1 500m水深水平連接器壓力帽結(jié)構(gòu)及有限元分析

趙三軍，段夢蘭，劉亞磊，羅 俊，劉沛豐，李 博

（1.中國石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2.中海油研究總院，北京100027）①

水下連接系統(tǒng)是水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用為水下生產(chǎn)設(shè)施的連接，包括水下采油樹與水下管匯的連接，跨接管與水下采油樹的連接、PLET（管道終端）與PLEM（終端管匯）的連接等［1－2］。水下連接系統(tǒng)包括連接方法以及連接設(shè)施。其主要的作用為：有利于水下設(shè)施的單獨安裝，使得水下設(shè)備的建立與安裝有靈活性，并可以縮短建設(shè)工期；另一方面可以確保油氣運(yùn)輸?shù)陌踩砸约翱煽啃浴?/p>

深水連接意味著需要使用無潛水下連接器，這需要精確的定位以及可靠而高效的密封。所以水下連接器是深水采油設(shè)備的連接系統(tǒng)的重要組成部分。壓力帽作為水下連接器的1個部件，它是套在水平連接器的公轂座上的，其主要作用是封堵轂座，保護(hù)密封區(qū)域。目前國內(nèi)技術(shù)還不成熟，為打破國外公司的技術(shù)壟斷，盡早實現(xiàn)深水石油開發(fā)裝備的國產(chǎn)化，通過對水下管匯水平套筒式連接器壓力帽的結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計，掌握壓力帽的設(shè)計及難點，為設(shè)計出1套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的水下套筒式連接器提供技術(shù)儲備，對我國實施深水油氣田開發(fā)具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 總體結(jié)構(gòu)

水平套筒式壓力帽結(jié)構(gòu)如圖1所示。

壓力帽是套在水平連接器的公轂座上的，連接器安裝時封堵轂座、保護(hù)密封區(qū)域。壓力帽是通過卡爪與轂座嚙合來實現(xiàn)連接的。水平連接器公轂座的輪轂總成如圖2，壓力帽安裝完成如圖3所示。

2 主要零件的結(jié)構(gòu)

壓力帽的工作周期相對較短，并且在陸地上安裝，所以壓力帽的結(jié)構(gòu)及安裝應(yīng)盡可能簡單。承壓板、卡爪、驅(qū)動環(huán)是壓力帽實現(xiàn)其功能的主要零件，應(yīng)采用同樣的設(shè)計原則。

2.1 承壓板

已知壓力帽是作用在的公轂座上的。承壓板的設(shè)計是根據(jù)圖3所示的公轂座的形狀尺寸來設(shè)計的。

設(shè)計承壓板時預(yù)留了卡爪活動的空間；承壓板與公轂座接觸面要求平整，以確保連接緊湊。采用O形密封圈的靜密封［3］，承壓板要有密封圈槽。如圖4所示。

2.2 卡爪

卡爪［4］為壓力帽中的關(guān)鍵零件。本文中所設(shè)計的壓力帽在不影響工作和盡可能節(jié)約成本的情況下，采用了4個卡爪。根據(jù)卡爪抓合原理，需要確保其能夠正常動作，可靠抓合且防脫，避免卡死現(xiàn)象的發(fā)生。卡爪結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.3 驅(qū)動環(huán)

驅(qū)動環(huán)的作用是控制卡爪動作，即驅(qū)動環(huán)通過朝向轂座方向運(yùn)動及背離轂座運(yùn)動分別實現(xiàn)卡爪的鎖緊及松開，以實現(xiàn)壓力帽在轂座上面安裝及拆卸運(yùn)動。

在工作期間，卡爪需要承受比較復(fù)雜的載荷，載荷的傳遞使得驅(qū)動環(huán)需要具有較大的強(qiáng)度；需要為控制面板預(yù)留出足夠的安裝空間。驅(qū)動環(huán)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.4 控制面板

控制面板主要控制的是液壓缸的動作，因此在控制面板上面擁有1個控制液壓缸動作方向的換向閥，為ROV提供液壓油源進(jìn)入液壓缸的輸油口，以及平時封堵輸油口的密封塞。結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3 液壓系統(tǒng)原理

