工程案例少、封堵工藝技術(shù)不健全等因素都影響到鍛件在深水結(jié)構(gòu)物的應(yīng)用[7]，因此，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有工藝技術(shù)對(duì)工藝孔封堵技術(shù)進(jìn)行研究，采用有限元模擬的方法對(duì)工藝孔封堵技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以探求不同封堵工藝技術(shù)對(duì)鍛件應(yīng)用的影響。

1 鍛件在水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備中的應(yīng)用

目前我國(guó)海洋油氣裝備處于蓬勃發(fā)展階段，水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備處于國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵時(shí)期，水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備主要包括水下井口、采油樹(shù)和管匯等設(shè)備，鍛件是水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備中的主要組成部件，設(shè)備上典型的鍛件如圖1所示[8]。

圖1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)中典型的鍛件結(jié)構(gòu)

因功能的需要鍛件上面會(huì)開(kāi)出各種功能孔。這些功能孔有的很深，例如油管懸掛器上面的液壓孔要貫穿整個(gè)油管懸掛器的鍛件主體；有的功能孔要承擔(dān)較大的工作壓力，一般的液壓孔壓力都會(huì)在20.7 MPa左右。加工長(zhǎng)距離功能孔的同時(shí)還會(huì)加工一些工藝孔，加工完成后對(duì)工藝孔進(jìn)行封堵，以保證鍛件可在高溫、高壓狀態(tài)下正常使用。

如圖2所示，需要封堵的工藝孔在圖中紅圈內(nèi)，封堵完成后該孔需要承載液壓的載荷。工藝孔主要作用在于輔助加工，在設(shè)備鍛件制作期間用于輔助測(cè)試，工藝孔封堵技術(shù)在設(shè)備鍛件中極為重要，直接關(guān)系到鍛件能否在設(shè)備中正常應(yīng)用。

圖2 油管懸掛器需要封堵的工藝孔

2 封堵技術(shù)研究

工藝孔封堵技術(shù)具有多種形式，根據(jù)需要可以選擇堆焊焊接、螺柱密封和組合方式進(jìn)行封堵，封堵后鍛件要滿足API 6A中關(guān)于工藝孔封堵的技術(shù)要求。以下對(duì)上述3種封堵技術(shù)形式分別進(jìn)行具體的介紹。

2.1 堆焊焊接封堵

堆焊焊接就是針對(duì)工藝孔的結(jié)構(gòu)，采用堆焊焊接的形式將整個(gè)工藝孔進(jìn)行封堵，此項(xiàng)技術(shù)在陸地設(shè)備封堵工藝上應(yīng)用較多。需要重點(diǎn)對(duì)焊接工藝進(jìn)行評(píng)價(jià)，考慮焊接材料和環(huán)境等因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響，并且在焊接過(guò)程中需要先對(duì)鍛件進(jìn)行整體加溫，以避免焊接形成氣泡或造成局部應(yīng)力過(guò)大。工藝孔封堵焊接的工藝形式如圖3所示。

圖3 堆焊封堵的工藝孔

采用堆焊焊接的方式能夠完成圖3所示工藝孔的封堵，焊接完成后需對(duì)表面進(jìn)行磨平處理。但是工藝孔一般比較細(xì)且比較深，堆焊焊接是否能夠填充飽滿，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和焊接操作的可行性需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.2 螺柱封堵

螺柱堵頭的封堵方式較為簡(jiǎn)單，如圖4所示。螺柱封堵需要在鍛件本體上加工NPT螺紋，通過(guò)螺紋連接實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝孔的密封，這種方式在工程中應(yīng)用較多，連接較為方便，但是高腐蝕區(qū)域就需要考慮螺柱材料的影響以及設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)的耐久性。

圖4 螺柱封堵的工藝孔

2.3 組合封堵方式

組合封堵的形式是將螺柱封堵和焊接封堵進(jìn)行組合，封堵工藝技術(shù)如圖5所示。圖5所示的組合將螺柱置于工藝孔的內(nèi)部，再在螺柱的端部進(jìn)行焊接，然后再磨平，焊接可以采用耐腐蝕合金材質(zhì)，這樣就可以滿足耐腐蝕的技術(shù)要求。

圖5 組合封堵的工藝孔

3 結(jié)構(gòu)模型分析

深水鍛件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了有限元計(jì)算方便，需對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。本文以油管懸掛器液壓管道的工藝孔為例進(jìn)行分析，油管懸掛器設(shè)計(jì)壓力34.5 MPa、內(nèi)徑127 mm，液壓管道的設(shè)計(jì)壓力為20.7 MPa、內(nèi)徑12.7 mm，工藝孔直徑10 mm，采用workbench建立如圖6所示的有限元分析模型。

圖6 油管懸掛器液壓管道的工藝孔有限元分析模型

為了減少封堵尺寸效應(yīng)，假設(shè)焊接、螺柱（1/2 in NPT，1 in=25.4 mm）和組合封堵形式的結(jié)構(gòu)尺寸一致，但是在不同的封堵形式中，設(shè)置不同的接觸形式。堆焊焊接采用綁定接觸，螺柱封堵的螺紋區(qū)間采用螺栓接觸，在螺帽區(qū)域設(shè)置摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.2，在采用組合封堵形式時(shí)，螺柱采用螺栓接觸，螺帽區(qū)域被削減，采用堆焊的方式填充。油管懸掛器本體、焊材和螺柱材料屬性參數(shù)如表1所示。

