深水水平连接器注水罩设计

罗 俊，赵宏林，李 博，赵三军，刘亚磊，段梦兰

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

深水水平连接器注水罩设计

罗 俊1，赵宏林1，李 博2，赵三军1，刘亚磊1，段梦兰1

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

针对深水水平套筒式连接器的特殊连接方式，以连接器的安装工具与注水罩的安装工具共用的原则，设计了卡爪式注水罩。分析了卡爪式注水罩的工作原理和安装过程，验证了卡爪式注水罩结构的合理性。对卡爪式注水罩的锁紧机构及其卡爪进行了受力分析，通过有限元计算，校核了注水罩结构的强度。结果表明：卡爪式注水罩结构合理，强度满足工程需要。

水下连接器；注水罩；卡爪；锁紧机构

随着世界经济的快速发展，人类对能源尤其是石油资源的需求与日俱增，海洋油气的开采也就越来越重要［1-3］。全球油气资源中约44%分布在水深300 m以下的水域，走向深水是未来油气田开发的总趋势［4-5］。水下采油树、水下管汇、水下处理设备以及将其连接在一起输送到水上结构的连接设备组成了水下生产系统。海底输油气管道是水下生产系统的重要组成部分，在海洋石油开发中发挥着重要作用［5-7］。

深水水平套筒式连接器广泛应用于水下作业设备中，在水下生产系统尤其是管道连接中占据重要地位［7］。毂座是连接器的关键部分之一，是管道连接的结合点。注水罩是深水水平套筒式连接器安装过程必要的配件之一，在管道连接之前，每个毂座上都安装有注水罩或压力罩，起到保护、封堵和密封毂座的作用。

注水罩广泛应用在水下生产设备上，其生产也是与相关产品打包在一起，国外很多公司（例如Oil States、Cameron和FMC等）对其设计研究较多［8］，并有成熟产品，国内鲜有这方面的研究。本文针对此现状进行了深水连接器注水罩的设计研究。

1 深水水平套筒式连接器

深水连接器是一种应用于深水无人潜水可操作条件下的管道连接工具，采用操作方便、性能可靠的卡爪连接方式，广泛应用于水下生产系统中管道连接处或采油树上管道间的对接及管道维修［9-10］。跨接管与水下生产系统包括采油树、中心管汇、跨接管等，如图1所示。

图1 跨接管与水下生产系统

深水水平套筒式连接器由2部分组成：①水下生产系统管道端，为水下固定部分，与跨接管相互连接的接受端就是毂座总成；②跨接管，两端是带卡爪的连接器，主要由连接器本体、驱动环、卡爪、HUB、对中导向机构以及密封元件组成。通过连接器安装工具，就可以将跨接管与水下生产系统管道连接起来。安装完毕后，连接器安装工具就可以撤离。毂座是深水水平套筒式连接器的关键部分之一，如图2所示。在连接器连接之前注水罩安装在公轮毂上，以保护毂座和进行注水试验。

图2 水平套筒式连接器毂座总成

注水罩的锁紧机构采用与连接器相同的方式，即驱动环在驱动液压缸的推力下，卡爪旋转，实现卡爪对公母毂座的锁紧。因此，连接器的安装工具也用于注水罩的安装。连接器安装工具如图3所示，它是由ROV控制面板、定位板、对中板、驱动板、后挡板、前吊起机构、后吊起机构、驱动液压缸、对接液压缸、锁紧液压缸、对中液压缸及径向锁紧机构等组成。

图3 水平套筒式连接器安装工具

2 注水罩的总体设计

2.1 结构设计

注水罩的作用是在连接器安装之前对毂座进行密封、保护、封堵以及注水加压等，适用于1 500 m水深。由于注水罩安装在连接器的的毂座上，因此，注水罩的安装机具和连接器的安装机具是同一个。由于深水的安装过程是在ROV的辅助下完成的，能见度极低，因此在作业时采用水下摄像机监测其安装过程［11］。

