深水水平連接器注水罩設計

羅 俊，趙宏林，李 博，趙三軍，劉亞磊，段夢蘭

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

深水水平連接器注水罩設計

羅 俊1，趙宏林1，李 博2，趙三軍1，劉亞磊1，段夢蘭1

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

針對深水水平套筒式連接器的特殊連接方式，以連接器的安裝工具與注水罩的安裝工具共用的原則，設計了卡爪式注水罩。分析了卡爪式注水罩的工作原理和安裝過程，驗證了卡爪式注水罩結構的合理性。對卡爪式注水罩的鎖緊機構及其卡爪進行了受力分析，通過有限元計算，校核了注水罩結構的強度。結果表明：卡爪式注水罩結構合理，強度滿足工程需要。

水下連接器；注水罩；卡爪；鎖緊機構

隨著世界經濟的快速發展，人類對能源尤其是石油資源的需求與日俱增，海洋油氣的開采也就越來越重要［1-3］。全球油氣資源中約44%分布在水深300 m以下的水域，走向深水是未來油氣田開發的總趨勢［4-5］。水下采油樹、水下管匯、水下處理設備以及將其連接在一起輸送到水上結構的連接設備組成了水下生產系統。海底輸油氣管道是水下生產系統的重要組成部分，在海洋石油開發中發揮著重要作用［5-7］。

深水水平套筒式連接器廣泛應用于水下作業設備中，在水下生產系統尤其是管道連接中占據重要地位［7］。轂座是連接器的關鍵部分之一，是管道連接的結合點。注水罩是深水水平套筒式連接器安裝過程必要的配件之一，在管道連接之前，每個轂座上都安裝有注水罩或壓力罩，起到保護、封堵和密封轂座的作用。

注水罩廣泛應用在水下生產設備上，其生產也是與相關產品打包在一起，國外很多公司（例如Oil States、Cameron和FMC等）對其設計研究較多［8］，并有成熟產品，國內鮮有這方面的研究。本文針對此現狀進行了深水連接器注水罩的設計研究。

1 深水水平套筒式連接器

深水連接器是一種應用于深水無人潛水可操作條件下的管道連接工具，采用操作方便、性能可靠的卡爪連接方式，廣泛應用于水下生產系統中管道連接處或采油樹上管道間的對接及管道維修［9-10］?？缃庸芘c水下生產系統包括采油樹、中心管匯、跨接管等，如圖1所示。

圖1 跨接管與水下生產系統

深水水平套筒式連接器由2部分組成：①水下生產系統管道端，為水下固定部分，與跨接管相互連接的接受端就是轂座總成；②跨接管，兩端是帶卡爪的連接器，主要由連接器本體、驅動環、卡爪、HUB、對中導向機構以及密封元件組成。通過連接器安裝工具，就可以將跨接管與水下生產系統管道連接起來。安裝完畢后，連接器安裝工具就可以撤離。轂座是深水水平套筒式連接器的關鍵部分之一，如圖2所示。在連接器連接之前注水罩安裝在公輪轂上，以保護轂座和進行注水試驗。

圖2 水平套筒式連接器轂座總成

注水罩的鎖緊機構采用與連接器相同的方式，即驅動環在驅動液壓缸的推力下，卡爪旋轉，實現卡爪對公母轂座的鎖緊。因此，連接器的安裝工具也用于注水罩的安裝。連接器安裝工具如圖3所示，它是由ROV控制面板、定位板、對中板、驅動板、后擋板、前吊起機構、后吊起機構、驅動液壓缸、對接液壓缸、鎖緊液壓缸、對中液壓缸及徑向鎖緊機構等組成。

圖3 水平套筒式連接器安裝工具

2 注水罩的總體設計

2.1 結構設計

注水罩的作用是在連接器安裝之前對轂座進行密封、保護、封堵以及注水加壓等，適用于1 500 m水深。由于注水罩安裝在連接器的的轂座上，因此，注水罩的安裝機具和連接器的安裝機具是同一個。由于深水的安裝過程是在ROV的輔助下完成的，能見度極低，因此在作業時采用水下攝像機監測其安裝過程［11］。

1個采油樹上預留有多個轂座，用以與其他設備連接。而在采油樹下放之前，這些轂座都安裝有注水罩或壓力罩。一般情況下，1個采油樹上僅有1個注水罩，其余都是壓力罩。注水罩主要由吊耳、控制面板、定位鞍／支撐架、驅動環、連接蓋、卡爪等組成，如圖4所示。其安裝原理是在安裝工具的作用下推動驅動環實現卡爪的鎖緊。

圖4 注水罩

2.2 控制面板

注水罩的主要作用之一就是對管道內注水加壓，因而控制面板必須包含注水加壓接口，以實現對管道內注水加壓。如圖4所示，在控制面板上有2個手動閥操作桿、1個快速接頭（Hot Stab）和ROV把手。其中有2個閥的操作桿，1個是注水功能閥操作桿，另1個是排泄口的閥操作桿，在進行壓力測試的時候，控制液體的關斷和排水、氣；還設計了1個快速接頭的接口，用來接入快速接頭，實現加壓和注水功能。

注水罩僅實現注水加壓功能，其液壓控制系統原理比較簡單，如圖5所示?？刂泼姘迳霞闪艘缌鏖y，壓力表和換向閥。原理圖中油箱、泵和電機主要由ROV提供，ROV將快速接頭插入到控制面板上的Hot Stab接口，實現接通。

