油管掛外補芯與采油樹本體間的鎖緊環設計

程 銳，許 洋，范海濤

（美鉆能源科技（上海）有限公司，上海 200941）

0 引言

隨著我國能源結構向深海發展，行業對水下生產系統提出了強烈需求，但該領域在國內的發展相對滯后。大批水下生產系統（包括關鍵設備水下采油樹）長期依靠國外進口，采購困難、價格昂貴、維護成本高，在遇到生產、安裝和維護問題時，國外供應商服務響應周期長，一直處于被動狀態[1]。

為了實現國家海洋戰略，打破國外深海技術的壟斷局面，保證國家能源安全，我國已將全面提升深海油氣開發裝備自主研發制造能力列入國家發展戰略。其中，水下采油樹是水下生產系統深海油氣開發裝備的重要組成部分。在國內，已有廠家可以獨立自主地設計、制造、測試、維護和安裝深海水下采油樹。本文依托美鉆能源科技（上海）有限公司（簡稱“公司”）1 500 m水下智能井口和采油樹項目，根據中國南海某油田工況，著重介紹國外進口水下采油樹維護過程中采油樹本體上坐掛油管掛外補芯遇到的無法取出問題，即：鎖緊環無法解鎖，結合該問題對鎖緊環進行設計研究分析，改進鎖緊環設計[2]。

1 鎖緊環的鎖緊與解鎖功能介紹

油管掛外補芯坐掛于采油樹本體上，其安裝狀態見圖1。圖1中：左側為鎖緊狀態，右側為解鎖狀態。油管掛外補芯通過下入工具下壓載入環，撐開鎖緊環（鎖緊環結構為帶有開口的環），使得油管掛外補芯鎖定在采油樹本體上；當借助取回工具提拉載入環時，鎖緊環將縮回至原始狀態，最終實現對油管掛外補芯的解鎖[3]。

2 油管掛外補芯提取過程

在取油管掛外補芯前，對油管掛外補芯（SSB）取送工具進行外觀檢測保養，并對工具進行功能性壓力測試、位置尺寸數據測量，結果顯示均為正常。

作業人員使用行車將SSB取送工具放入采油樹樹本體內（見圖2），在確認SSB取送工具與油管掛外補芯鎖緊后，將油管掛外補芯與采油樹本體解鎖，確認載入環已提升至完全解鎖位置（原理上芯軸上提，鎖緊環解鎖），取油管掛外補芯時，質量超過19 t（以最大力16 t取出，1 t＝9 810 N）。由于行車額定提升載荷為20 t，則油管掛外補芯未取出[4]。

圖2 作業人員取油管掛外補芯示意圖

經過小組討論，在正常取油管掛外補芯失敗的情況下，陸續采用吊機加大過提力配重并結合煤油浸泡（在采油樹本體內部進行清洗及倒入煤油浸泡一段時間，對采油樹進行10 t配重，提升力達到40.5 t后，將整棵采油樹加配重提起，見圖3）來進行提取；采油樹本體通過排氣加熱（將采油樹本體周圍閥體拆除，通過閥孔排氣，排除SSB補芯在內部形成的吸力，利用陶瓷加熱板對本體加熱到300 ℃；以期本體與SSB補芯之間、SSB鎖環與SSB之間的雜質隨原油一起流出，在減少阻尼力的同時，可以釋放出SSB鎖環與SSB之間的空間，使SSB鎖環完全復位，見圖4）來進行提取。以上方法均以失敗告終。

圖3 配重加煤油浸泡提取油管掛外補芯示意圖

圖4 采油樹本體排氣加熱提取油管掛外補芯示意圖

3 油管掛外補芯提取失敗原因分析

1）鎖緊環（金結構鋼4 140，材料強度130 K）材料彈性失效（見圖5）[5]。

圖5 鎖緊環彈性失效示意圖

2）鎖緊環附近存在雜物，摩擦系數增大（見圖6）。

圖6 鎖緊環與SSB 補芯存在雜物示意圖

6 對鎖緊環進行有限元分析

6.1 鎖緊環鎖緊過程模擬

對鎖緊環施加15 t的下壓載荷，鎖緊環完全張開后卸載，設計摩擦系數μ＝0.2。載荷與約束施加示意圖見圖7。

圖7 載荷與約束施加示意圖

對模型進行網格劃分，進行有限元計算，鎖緊環撐開過程中的位移及應力云圖見圖8和圖9。

圖8 鎖緊環撐開過程曲線及完全撐開位移云圖

圖9 鎖緊環完全撐開的應力云圖

由圖8和圖9可知，鎖緊環在撐開過程中，鎖緊環一方面沿徑向撐開，另一方面沿周向移動，其最大應力點約處于90°（在該區域30°范圍屬于大應力區）的位置，最大應力為598.78 MPa，存在一定的偏差，但相對準確。

