一種耐高溫雙球窩對(duì)稱連接深水立管柔性接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析①

趙鑒超,尤軍峰,2*,徐國(guó)棟,汪凌燕,李華軍

(1.西安航天動(dòng)力技術(shù)研究所,西安 710025;2.固體推進(jìn)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710025;3.西安航天復(fù)合材料研究所,西安 710025;4.西安向陽(yáng)航天材料股份有限公司,西安 710049)

0 引言

21世紀(jì)是海洋世紀(jì),隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,能源和資源問(wèn)題日益突出,海洋資源開發(fā)受到各國(guó)的高度重視。近些年,世界新增油氣儲(chǔ)量和產(chǎn)量已主要來(lái)自于海洋,海洋油氣產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的40%左右[1]。在海洋能源勘探與開采系統(tǒng)中,立管系統(tǒng)作為水上平臺(tái)和水下設(shè)備的連接通道,是平臺(tái)和海底設(shè)備之間介質(zhì)傳輸?shù)摹把屎怼盵2]。深水立管柔性接頭是連接立管系統(tǒng)與浮式平臺(tái)的關(guān)鍵部件,它可以降低立管上的剪力和彎矩,緩解因洋流運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的立管系統(tǒng)與浮動(dòng)平臺(tái)的應(yīng)力,本身還可承受較大的拉壓載荷,是深水立管生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。

長(zhǎng)期以來(lái),全球深水立管柔性接頭產(chǎn)品市場(chǎng)基本由美國(guó)的LORD公司和OSI公司所壟斷。隨著我國(guó)海洋油氣勘探與開采逐步邁向2～3 km的深水領(lǐng)域,國(guó)外提供的產(chǎn)品也不能滿足我國(guó)深水領(lǐng)域油氣開采的技術(shù)需求。因此,無(wú)論是為打破國(guó)外技術(shù)封鎖、解決“卡脖子”問(wèn)題,還是為滿足我國(guó)深水領(lǐng)域油氣開采的技術(shù)需求,均需研發(fā)一種新型的深水立管柔性接頭。

本文介紹了新型深水立管柔性接頭方案設(shè)計(jì),并依據(jù)深水立管柔性接頭實(shí)際載荷條件與使用工況,完成了內(nèi)壓、軸拉加擺動(dòng)、溫度載荷條件下的有限元仿真計(jì)算,驗(yàn)證了新型深水立管柔性接頭設(shè)計(jì)方案的正確性。

1 新型深水立管柔性接頭設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)內(nèi)對(duì)深水立管(或隔水管)柔性接頭的技術(shù)需要,提出如下技術(shù)指標(biāo): 最大壓強(qiáng) 69 MPa ;軸向承載能力 400 t;最大擺角 25°;擺動(dòng)剛度 15～50 kN·m/(°)(工作壓強(qiáng) 21 MPa);最高工作溫度 180 ℃。

本文采用一種新型雙接頭、雙球窩對(duì)稱連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案來(lái)解決大擺角、耐高溫、抗疲勞的問(wèn)題,如圖1所示。

圖1 一種新型的深水立管柔性接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Structure design of a new flexible joint for deepwater riser

本方案通過(guò)兩套對(duì)稱連接的彈性元件、球窩支撐結(jié)構(gòu)來(lái)減少每個(gè)彈性元件的受力與變形。陰、陽(yáng)球體之間通過(guò)預(yù)壓彈簧,使陰、陽(yáng)球體始終處于預(yù)壓狀態(tài),既保證了陰陽(yáng)球之間的密封,又可使陰陽(yáng)球之間的預(yù)壓力可控,降低磨損。在連接殼體與球窩支撐結(jié)構(gòu)之間充冷卻液,起傳遞熱量的作用,通過(guò)外部海水的冷卻,使彈性元件能夠在較低溫度環(huán)境條件下長(zhǎng)期工作。

2 新型深水立管柔性接頭仿真分析

對(duì)新型深水立管柔性接頭設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算,如圖2～圖5所示。根據(jù)靜力強(qiáng)度、剛度仿真計(jì)算結(jié)果,柔性接頭在各種工況下最大應(yīng)力為490.5 MPa,小于材料的強(qiáng)度指標(biāo)1078 MPa。從擺動(dòng)仿真可知在21 MPa內(nèi)壓,25°擺角條件下擺動(dòng)約束反力矩為348 kN·m(1/2模型),則整體柔性接頭的擺動(dòng)剛度為:27.84 kN·m/(°),在擺動(dòng)剛度要求范圍內(nèi)。根據(jù)傳熱仿真計(jì)算結(jié)果,在管內(nèi)180 ℃高溫油氣與外部海水冷卻對(duì)流換熱邊界條件下柔性接頭彈性元件部位的最高溫度為56 ℃ ,小于橡膠材料長(zhǎng)期工作溫度70 ℃。因此,本項(xiàng)目研發(fā)的新型深水立管柔性接頭滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

(a)Stress (b)Displacement圖2 極限內(nèi)壓69 MPa應(yīng)力及位移云圖Fig.2 Stress and displacement contours at the ultimate internal pressure of 69 MPa

(a)Stress (b)Displacement圖3 軸拉400 t條件下應(yīng)力及位移云圖Fig.3 Stress and displacement contours under 400 t axial tension

(a)Stress (b)Displacement圖4 內(nèi)壓21 MPa+25°擺動(dòng)條件下應(yīng)力及位移云圖Fig.4 Stress and displacement contours under 21 MPa and 25°environment

(a)Global temperature field

(b)Local temperature field圖5 內(nèi)腔180 ℃介質(zhì)條件下溫度場(chǎng)云圖Fig.5 Temperature field contours at 180 ℃ transmitter

本項(xiàng)目研發(fā)的新型深水立管柔性接頭設(shè)計(jì)與國(guó)外同類產(chǎn)品性能指標(biāo)對(duì)比如表1所示。

表1 深水立管柔性接頭性能指標(biāo)對(duì)比Table 1 Performance comparison of flexible joint of deepwater riser

3 結(jié)論

根據(jù)靜力結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、傳熱仿真計(jì)算結(jié)果,本項(xiàng)目研發(fā)的新型深水立管柔性接頭方案設(shè)計(jì)滿足技術(shù)指標(biāo)要求。通過(guò)與國(guó)外深水立管柔性接頭同類產(chǎn)品性能指標(biāo)對(duì)比,本項(xiàng)目研發(fā)的新型深水立管柔性接頭性能達(dá)到并超過(guò)國(guó)外先進(jìn)水平。