立式采油樹油管掛安裝工具C形環開口角度分析

易黃高，羅曉蘭，劉亞男，程友祥，王　懿，段夢蘭

(1．中國石油大學(北京) 海洋油氣研究中心，北京 102249；2．重慶前衛海洋石油工程設備有限責任公司，重慶 401121)

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立式采油樹油管掛安裝工具C形環開口角度分析

易黃高1，羅曉蘭1，劉亞男1，程友祥2，王懿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．重慶前衛海洋石油工程設備有限責任公司，重慶 401121)

油管懸掛器安裝工具和油管懸掛器之間依靠C形鎖緊環連接。C形鎖緊環的初始開口角度影響其強度，是設計的重要參數之一。針對立式采油樹的油管懸掛器安裝工具，在水深為500 m，壓力等級為34.47 MPa(5 000 psi)，設計溫度為-18～121 ℃的條件下，計算了C形鎖緊環鎖緊所需的液壓驅動力。建立有限元計算模型，使用ABAQUS軟件分析研究了C形鎖緊環初始開口角度對其強度的影響。結果表明：初始開口角度在20～30°為宜，C形鎖緊環的應力較小、使用壽命長。

油管懸掛器；安裝工具；C形鎖緊環

深水水下采油樹是水下生產系統的重要組成部分[1]，它的運行狀態決定了水下油氣生產的效率和狀態。水下采油樹的種類繁多，按照安裝方法可分為立式采油樹(如圖1)和臥式采油樹2種[2]。相比于臥式采油樹，立式采油樹的結構簡單，安裝操作方便[3]。立式采油樹的油管懸掛器位于井口頭內部，是采油樹的重要部件之一，在安裝過程中需先于立式采油樹樹體進行安裝。油管懸掛器結構復雜，作用重大，因此，需要通過油管懸掛器安裝工具(THRT)進行下放、安裝。油管懸掛器安裝工具的好壞決定油管懸掛器安裝是否順利，并影響整個水下生產系統的狀態。

圖1　立式采油樹

水下立式采油樹及配套安裝工具的關鍵技術長期以來一直被國外廠商所壟斷，并實施專利保護和技術封鎖[4]。國內對深水采油樹研究還處于初始階段，而對深水采油樹的配套安裝工具的研究更是處于起步階段。中國石油大學(北京)王軍[4]等和韋卓[5]等主要針對井口連接器和油管懸掛器的鎖緊機構進行了研究分析；趙宏林[6]等針對油管懸掛器下放工具進行了關鍵參數設計和簡要分析，但未深入探討各關鍵參數對結構的具體影響。為保證油管懸掛器的安裝順利，需對油管懸掛器安裝工具鎖緊機構的關鍵部件——C形鎖緊環進行進一步研究。

1　油管懸掛器安裝工具鎖緊機構的工作原理

油管懸掛器安裝工具與油管懸掛器之間的連接是通過鎖緊機構與油管懸掛器上相應的鎖緊槽之間的相互嚙合來實現。C形鎖緊環有良好的彈性，結構簡單、可靠，可以實現較大的變徑，滿足設計要求。另外，C形鎖緊環可以在自身彈力作用下自動收縮解鎖，安全、可靠。因此，油管懸掛器安裝工具的鎖緊機構常選用C形鎖緊環，如圖2所示。

1—驅動環 ；2—C形鎖緊環；3—安裝工具主體；4—定位鍵；5—限位環。

此鎖緊機構的工作原理為：鎖緊時，通過液壓作用推動驅動環下移，驅動環外錐面與C形鎖緊環內錐面相互作用，促使C形鎖緊環張開，與油管懸掛器上的鎖緊槽相互嚙合，從而實現鎖緊機構的鎖緊。解鎖時，實行反向操作，驅動環向上移動，C形鎖緊環失去內側支撐，在自身彈力作用下自動收縮解鎖。因此，鎖緊機構的結構設計及液壓驅動力大小的計算是保證油管懸掛器安裝工具安全工作，順利實現油管懸掛器安裝工具與油管懸掛器之間連接的關鍵。C形鎖緊環是鎖緊機構上的主要部件，由于定位鍵的存在，C形鎖緊環具有一定的初始開口角度，對C形鎖緊環的強度造成影響，因此需要對其進行重點設計研究。