圖5 控制原理

2.3 卡爪的設計

卡爪是深水水平套筒式連接器注水罩的關鍵部分。由于采用卡爪抓合卡緊的形式，國內外的相關設計中，大多采用20個卡爪環繞轂座抓合的形式；這樣可以使卡爪受力均勻，提高其承載能力。由于注水罩本身的質量沒有連接器大，而且其所受到的彎矩和轉矩也不大，本設計采用10個卡爪，卡爪結構形式和其鎖緊完成如圖6所示?？ㄗ︽i緊后，其主要受到管道內壓形成的反作用力、驅動環的推力、海水壓力等，卡爪在這些力的作用下受力平衡。根據卡爪鎖緊原理，卡爪的一端必須能保證繞某一點旋轉，這樣就能可靠鎖緊和防止脫落，并且避免卡死現象的發生。

管道連接時的預緊力是由卡爪連接時的連接力提供的，一般情況下有如下規定：連接時，預緊應力原則上不能超過其材料的屈服極限σs的80%。一般連接用的鋼制螺栓連接的預緊力F0，對于選用的合金鋼材料，推薦的確定關系為F0≤（0.5～0.6）σsA1（1）式中：A1為危險截面面積，mm2。

對接管道在結合面處要受流體的作用力，其大小滿足關系FD＝πr2ΔpL（2）式中：FD為管道內流體產生的壓力，N；r為管道內徑，mm；ΔpL為管道兩端的壓差，Pa。

圖6 卡爪與完成安裝的卡爪

2.4 自鎖面的選定和計算

所謂自鎖面即面和面之間的自鎖，就是當粗糙表面的靜摩擦因數大于或等于tanα（α為斜面的傾角）時，物體在靜摩擦力作用下不會自行下滑，即產生自鎖，所以自鎖與斜面傾角和物體表面的粗糙度也即物體表面的靜摩擦因數有關。自鎖面選擇得合理，可使零部件結構滿足自鎖要求、工作可靠；反之，不僅結構不合理，還可能導致自鎖失效，甚至破壞零件的結構。如圖6，卡爪與驅動環接觸的有1#面、2#面2個接觸面，通過分析對比，最適合做自鎖面的為2號面。其原因在于：1#面為驅動環導向面，導向不能實現自鎖功能；2#面軸向距離長，而且為卡爪閉合狀態正好與驅動環接觸的面，做自鎖面時可有效進行自鎖。

通常，金屬材料與金屬材料之間在有潤滑情況下，靜摩擦因數一般取0.15；考慮到在水下作業時，卡爪與驅動環接觸之間有海水，取摩擦因數為0.15。根據自鎖面傾角與摩擦因數的公式，有

得：α≤8.5°。

根據以上受力分析及注水罩應用場合，管道內部壓力為51.7 MPa，管道內徑為304.8 mm（12英寸），管道兩端的壓力差取極限條件即管道內部壓力，即51.7 MPa，帶入式（2）計算得：FD＝3 770 k N。由于設計采用10個獨立卡爪均布于轂座圓周抓合的形式，則每個卡爪受力為

考慮工作面長度和自鎖可靠性，設計中取自鎖面的斜度θ（即卡爪鎖緊狀態下與轂座軸線夾角）為4°。如圖6所示，2#面為驅動環提升卡爪張開時的工作面，考慮到卡爪的形狀為圓環狀1周包覆在轂座上，所以此處面設計成與連接管道軸線有傾角的圓錐面。傾斜角度θ計算依據為：保證卡爪能抓到轂座底部，并避免卡爪在切入下轂座時不與下轂座相碰。故卡爪從閉合到張開時的旋轉角度與卡爪兩齒尖的距離d和轂座高度h之間滿足下列關系［12］，即

3 鎖緊機構承載能力計算

卡爪式注水罩鎖緊機構的核心部件是驅動環和卡爪，這兩者是承受各種載荷的關鍵點，需要對其承載能力進行計算。利用有限元分析軟件Abaqus建

立卡爪鎖緊狀態下的有限元模型，如圖7所示。

圖7 鎖緊機構有限元模型

使用上述模型分別對鎖緊機構所能承受的最大彎矩和拉壓載荷進行分析。由于模型是周向360°對稱的，在使用Abaqus分析時采用模型的1／2進行網格劃分和載荷施加。給鎖緊機構施加極限彎矩、極限拉力和極限壓力，取安全系數為1.5，材料的最大應力、不同載荷以及危險位置如表1所示。

表1 不同載荷下的計算數據

4 結論

1） 設計了一種用于深水管道的卡爪式注水罩，分析了其工作原理，完成了關鍵結構、卡爪的設計。

2） 通過注水罩的功能與安裝過程分析，卡爪式注水罩適合用于深水管道轂座的保護、密封以及加壓試驗。

3） 通過卡爪的理論分析和鎖緊機構有限元分析及承載能力計算，驗證了設計的合理性和方案的可靠性。

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Design of Deepwater Horizontal Collet Connector Flooding Cap

Aiming at the special connection mode of deep-water horizontal collet connector and the sharing of the installation tool，the claw type flooding cap was designed with three-dimensional software solidworks，its working principle and installation process were analyzed.The design was verified rationality.A detailed theoretical analysis of its locking mechanism and its claw was carried out.The feasibility of its structure was verified.The result of finite element analysis showed that the strength of the flooding cap mechanical structure meets the project needs.

subsea connector；flooding cap；claw；locking mechanism

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.008

1001-3482（2014）11-0032-04①

2014-05-29

國家科技重大專項“水下管匯連接器樣機研制”（2011ZX05026-003-02）

羅 ?。?991-），男，陜西漢中人，碩士研究生，主要從事機械設計及理論、海洋油氣裝備的研究，E-mail：luojun20080901＠126.com。