壓力帽的安裝和壓力試驗主要在岸上進(jìn)行，而壓力帽的拆卸是在水下進(jìn)行。壓力帽的安裝過程是：

1） 將壓力帽與公轂座對準(zhǔn)放置。

2） 通過液壓力使端蓋帶動驅(qū)動環(huán)向轂座方向運(yùn)動。

3） 驅(qū)動環(huán)運(yùn)動使卡爪卡緊，完成安裝。如圖3所示。

由于壓力帽是在水下拆卸的，需要運(yùn)用ROV（水下機(jī)器人）進(jìn)行拆卸，過程是：

1） ROV將控制面板上的液壓口塞取下。

2） 將ROV自身的液壓灌口對準(zhǔn)放入。

3） 將液壓閥換向，使液壓缸進(jìn)行反向運(yùn)動。

4） 使端蓋帶動驅(qū)動環(huán)向著背離轂座的方向運(yùn)動，使卡爪松開。

5） 由ROV取下壓力帽，至此壓力帽的拆卸全部完成。

壓力帽的安裝和拆卸過程是由液壓系統(tǒng)控制的，而深水情況下，只能用ROV進(jìn)行操作，所以需要設(shè)計一個由ROV操作的控制面板。

液壓系統(tǒng)原理［6］如圖8所示。液壓系統(tǒng)的工作流程為：當(dāng)壓力帽進(jìn)行卡緊的時候，通過換向閥換到左邊使液壓缸向著轂座方向運(yùn)動；當(dāng)壓力帽需要松開的時候，使換向閥換到右邊通過液壓力使端蓋帶動驅(qū)動環(huán)向背向轂座的方向運(yùn)動，卡爪松開。

4 強(qiáng)度校核

按照1 500m水深的工作環(huán)境，應(yīng)用ABAQUS軟件對壓力帽進(jìn)行有限元分析［5－6］。基于結(jié)構(gòu)與載荷的對稱性，所以只取整體的1／4進(jìn)行建模，如圖9所示。

對所導(dǎo)入的模型進(jìn)行屬性賦值，其材料選取為ASTM A182F22（105ksi低合金 Cr－Mo－V 鋼）。密度設(shè)置為7.8t／m3，彈性模量為210GPa，泊松比設(shè)置為0.3。分析壓力帽在水下工作時（即卡爪處于鎖緊狀態(tài)時）的應(yīng)力。壓力帽主要受2個力作用，即，驅(qū)動環(huán)受到的由液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的預(yù)緊力與1 500m深的水壓力。設(shè)置好邊界條件后，對整個模型的分析采用的是靜態(tài)分析，結(jié)果如圖10。

由圖10可以得出壓力帽的最大應(yīng)力集中區(qū)，以及受到的最大應(yīng)力為182.2MPa，它遠(yuǎn)小于ASTM A182F22（105ksi低合金Cr－Mo－V鋼）在試驗溫度時的許用應(yīng)力1 350MPa。所以，壓力帽的強(qiáng)度符合規(guī)范要求。

5 結(jié)論

1） 通過對國內(nèi)外的水下管匯連接器的深入研究，并結(jié)合具體環(huán)境的設(shè)計條件及設(shè)計要求，設(shè)計了1套可以應(yīng)用在水深1 500m的水下管匯套筒式連接器的壓力帽。有限元分析結(jié)果表明壓力帽的強(qiáng)度符合規(guī)范要求，能夠?qū)崿F(xiàn)對轂座的密封和保護(hù)的功能。

2） 該壓力帽無需專門的水下拆卸工具，借助ROV進(jìn)行水下操作，節(jié)省人力；可以對轂座進(jìn)行良好的密封，且不會破壞轂座的結(jié)構(gòu)；可重復(fù)使用。

3） 在后續(xù)工作之中，還可以對壓力帽的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其結(jié)構(gòu)更加簡潔，更容易裝配和拆卸。設(shè)計中要考慮到在海底復(fù)雜的環(huán)境下可能出現(xiàn)的情況，進(jìn)一步提高我國自主研發(fā)深水采油設(shè)備的技術(shù)水平。

［1］David Carter Allensworth，Timothy William Crown.Subsea gang connector system ［P］.United States Patent：US7172447B2，F(xiàn)eb.6，2007.

［2］董衍輝，段夢蘭，王金龍，等.深水水下連接器的對比與選擇［J］.石油礦場機(jī)械.2012，41（4）：6－12.

［3］成大先.機(jī)械設(shè)計手冊［K］.5版.北京：化學(xué)工程出版社，2008.

［4］關(guān)俊峰.卡爪式深海管道自動連接機(jī)具技術(shù)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

［5］楊培元，朱福元.液壓系統(tǒng)設(shè)計簡明手冊［K］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［6］石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.