深水套筒式连接器力学与结构参数分析

赵三军，段梦兰，林建国，刘亚磊，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）

深水套筒式连接器力学与结构参数分析

赵三军1，段梦兰1，林建国1，刘亚磊1，李 博2

（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）

深水套筒式连接器是水下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。介绍了深水套筒式连接器的结构；对连接器的主要部件进行了力学分析，找出了影响连接器机械效益的角度参数和摩擦因数；根据约束条件和设计要求提出了最优的角度参数；运用MATLAB绘图得出卡爪与毂座的摩擦因数越小，机械效益越大的结论。使用ABAQUS有限元分析软件对连接器在工作条件下进行了校核，验证了连接器各部件符合工作要求。

水下生产系统；连接器；机械效益；有限元分析

水下生产系统在深水油气田开发中有着广泛的应用，深水套筒式连接器是水下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（管道终端管汇）的连接等［1-2］。目前，哈尔滨工程大学和中国石油大学进行了相关研究工作，但都处于起始阶段［3-5］。国外的一些公司（例如 FMC、Oil States、Cameron）已经掌握了深水套筒式连接器在设计、制造、测试、安装等方面的关键技术。我国设立了两个国家科技重大专项“水下管汇连接器样机研制”和“深水水下生产设施制造、测试装备及技术”，为加快我国在海洋油气生产装备方面的研究起到了促进作用。本文依据力学分析结果，研究深水套筒式连接器的结构参数计算方法。

1 深水套筒式连接器结构

深水套筒式连接器主要由公轮毂、母轮毂、驱动环、卡爪、密封件等组成，如图1所示。公轮毂是在连接器安装之前随水下设施一起下放至海底并进行固定。母轮毂是与管道焊接在一起的。连接器主体由螺栓固定于公毂座。卡爪在驱动环的带动下张开和锁紧。驱动环在液压系统的作用下运动。连接器采用金属密封。套筒式连接器需要特定的安装工具进行安装，在安装时安装工具首先推动连接器使公轮毂与母轮毂对接，然后带动驱动环沿轴向运动，压迫卡爪旋转，卡爪内侧的两斜面分别与公、母轮毂的外斜面贴合接触。驱动环继续运动，卡爪与公、母轮毂的接触面发生滑动并传递给轮毂轴向力，母轮毂向公轮毂运动。同时轮毂内部密封面挤压密封件，压紧密封件，从而保证连接器的密封性［6］。

图1 连接器结构组成

2 连接器的力学分析

要使密封件能够有效地保证密封的可靠性，就要有足够大的预紧力。简化的连接器结构如图2所示，图中α、θ、γ和β分别是连接器的关键角度参数。根据相关摩擦因数，分析计算出机械效益。机械效益是机械的输出力对其输入力之比值，这里就是指毂座对密封件轴向作用力与安装工具对驱动环的轴向力的比值。由于水下操作比较困难，所以要尽量减小安装工具对驱动环的推力，这就要求有较大的机械效益。这里计算机械效益时只考虑安装工具对驱动环施加力的传递，忽略了连接器的重力、内外压力、海流作用力等。

图2 连接器的力学模型

2.1 驱动环的力学分析

驱动环的受力分析如图3所示。

图3 驱动环的受力示意

其中：F1为安装工具提供给驱动环的力，f1为驱动环受到的卡爪的摩擦力，F2为卡爪给驱动环的压力。驱动环与卡爪的摩擦因数为μ1。对x方向列力平衡方程得：

2.2 卡爪的力学分析

卡爪简化后的受力如图4所示。

图4 卡爪受力示意

F′2为驱动环给卡爪的压力，f′1为卡爪受到驱动环的摩擦力，F3为卡爪受到母毂座的压力，f2为卡爪受到的母毂座的摩擦力，F4为卡爪受到公毂座的压力，f3为卡爪受到的公毂座的摩擦力。

卡爪环与母毂座和公毂座的摩擦因数分别为μ2，μ3。列力平衡方程为：

即：

2.3 毂座的力学分析

由于公毂座是固定于海底，故只考虑母毂座的受力，如图5所示。

F′3为卡爪给母毂座的压力，f′2为母毂座受到卡爪的摩擦力，F5为密封件对母毂座的轴向力。

∑Fx＝0 F′3cosθ－f′2sinθ－F5＝0 （5）即：

图5 母毂座受力示意

2.4 机械效益

根据力的相互作用关系以及式（2）、（4）和（6）可以得到机械效益K为

3 连接器参数分析

由式（7）可以看出，机械效益与角度和摩擦因数有关系，但是要让连接器能够锁紧并保证密封性，还需要一些约束条件，如图6。

图6 约束条件分析

3.1 约束条件

3.1.1 自锁约束

连接器锁紧后，要保证其具有自锁性，这样能够防止连接器锁紧后自动解锁。自锁约束条件为［6］

3.1.2 位移约束

连接器锁紧过程中，驱动环的轴向位移为S，金属密封件的轴向压缩量为E，由于毂座的变形量远小于金属密封件，所以可以忽略毂座的变形量。为了保证密封性，必须要保证密封件达到一定的变形量。根据几何关系可以得驱动环的轴向位移与密封件的轴向压缩量的比为