表1 材料主要參數(shù)

針對(duì)封堵技術(shù)開(kāi)展操作工況和壓力測(cè)試工況的分析。在正常操作工況下，在油管懸掛器模型內(nèi)壁施加壓力載荷34.5 MPa，底部和上部臺(tái)階位置施加固定邊界條件約束，液壓管道和堵頭施加壓力20.7 MPa；在測(cè)試工況下，內(nèi)壁施加的壓力載荷為34.5 MPa，液壓管道和堵頭施加1.5倍工作壓力，邊界條件和操作工況時(shí)一致，模型施加的載荷如表2所示。

表2 模型施加載荷

不同封堵技術(shù)的有限元模型采用四面體單元solid187進(jìn)行分析。在操作工況下，3種封堵形式的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖7所示；在測(cè)試工況下，3種封堵形式的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖7 操作工況下三種封堵結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖

圖8 測(cè)試工況下3種封堵結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖

通過(guò)對(duì)比分析3種封堵形式的計(jì)算結(jié)果可知，油管懸掛器的本體結(jié)構(gòu)在操作工況和測(cè)試工況下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力基本上沒(méi)有變化，封堵工藝技術(shù)對(duì)鍛件主體的結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響不大，但是在不同封堵形式下，工藝孔位置的應(yīng)力變化較大，尤其是焊接封堵形式，在工藝孔周邊產(chǎn)生了一定的殘余應(yīng)力，封堵區(qū)域的結(jié)構(gòu)應(yīng)力有很大的變化。封堵區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 封堵區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果

對(duì)于封堵構(gòu)件，從結(jié)構(gòu)應(yīng)力的角度進(jìn)行分析，3種封堵工藝技術(shù)都能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。焊接封堵結(jié)構(gòu)應(yīng)力最小，但是封堵焊接孔徑小，對(duì)封堵工藝技術(shù)的實(shí)施有一定的影響，焊接難度大，在實(shí)際工程中難以實(shí)施，并且焊接會(huì)使本體產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力。螺柱封堵可行性較高，需要考慮螺柱的密封和耐久性，在低載荷時(shí)可以進(jìn)行應(yīng)用。組合封堵形式填充件產(chǎn)生的應(yīng)力較小，具備了焊接封堵和螺柱封堵的優(yōu)點(diǎn)，所以組合封堵形式具有較好的力學(xué)性能和可操作性。

4 組合封堵技術(shù)試驗(yàn)

根據(jù)不同形式封堵技術(shù)的有限元分析結(jié)果，組合封堵形式在結(jié)構(gòu)可靠性和操作性方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此工藝孔封堵試驗(yàn)工裝中采用組合封堵的方式。封堵螺柱采用1/2 in NPT螺紋設(shè)計(jì)，端部使用焊接形式進(jìn)行填充、磨平，測(cè)試壓力分別為20.7、31.05 MPa，以驗(yàn)證封堵形式的可靠性。封堵試驗(yàn)驗(yàn)證方案如圖9所示。

圖9 封堵試驗(yàn)驗(yàn)證方案

如圖10所示，在具有封堵件的防爆艙內(nèi)施加20.7、31.05 MPa的測(cè)試壓力，試驗(yàn)后檢驗(yàn)結(jié)果為：油管掛和工藝孔封堵結(jié)構(gòu)未發(fā)生損壞，說(shuō)明組合封堵技術(shù)滿足封堵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的技術(shù)要求，有限元分析方法是可靠的，組合封堵工藝技術(shù)可以在深水鍛件結(jié)構(gòu)工藝孔封堵工程上進(jìn)行應(yīng)用。

圖10 封堵壓力試驗(yàn)

5 結(jié)論

（1）本文針對(duì)深水鍛件結(jié)構(gòu)工藝孔的封堵技術(shù)進(jìn)行研究，采用有限元方法對(duì)不同封堵技術(shù)進(jìn)行了分析，并采用試驗(yàn)的方法驗(yàn)證組合封堵效果，結(jié)果表明，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面，各種封堵形式都能滿足強(qiáng)度的要求，組合封堵形式具有較好的封堵效果和可操作性。

（2）焊接、螺柱和組合封堵技術(shù)在強(qiáng)度方面都可以滿足深水鍛件在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的要求，但是不同封堵結(jié)構(gòu)形式對(duì)封堵技術(shù)的具體操作有一定的要求，算例中的工藝孔較小，采用焊接封堵難度大；螺柱封堵形式操作便捷、可行性高；組合封堵形式結(jié)合了螺柱和焊接封堵的優(yōu)點(diǎn)，所以在深水鍛件工藝孔封堵形式選擇方面就需要結(jié)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、可操作性等幾個(gè)方面進(jìn)行判別，選擇最優(yōu)的封堵形式進(jìn)行應(yīng)用。