2　C形鎖緊環鎖緊所需液壓驅動力計算模型

如圖2所示，初始狀態時，C形鎖緊環平放在油管懸掛器臺肩上。取鎖緊環上某一剖面進行分析，其受力如圖3c所示。鎖緊環內錐面角度為45°，內錐面受到驅動環的壓力Fn和摩擦力Fμ的共同作用，將其合力F分解為水平分量F1和豎直分量F2，水平分量F1可以看作是驅動環施加給C形鎖緊環的鎖緊力，豎直分量F2可以近似看作液壓驅動力。

分析圖3c可知：

α+β=45°

(1)

tanβ=μ

(2)

(3)

在式(1)～(3)中，F1為合力的水平分量；F2為合力的豎直分量；α和β為力的角度。

鎖緊環在鎖緊過程中，驅動環向下運動，使C形鎖緊環向外擴張，C形鎖緊環的徑向受力如圖3b所示。圖3b中的水平分量F1可近似看作是徑向均布線載荷q在鎖緊環圓周上的合力。

a　C形鎖緊環結構

b　C形鎖緊環徑向受力

c　C形鎖緊環剖面受力分析

F1=q×2πR

(4)

式中：q為徑向均布線載荷；R為C形鎖緊環的半徑。

C形鎖緊環的材料為30W4Cr2VA，驅動環的材料為20CrNiMo，兩種材料之間的摩擦因數為0.15。鎖緊環截面如圖4，形心位于簡化的z軸上，則鎖緊環的截面慣性矩為Iz=2.336×10-9m4，抗彎截面系數為W=1.168×10-7m3。

圖4　鎖緊環截面

該鎖緊環為C型環結構，可以視為軸對稱模型，簡化的C形鎖緊環力學模型如圖5a所示。取其上半部分進行分析，可以簡化為懸臂梁模型，如圖5b。因此，為求液壓缸所需最大液壓驅動力，需在鎖緊環處于完全鎖緊狀態時，先利用莫爾積分法求出最大徑向載荷q值，后通過式(1)～(4)中的受力關系推導出液壓驅動力值。

a　C形鎖緊環初始和鎖緊后狀態

b　C形鎖緊環簡化受力

徑向載荷q作用下，圓心角φ的m-n截面處的彎矩為：

(5)

(6)

B點處的鉛直位移為：

(7)

(8)

B點處的水平位移為：

(9)

由幾何關系可知：

(10)

式(5)～(10)中：θ=∠BOC，為C形鎖緊環初始開口角度；φ為m-n截面處的圓心角；Δ為鎖緊環截面B處的最終變形量，如圖5所示；Δ1為鎖緊環截面B的鉛直位移量；Δ2為鎖緊環截面B的水平位移量；E為鎖緊環的材料的彈性模量；Iz為鎖緊環的截面慣性矩。

則徑向載荷q與B點位移Δ之間的關系如式(13)所示。

(11)

(12)

3　C形鎖緊環鎖緊所需液壓驅動力ABAQUS計算

油管懸掛器安裝工具鎖緊機構由安裝工具主體、驅動環、C形鎖緊環組成，C形鎖緊環工作時，坐落在油管懸掛器安裝工具的臺肩上，在驅動環的作用下，C形鎖緊環張開嵌入TH上的鎖緊槽中。因此，鎖緊機構的有限元模型包括安裝工具主體、驅動環、C形鎖緊環，如圖6所示。

1—驅動環；2—C形鎖緊環；3—安裝工具主體。

有限元模型采用顯式準靜態分析模型。計算中選取C形鎖緊環的材料為30W4Cr2VA，油管懸掛器安裝工具主體和驅動環的材料為20CrNiMo，上述材料均選用理想彈塑性模型。材料參數如表1所示。

表1　各部件材料屬性

鎖緊過程中，由于油管懸掛器安裝工具主體是固定的，故其邊界條件設為完全固定。驅動環在驅動力的作用下，有豎直向下的運動，因此，約束其U2方向上的位移為-0.02 m，其他方向上的位移為0。C形鎖緊環在油管懸掛器安裝工具主體的限制下，僅在水平面上有一定的位移，不需要再進行限制。

