1 500m水深水平连接器压力帽结构及有限元分析

2014-04-06赵三军段梦兰刘亚磊刘沛丰

石油矿场机械 2014年4期

赵三军，段梦兰，刘亚磊，罗俊，刘沛丰，李博

（1.中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京102249；2.中海油研究总院，北京100027）①

水下连接系统是水下油气生产系统的重要组成部分，其主要作用为水下生产设施的连接，包括水下采油树与水下管汇的连接，跨接管与水下采油树的连接、PLET（管道终端）与PLEM（终端管汇）的连接等［1－2］。水下连接系统包括连接方法以及连接设施。其主要的作用为：有利于水下设施的单独安装，使得水下设备的建立与安装有灵活性，并可以缩短建设工期；另一方面可以确保油气运输的安全性以及可靠性。

深水连接意味着需要使用无潜水下连接器，这需要精确的定位以及可靠而高效的密封。所以水下连接器是深水采油设备的连接系统的重要组成部分。压力帽作为水下连接器的1个部件，它是套在水平连接器的公毂座上的，其主要作用是封堵毂座，保护密封区域。目前国内技术还不成熟，为打破国外公司的技术垄断，尽早实现深水石油开发装备的国产化，通过对水下管汇水平套筒式连接器压力帽的结构、功能设计，掌握压力帽的设计及难点，为设计出1套具有自主知识产权的水下套筒式连接器提供技术储备，对我国实施深水油气田开发具有重要的战略意义。

1 总体结构

水平套筒式压力帽结构如图1所示。

压力帽是套在水平连接器的公毂座上的，连接器安装时封堵毂座、保护密封区域。压力帽是通过卡爪与毂座啮合来实现连接的。水平连接器公毂座的轮毂总成如图2，压力帽安装完成如图3所示。

2 主要零件的结构

压力帽的工作周期相对较短，并且在陆地上安装，所以压力帽的结构及安装应尽可能简单。承压板、卡爪、驱动环是压力帽实现其功能的主要零件，应采用同样的设计原则。

2.1 承压板

已知压力帽是作用在的公毂座上的。承压板的设计是根据图3所示的公毂座的形状尺寸来设计的。

设计承压板时预留了卡爪活动的空间；承压板与公毂座接触面要求平整，以确保连接紧凑。采用O形密封圈的静密封［3］，承压板要有密封圈槽。如图4所示。

2.2 卡爪

卡爪［4］为压力帽中的关键零件。本文中所设计的压力帽在不影响工作和尽可能节约成本的情况下，采用了4个卡爪。根据卡爪抓合原理，需要确保其能够正常动作，可靠抓合且防脱，避免卡死现象的发生。卡爪结构如图5所示。

2.3 驱动环

驱动环的作用是控制卡爪动作，即驱动环通过朝向毂座方向运动及背离毂座运动分别实现卡爪的锁紧及松开，以实现压力帽在毂座上面安装及拆卸运动。

在工作期间，卡爪需要承受比较复杂的载荷，载荷的传递使得驱动环需要具有较大的强度；需要为控制面板预留出足够的安装空间。驱动环结构如图6所示。

2.4 控制面板

控制面板主要控制的是液压缸的动作，因此在控制面板上面拥有1个控制液压缸动作方向的换向阀，为ROV提供液压油源进入液压缸的输油口，以及平时封堵输油口的密封塞。结构如图7所示。

3 液压系统原理

压力帽的安装和压力试验主要在岸上进行，而压力帽的拆卸是在水下进行。压力帽的安装过程是：

1）将压力帽与公毂座对准放置。

2）通过液压力使端盖带动驱动环向毂座方向运动。

3）驱动环运动使卡爪卡紧，完成安装。如图3所示。

由于压力帽是在水下拆卸的，需要运用ROV（水下机器人）进行拆卸，过程是：

1） ROV将控制面板上的液压口塞取下。

2）将ROV自身的液压灌口对准放入。

3）将液压阀换向，使液压缸进行反向运动。

4）使端盖带动驱动环向着背离毂座的方向运动，使卡爪松开。

5）由ROV取下压力帽，至此压力帽的拆卸全部完成。

压力帽的安装和拆卸过程是由液压系统控制的，而深水情况下，只能用ROV进行操作，所以需要设计一个由ROV操作的控制面板。

液压系统原理［6］如图8所示。液压系统的工作流程为：当压力帽进行卡紧的时候，通过换向阀换到左边使液压缸向着毂座方向运动；当压力帽需要松开的时候，使换向阀换到右边通过液压力使端盖带动驱动环向背向毂座的方向运动，卡爪松开。

4 强度校核

按照1 500m水深的工作环境，应用ABAQUS软件对压力帽进行有限元分析［5－6］。基于结构与载荷的对称性，所以只取整体的1／4进行建模，如图9所示。

对所导入的模型进行属性赋值，其材料选取为ASTM A182F22（105ksi低合金 Cr－Mo－V 钢）。密度设置为7.8t／m3，弹性模量为210GPa，泊松比设置为0.3。分析压力帽在水下工作时（即卡爪处于锁紧状态时）的应力。压力帽主要受2个力作用，即，驱动环受到的由液压系统产生的预紧力与1 500m深的水压力。设置好边界条件后，对整个模型的分析采用的是静态分析，结果如图10。

由图10可以得出压力帽的最大应力集中区，以及受到的最大应力为182.2MPa，它远小于ASTM A182F22（105ksi低合金Cr－Mo－V钢）在试验温度时的许用应力1 350MPa。所以，压力帽的强度符合规范要求。