3.1.3 避免干涉的约束

卡爪锁紧毂座时，可以看做是卡爪绕O点旋转。要避免卡爪在锁紧时碰撞毂座，由几何关系可知，只要保证由OA和AB组成的角φ不小于π／2，即φ≥，根据几何关系可得：

式中：m为O点到B点的距离；h为ΔOAB的高。

3.2 角度参数分析

忽略式（7）中的所有摩擦因数，得：

α、γ一般都很小，由式（11）可以看出此时θ越小机械效益越大，但是这些参数的选取还受到3.1节所述约束条件的影响。即：

3.3 摩擦因数分析

把式（13）带入式（7），μ1取0.15，可得：

上式比较复杂，应用MATLAB进行绘图，如图7。从图7可以看出，随着μ2、μ3的增大，机械效益在减小，所以为了增大机械效益就要使卡爪与母毂座和公毂座的摩擦因数尽量小。

图7 机械效益与摩擦因数的关系

4 有限元分析

为了验证所设计的深水套筒式连接器能否在水深1 500 m，内压34.5 MPa的压力下正常工作，运用ABAQUS进行有限元分析［8］。由于卡爪是紧密排列的，而整个模型又是对称的，所以可以取1个截面进行分析。各部件的材料属性如表1。

表1 各部件材料属性

分析结果如图8所示。

图8 连接器的有限元分析

各部件受到的最大应力如表2所示：

表2 各部件最大应力

由表2可以看出：驱动环、卡爪、母毂座、公毂座的最大应力是远小于其屈服强度。不锈钢密封件的最小预紧压力为180 MPa（其有效密封宽度为3.2 mm），经过有限元分析计算，该密封件与毂座接触的密封面处压力大于180 MPa，满足密封要求［8］。

5 结论

1） 通过对连接器的力学分析，得出了毂座对密封件轴向作用力与安装工具对驱动环的轴向力的比值，即机械效益。可知机械效益与连接器的各个角度参数和各个部件之间的摩擦因数有关。

2） 通过分析连接器的约束条件及设计要求，得出了连接器角度参数的最优值，并通过MATLAB绘图知卡爪与母毂座、公毂座的摩擦因数越小，则机械效益越大。

3） 用ABAQUS对连接器进行有限元分析，验证了连接器能够在水深1 500 m，内压34.5 MPa的压力下正常工作。

4） 在制造、测试及下放连接器时，工况会更加的复杂，在后续的工作中还要对其进行改进。

5） 我国在深水连接器等海洋石油装备的研究方面还很落后，要加强理论研究，提高制造、测试水平，早日实现海洋石油装备的国产化。

［1］ David Carter Allensworth，Timothy William Crown.Subsea gang connector system：US，7172447 B2［P］.2007-05-06.

［2］ 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.

［3］ 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.

［4］ 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.

［5］ 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.

［6］ 孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［7］ 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［8］ 安少军.深水海底管道套筒连接器密封接触特性研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

Mechanics and Structure Parameters Analysis of Deep water Collet Connector

ZHAO San-j un1，DUAN Meng-lan1，LIN Jian-guo1，LIU Ya-lei1，LI Bo2
（1.Of f shore Oil and Gas Research Center，China University of Petroleum （Beijing），Beijing 102249，China；2.CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China）

Deep water collet connector is one of t he most i mportant co mponents in subsea pr oduction system.It is mainly used to connect the subsea production facilities.Mechanical analysis is carried out on main co mponents of connector to find out t he angle parameters and friction coefficient which affects the mechanical advantage of connector.Accor ding to the constraint conditions and design requirements，opti mal angle para meters are pr oposed.MATLAB graphics is used to come to the conclusion that the lower the friction coefficient bet ween hub and claws is，the greater the mechanical advantageis.ABAQUSfinite element analysis soft wareis used to check the connector under working conditions.Every parts of the connector are verified to meet the working requirements.

subsea pr oduction syste m；connector；mechanical advantage；finite element anal ysis

TE952

A

1001-3482（2014）06-0014-04

2013-12-20

国家科技重大专项“水下管汇连接器样机研制”（2011ZX05026-003-02）；国家科技重大专项“深水水下生产设施制造、测试装备及技术”（2011ZX05027-004）

赵三军（1987-），男，河北泊头人，硕士研究生，主要从事海洋石油装备研究，E-mail：cupzsj＠g mail.co m。