鎖緊環鎖緊過程中，鎖緊環外表面和驅動環內表面之間建立接觸分析。提取其接觸面之間的作用力，獲得接觸力與驅動環位移的關系數據，對數據進行處理，得到接觸力與驅動環位移的曲線，如圖7所示。

圖7　接觸力大小與驅動環位移之間的關系

第1階段，隨著分析步時間的增加，驅動環向下的位移增大，鎖緊環PQ段與驅動環錐面接觸且接觸位置從P向Q運動(如圖4)，鎖緊環從初始狀態(G)直到完全鎖緊(H)，隨著驅動環位移的不斷増加，接觸力不斷增大，到達H點時接觸力達到最大值8 074.1 N。

第2階段，驅動環到了鎖緊環Q點處，鎖緊環接觸位置由PQ段過渡到QR段，驅動環與鎖緊環之間的接觸力突然下降。

第3階段，鎖緊環QR段開始與驅動環之間建立接觸，接觸力突然上升。

第4階段，JK段接觸力趨于平緩，此階段主要克服驅動環與鎖緊環之間的摩擦力，該摩擦力大小約為7 638.05 N，小于第1階段中出現的最大接觸力8 074.1 N。

綜上，接觸力最大值出現在圖7中H點處，對應為鎖緊環上Q點附近，最大接觸力為8 074.1 N，與理論計算得的F2=8 703.3N之間誤差約為7.8%，其結果滿足工程需求，ABAQUS計算模型滿足要求。

4　C形鎖緊環開口角度對鎖緊環強度的影響計算

4．1鎖緊時開口角度對鎖緊環強度的影響

C形鎖緊環鎖緊過程中，鎖緊環的初始開口角度的不同，造成截面B的位移量的不同，鎖緊環上最大應力值也不同，下面分別取C形鎖緊環的初始開口角度θ(即圖5a中∠BOC)為20、30、40、50、60°，計算C形鎖緊環的最大應力，如圖8所示(以30°為例)，C形卡環的應力最大值出現在卡環外表面上，距離開口約1/3圓周處，最大應力值為161.9 MPa，小于材料的許用應力，滿足設計強度要求。

圖8　初始開口角度為30°時C形鎖緊環的最大應力值

不同初始開口角度下，C形鎖緊環的最大應力值不同。初始開口角度與C形鎖緊環最大應力之間的關系曲線如圖9所示。

圖9　最大應力與初始開口角度之間的關系

如圖9所示，不同初始開口角度下，C形鎖緊環的最大應力值不同。C形鎖緊環的開口角度越大，C形鎖緊環上的最大應力越小。考慮C型鎖緊環在工作中需反復進行鎖緊和解鎖，C形鎖緊環上的最大應力越小，其強度越高，其壽命也會越長。

4．2提升油管懸掛器時開口角度對鎖緊環強度的影響

C形鎖緊環鎖緊到油管懸掛器上之后，C形鎖緊環為主要承載部件，承載油管懸掛器和油管的總重力，約為2 100 kN。該工況下，鎖緊環的初始開口角度的不同，C形鎖緊環的承載面積不同，C形鎖緊環的應力云圖也不同。分別取C形鎖緊環的初始開口角度θ(即圖5a)中∠BOC)為20、30、40、50、60°，計算C形鎖緊環的最大應力，如圖10所示(以30°為例)。C形鎖緊環的應力最大值出現在卡環開口處附近上表面上，最大應力值為438.3 MPa，小于材料的許用應力，滿足設計強度要求。

圖10　初始開口角度為30°時C形鎖緊環的最大應力值

不同初始開口角度下，C形鎖緊環的最大應力值不同。初始開口角度與C形鎖緊環最大應力之間的關系曲線如圖11所示。

圖11　最大應力與開口角度之間的關系

如圖11所示，不同初始開口角度下，C形鎖緊環的最大應力值不同。C形鎖緊環的開口角度越大，C形鎖緊環的承載面積越小，C形鎖緊環上的最大應力越大。

綜上所述，C形鎖緊環鎖緊時，鎖緊環的開口角度越大，C形鎖緊環上的最大應力越小；提升油管懸掛器時，鎖緊環的開口角度越大，C形鎖緊環的承載面積越小，C形鎖緊環上的最大應力越大。提升油管懸掛器時鎖緊環的最大應力比鎖緊時鎖緊環的最大應力要大很多，因此，主要考慮提升油管懸掛器時開口角度對鎖緊環的影響，次要考慮鎖緊時開口角度對鎖緊環的影響，得出以下結論：在設計C形鎖緊環時，初始開口角度的設計取值在20～30°時，C形鎖緊環上的最大應力較小，C形鎖緊環不容易破壞。