6.2 鎖緊環一般解鎖過程模擬

鎖緊環完全處于屈服狀態，對油管掛外補芯施加15 t的上提載荷，鎖緊環完全收回后卸載，設計摩擦系數μ＝0.2。載荷與約束施加示意見圖10，對模型進行網格劃分，進行有限元計算，鎖緊環收縮過程中的位移及應力云圖見圖11和圖12[6]。

圖10 載荷與約束施加示意圖

由圖11和圖12可知，理想狀態下，在取回油管掛外補芯的過程中，鎖緊環不僅有徑向收縮，還有環向移動，并且在15 t的提拉載荷作用下，是完全可以解鎖的（即使鎖緊環完全屈服，只要摩擦阻力未達到臨界值，是可以強力取回的）。

圖11 鎖緊環收縮過程曲線及完全收縮位移云圖

圖12 鎖緊環完全收回的應力云圖

6.3 鎖緊環自鎖過程模擬

鎖緊環完全處于屈服狀態，對油管掛外補芯施加60 t的上提載荷，臨界摩擦系數取μ＝0.37。載荷與約束施加示意圖見圖13，對模型進行網格劃分，進行有限元計算，鎖緊環自鎖過程中的位移及應力云圖見圖11和圖12。

圖13 載荷與約束施加示意圖

由圖14和圖15可知，理想狀態下，在取回油管掛外補芯過程中，鎖緊環不僅有徑向收縮，還有環向移動，但由于摩擦系數達到了臨界值，即使提升力達到了60 t也無法取回。

圖14 鎖緊環收縮過程曲線及自鎖的位移云圖

圖15 鎖緊環自鎖的應力云圖

6.4 最終處理結果介紹

根據上述分析結果，提交公司評審確認，由于原油和雜質在鎖緊環附近堆積，使得鎖緊環周圍的摩擦系數增大，達到了自鎖的臨界摩擦系數，鎖緊環無法再取出，只能切割油管掛外補芯進行維修。油管掛外補芯切割作業（見圖16）后，查看采油樹本體、鎖緊環和油管掛外補芯發現，鎖緊環附近確實淤積了大量原油和雜質，這是導致鎖緊環無法解鎖的根本原因。

圖16 油管掛外補芯切割作業及取出的鎖緊環示意圖

7 結論

根據分析結果，采油樹本體上坐掛的油管掛外補芯遇到的無法取出問題（鎖緊環無法解鎖），主要是由于原油和雜質在鎖緊環附近堆積，使得鎖緊環周圍的當量摩擦系數增大，達到了自鎖的臨界摩擦系數，與鎖緊環屈服與否無關。

為了克服和避免該問題的發生，使得油管掛外補芯更容易取出，可采取以下措施：

1）在鎖緊環上環空腔和下環空腔間增加隔絕原油和雜質的密封件，避免因其聚集阻礙鎖緊環的運動。

2）降低鎖緊環與采油樹本體的接觸面錐面半角。

3）避免超期服役。超期服役將導致鎖緊環長期處于高應力工況下，受變載影響逐漸擴大成屈服變形。

與此同時，均布線性載荷算法和多項集中力算法均是趨于保守的。在精度要求不高的情況下，鎖緊環類的開口環可以按照均布線密度載荷校核計算，該方法偏于保守，但不反應實際大應力位置（不適合載荷較高的情況，其可能導出未屈服而屈服的結果）。在精度要求較高的情況下，宜采用多項集中力的校核方法，該方法更接近于實際情況，適用范圍更廣，但需要注意在應用過程中應遵循的原則，特別是最小能量原則（矩陣方程組的解有無窮個，但滿足該條件的往往只有1組）。