1个采油树上预留有多个毂座，用以与其他设备连接。而在采油树下放之前，这些毂座都安装有注水罩或压力罩。一般情况下，1个采油树上仅有1个注水罩，其余都是压力罩。注水罩主要由吊耳、控制面板、定位鞍／支撑架、驱动环、连接盖、卡爪等组成，如图4所示。其安装原理是在安装工具的作用下推动驱动环实现卡爪的锁紧。

图4 注水罩

2.2 控制面板

注水罩的主要作用之一就是对管道内注水加压，因而控制面板必须包含注水加压接口，以实现对管道内注水加压。如图4所示，在控制面板上有2个手动阀操作杆、1个快速接头（Hot Stab）和ROV把手。其中有2个阀的操作杆，1个是注水功能阀操作杆，另1个是排泄口的阀操作杆，在进行压力测试的时候，控制液体的关断和排水、气；还设计了1个快速接头的接口，用来接入快速接头，实现加压和注水功能。

注水罩仅实现注水加压功能，其液压控制系统原理比较简单，如图5所示。控制面板上集成了溢流阀，压力表和换向阀。原理图中油箱、泵和电机主要由ROV提供，ROV将快速接头插入到控制面板上的Hot Stab接口，实现接通。

图5 控制原理

2.3 卡爪的设计

卡爪是深水水平套筒式连接器注水罩的关键部分。由于采用卡爪抓合卡紧的形式，国内外的相关设计中，大多采用20个卡爪环绕毂座抓合的形式；这样可以使卡爪受力均匀，提高其承载能力。由于注水罩本身的质量没有连接器大，而且其所受到的弯矩和转矩也不大，本设计采用10个卡爪，卡爪结构形式和其锁紧完成如图6所示。卡爪锁紧后，其主要受到管道内压形成的反作用力、驱动环的推力、海水压力等，卡爪在这些力的作用下受力平衡。根据卡爪锁紧原理，卡爪的一端必须能保证绕某一点旋转，这样就能可靠锁紧和防止脱落，并且避免卡死现象的发生。

管道连接时的预紧力是由卡爪连接时的连接力提供的，一般情况下有如下规定：连接时，预紧应力原则上不能超过其材料的屈服极限σs的80%。一般连接用的钢制螺栓连接的预紧力F0，对于选用的合金钢材料，推荐的确定关系为F0≤（0.5～0.6）σsA1（1）式中：A1为危险截面面积，mm2。

对接管道在结合面处要受流体的作用力，其大小满足关系FD＝πr2ΔpL（2）式中：FD为管道内流体产生的压力，N；r为管道内径，mm；ΔpL为管道两端的压差，Pa。

图6 卡爪与完成安装的卡爪

2.4 自锁面的选定和计算

所谓自锁面即面和面之间的自锁，就是当粗糙表面的静摩擦因数大于或等于tanα（α为斜面的倾角）时，物体在静摩擦力作用下不会自行下滑，即产生自锁，所以自锁与斜面倾角和物体表面的粗糙度也即物体表面的静摩擦因数有关。自锁面选择得合理，可使零部件结构满足自锁要求、工作可靠；反之，不仅结构不合理，还可能导致自锁失效，甚至破坏零件的结构。如图6，卡爪与驱动环接触的有1#面、2#面2个接触面，通过分析对比，最适合做自锁面的为2号面。其原因在于：1#面为驱动环导向面，导向不能实现自锁功能；2#面轴向距离长，而且为卡爪闭合状态正好与驱动环接触的面，做自锁面时可有效进行自锁。

通常，金属材料与金属材料之间在有润滑情况下，静摩擦因数一般取0.15；考虑到在水下作业时，卡爪与驱动环接触之间有海水，取摩擦因数为0.15。根据自锁面倾角与摩擦因数的公式，有