5　結論

1)分別利用莫爾積分法和有限元分析軟件ABAQUS對C形鎖緊環的鎖緊過程進行力學分析，得到鎖緊環驅動力的理論計算公式，得到了液壓驅動力與驅動環位移之間的關系曲線。莫爾積分法計算得到的最大液壓驅動力為8 703.3 N，有限元計算得最大液壓驅動力為8 074.1 N，兩者之間誤差為7.8%，在工程允許范圍之內。

2)利用有限元分析軟件ABAQUS對鎖緊過程中C型環的強度進行了校核，C形鎖緊環上的最大應力為163.0 MPa，計算結果表明：鎖緊環的設計滿足強度要求。且C形鎖緊環一直處于彈性區域內，滿足在自身彈性作用下自動收縮解鎖的要求，設計合理可靠。

3)利用有限元分析軟件ABAQUS對兩種工況下初始開口角度不同的C形鎖緊環的強度進行了計算，得到兩種工況下鎖緊環最大應力與初始開口角度之間的關系曲線，分析可知，C形鎖緊環鎖緊時，鎖緊環的開口角度越大，C形鎖緊環上的最大應力越小；提升油管懸掛器時，鎖緊環的開口角度越大，C形鎖緊環的承載面積越小，C形鎖緊環上的最大應力越大。因此，在設計C形鎖緊環時，初始開口角度的設計取值在20～30°，C形鎖緊環上的最大應力較小，C形鎖緊環不容易破壞。

4)油管懸掛器的安裝是采油樹下放安裝階段最重要的一環，油管懸掛器安裝工具的設計研究剛剛處于起步階段。本文僅從C形鎖緊環的初始開口角度的方面對其強度進行了分析。為滿足下放安裝的安全可靠，需從其他設計參數對油管懸掛器安裝工具的鎖緊機構進行進一步研究。同樣的，還需從可靠度、事故預防和應急處理等幾方面對油管懸掛器安裝工具進行可靠性分析，以保證油管懸掛器安裝工具的設計符合安全、可靠的要求。

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[5]韋卓，李昌亮，田紅平，等.基于Abaqus的油管懸掛器鎖緊機構接觸分析[J].石油機械，2012，40 (6)：62-65.

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Research of the Opening Angle of C Type Locking Ring for Tubing Hanger Running Tool of Vertical Christmas Tree

YI Huanggao1，LUO Xiaolan1，LIU Yanan1，CHEN Youxiang2，WANG Yi1，DUAN Menglan1

(1．Offshore Oil and Gas Research Center，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2．Chongqing Qianwei Offshore Petroleum Engineering & Equipment Co.，Ltd.，Chongqing 401121，China)

The tubing hanger running，which is used for install and retrievess12 the tubing hanger，is connected to the tubing hanger through the C type locking ring.The initial opening angle，which influences the strength，is one of key parameters of the locking ring.Thus，in a view of the tubing hanger running tool for the 500 m depth condition of vertical tree，the design pressure is 5，000 psi and the design temperature is -18～121 ℃，the hydraulic driving force for the C type locking ring was calculated.Then the ABAQUS calculate model is built and verified.The influence of the initial opening angle to the C type locking ring is also analyzed by using the ABAQUS software.The result indicates that it is better to take the value of the initial opening angle between 20° and 30°.At this time，the C type locking ring get a lower stress and it is not easy to be broken.

tubing hanger；running tool；C type locking ring

1001-3482(2016)05-0007-06

2015-11-06

國家工信部2013年高技術船舶(海洋裝備)科研項目(工信部聯裝[2013]41號)

易黃高(1991-)，男，湖南長沙人，碩士研究生，主要從事海洋石油裝備的設計研究工作，E-mail：yhghn@163.com。

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.002