深水連接器設計與性能分析

◇荊州職業技術學院 徐夢卓

目前國內外正加大對海洋油氣開發的技術投入，深水連接器是管道連接的重要組成部分，其種類很多，其中卡爪式連接器應用較為廣泛。深水連接器在使用過程中主要存在密封失效、承載能力差以及海水腐蝕等問題。本文提出了一種新的卡爪結構，通過理論計算和有限元仿真，驗證了該結構具備較好的承載能力，為卡爪式水下連接器的研發提供指導借鑒。

隨著陸地油氣資源的枯竭，海洋油氣資源開采，特別是深水油氣開采，將成為世界油氣產業的主要經濟增長點[1]。我國南海油氣資源十分豐富需進一步加快深海水下作業技術研究及裝備研制。深水卡爪式連接器領域，目前國外的技術產品相對成熟[2]，我國對深水管道連接器的研究起步較晚，因此加快深水卡爪式連接器技術研究對海洋資源開采具有重要意義。

1 深水連接器的設計

本文所設計的深水連接器需滿足我國南海深水油氣資源開采，連接管道尺寸為7.48 inch（190 mm），內部流經的油氣壓力為34.5 MPa，ROV連接時間為30 min～45 min，連接器工作水深為1500 m[3]，即需要承受的海水外壓為15 MPa，工作過程中起吊重量10 t，允許最大偏角3.5°，最大偏移量150 mm。為了適應深水復雜的工作環境，內外工作溫度的不同確定連接器可以承受的溫度載荷范圍為3 ℃～130 ℃。

1.1 對拉力的承載能力分析

深水連接器工作時，卡爪在液壓驅動作用下將上下法蘭對接，并對二者之間起密封作用的透鏡式密封圈施加密封載荷。卡爪與下法蘭接觸的地方面積最小，并可能產生的拉力破壞，造成卡爪拉伸，進而導致密封失效，因此對此部位進行拉力分析，如圖1所示。

卡爪在承受上下法蘭拉力過程的受力簡圖，D點與上法蘭鉸接有較大的承載強度，在拉伸過程中主要分析在K點受力過程中的拉伸量變化。在K點的受拉力過程中會在a-a面上產生拉伸斷裂的可能。拉伸過程中產生的伸長量也在出現在這個平面。

圖1 深水連接器的卡爪結構與受力分析

在計算面積中以整齊的平面計算a-a平面，計算所有卡爪最小截面積之和[4]：

式中：Sa-a-所有卡爪的最小截面積之和，m2；l-卡爪最小面積處截面長度，40mm；d-卡爪最小面積處截面寬度，26mm；n-卡爪個數，6。

可求出Sa-a=1.248×10-2m2。

上下法蘭對接完成后，液壓系統的載荷會使卡爪產生一個伸長量

式中：-卡爪伸長量，mm；F外-外加拉力載荷，80t；L-受拉伸卡爪長度，50mm；E-卡爪的彈性模量，2.11×105MPa；Sa-a-所有卡爪最小截面積之和，m2。

套管計算可知，在外載荷的作用下，卡爪的伸長量很小，可以滿足密封要求。

1.2 對彎矩的承載能力分析

上下法蘭穩定連接后，在外力作用下法蘭可能會向一側偏移產生彎曲作用。卡爪壓緊下法蘭的過程和螺栓的連接壓緊方式相同。利用彎矩計算中的傾覆力矩計算方式進行卡爪彎矩計算。卡爪在中心線上的分布情況如圖2所示。

圖2 深水連接器的卡爪分布

在連接器的圖2中的截面上以中心線計算卡爪在假定的35噸·米外部載荷下所承受的最大作用力。由式[5]：

式中：Fmax-卡爪受彎矩作用下最大作用力，N；M-假定外部彎矩載荷，35噸·米；Lmax-中線與卡爪的最大距離，312mm；Li-每個卡爪的距離，mm。

在卡爪受到彎矩作用產生拉伸或壓縮后會在卡爪的接觸面上有軸向伸長量。當卡爪的伸長量過大就容易導致密封圈的軸向壓力縮小，從而使密封圈失效。因此，需要計算卡爪在受彎矩過程中的最大伸長量：

通過上面的計算可以得到卡爪在35噸·米的外部彎矩載荷作用時，產生的位移量為1.09×10-4mm，說明卡爪在彎矩的作用下承載能力足夠。

2 卡爪有限元分析

完成三維建模后，將模型導入ANSYS中，選用Static Structural模塊進行力學分析，定義材料屬性為彈性模量E=2.11e11、泊松比μ=0.3。利用Mesh模塊進行網格劃分，對卡爪設定約束，在受力面上施加載荷。通過仿真可知卡爪在34.5 MPa內壓作用下，變形量小于卡爪有足夠的強度壓緊上、下法蘭。完成卡爪連接器對水下管匯的連接。

圖3 卡爪有限元分析結果

3 結語

本文主要介紹了一種新的卡爪結構，并對其進行抗拉、抗彎的承載能力分析，最后對關鍵部件卡爪進行有限元分析，得出通過理論計算和有限元仿真，在外載荷和內壓的作用下，深水連接器的承載能力較好，密封性能完整。