得：α≤8.5°。

根据以上受力分析及注水罩应用场合，管道内部压力为51.7 MPa，管道内径为304.8 mm（12英寸），管道两端的压力差取极限条件即管道内部压力，即51.7 MPa，带入式（2）计算得：FD＝3 770 k N。由于设计采用10个独立卡爪均布于毂座圆周抓合的形式，则每个卡爪受力为

考虑工作面长度和自锁可靠性，设计中取自锁面的斜度θ（即卡爪锁紧状态下与毂座轴线夹角）为4°。如图6所示，2#面为驱动环提升卡爪张开时的工作面，考虑到卡爪的形状为圆环状1周包覆在毂座上，所以此处面设计成与连接管道轴线有倾角的圆锥面。倾斜角度θ计算依据为：保证卡爪能抓到毂座底部，并避免卡爪在切入下毂座时不与下毂座相碰。故卡爪从闭合到张开时的旋转角度与卡爪两齿尖的距离d和毂座高度h之间满足下列关系［12］，即

3 锁紧机构承载能力计算

卡爪式注水罩锁紧机构的核心部件是驱动环和卡爪，这两者是承受各种载荷的关键点，需要对其承载能力进行计算。利用有限元分析软件Abaqus建

立卡爪锁紧状态下的有限元模型，如图7所示。

图7 锁紧机构有限元模型

使用上述模型分别对锁紧机构所能承受的最大弯矩和拉压载荷进行分析。由于模型是周向360°对称的，在使用Abaqus分析时采用模型的1／2进行网格划分和载荷施加。给锁紧机构施加极限弯矩、极限拉力和极限压力，取安全系数为1.5，材料的最大应力、不同载荷以及危险位置如表1所示。

表1 不同载荷下的计算数据

4 结论

1） 设计了一种用于深水管道的卡爪式注水罩，分析了其工作原理，完成了关键结构、卡爪的设计。

2） 通过注水罩的功能与安装过程分析，卡爪式注水罩适合用于深水管道毂座的保护、密封以及加压试验。

3） 通过卡爪的理论分析和锁紧机构有限元分析及承载能力计算，验证了设计的合理性和方案的可靠性。

［1］ 王立权，董金波，刘军，等.深海管道法兰连接机具的设计与仿真分析［J］.哈尔滨工程大学学报，2013，34（9）：1165-1170.

［2］ Hansen R L，Rickey W P.Evolution of subsea production systems：a worldwide overviw［G］.OTC 7628，1994.

［3］ Kirkbride P，Brown P G，Bloomer R A.Lightweight subsea manifold design［G］.OTC 7528，1994.

［4］ Lafitte J L，Perrot M，Lesgent J，et al.Dalia subsea production system：presentation and achievements［G］.OTC 18541，2007.

［5］ Kelly T P.Agbami field development subsea equipment systems，trees，manifolds and controls［G］.OTC 19919，2009.

［6］ Gloaguen M，Bourdillon H，Roche F，et al.Dalia flowlines，rises，and umbilicals［G］.OTC 18543，2007.

［7］ 于芳芳，段梦兰，郭宏，等.深水管汇设计方法及其在荔湾3-1气田中的应用［J］.石油矿场机械，2012，41（1）：24-29.

［8］ 李清平.我国海洋深水油气开发面临的挑战［J］.中国海上油气，2006，18（2）：130-131.

［9］ 董衍辉，段梦兰，王金龙，等.深水水下连接器的对比与选择［J］.石油矿场机械，2012，41（4）：6-12.

［10］ 谭磊.水下管道卡压式连接器与连接机具关键技术研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

［11］ 周游，段梦兰，郭宏，等.深水水平套筒式连接器定位技术［J］.石油矿场机械，2013，42（9）：18-22.

［12］ 关俊峰.卡爪式深海管道自动连接机具技术研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

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

国家科技重大专项“水下管汇连接器样机研制”（2011ZX05026-003-02）

罗 俊（1991-），男，陕西汉中人，硕士研究生，主要从事机械设计及理论、海洋油气装备的研究，E-mail：luojun20080901＠126.com。