深水连接器设计与性能分析

2021-04-04荆州职业技术学院徐梦卓

内江科技 2021年3期

◇荆州职业技术学院徐梦卓

目前国内外正加大对海洋油气开发的技术投入，深水连接器是管道连接的重要组成部分，其种类很多，其中卡爪式连接器应用较为广泛。深水连接器在使用过程中主要存在密封失效、承载能力差以及海水腐蚀等问题。本文提出了一种新的卡爪结构，通过理论计算和有限元仿真，验证了该结构具备较好的承载能力，为卡爪式水下连接器的研发提供指导借鉴。

随着陆地油气资源的枯竭，海洋油气资源开采，特别是深水油气开采，将成为世界油气产业的主要经济增长点[1]。我国南海油气资源十分丰富需进一步加快深海水下作业技术研究及装备研制。深水卡爪式连接器领域，目前国外的技术产品相对成熟[2]，我国对深水管道连接器的研究起步较晚，因此加快深水卡爪式连接器技术研究对海洋资源开采具有重要意义。

1 深水连接器的设计

本文所设计的深水连接器需满足我国南海深水油气资源开采，连接管道尺寸为7.48 inch（190 mm），内部流经的油气压力为34.5 MPa，ROV连接时间为30 min～45 min，连接器工作水深为1500 m[3]，即需要承受的海水外压为15 MPa，工作过程中起吊重量10 t，允许最大偏角3.5°，最大偏移量150 mm。为了适应深水复杂的工作环境，内外工作温度的不同确定连接器可以承受的温度载荷范围为3 ℃～130 ℃。

1.1 对拉力的承载能力分析

深水连接器工作时，卡爪在液压驱动作用下将上下法兰对接，并对二者之间起密封作用的透镜式密封圈施加密封载荷。卡爪与下法兰接触的地方面积最小，并可能产生的拉力破坏，造成卡爪拉伸，进而导致密封失效，因此对此部位进行拉力分析，如图1所示。

卡爪在承受上下法兰拉力过程的受力简图，D点与上法兰铰接有较大的承载强度，在拉伸过程中主要分析在K点受力过程中的拉伸量变化。在K点的受拉力过程中会在a-a面上产生拉伸断裂的可能。拉伸过程中产生的伸长量也在出现在这个平面。

图1 深水连接器的卡爪结构与受力分析

在计算面积中以整齐的平面计算a-a平面，计算所有卡爪最小截面积之和[4]：

式中：Sa-a-所有卡爪的最小截面积之和，m2；l-卡爪最小面积处截面长度，40mm；d-卡爪最小面积处截面宽度，26mm；n-卡爪个数，6。

可求出Sa-a=1.248×10-2m2。

上下法兰对接完成后，液压系统的载荷会使卡爪产生一个伸长量

式中：-卡爪伸长量，mm；F外-外加拉力载荷，80t；L-受拉伸卡爪长度，50mm；E-卡爪的弹性模量，2.11×105MPa；Sa-a-所有卡爪最小截面积之和，m2。

套管计算可知，在外载荷的作用下，卡爪的伸长量很小，可以满足密封要求。

1.2 对弯矩的承载能力分析

上下法兰稳定连接后，在外力作用下法兰可能会向一侧偏移产生弯曲作用。卡爪压紧下法兰的过程和螺栓的连接压紧方式相同。利用弯矩计算中的倾覆力矩计算方式进行卡爪弯矩计算。卡爪在中心线上的分布情况如图2所示。

图2 深水连接器的卡爪分布

在连接器的图2中的截面上以中心线计算卡爪在假定的35吨·米外部载荷下所承受的最大作用力。由式[5]：

式中：Fmax-卡爪受弯矩作用下最大作用力，N；M-假定外部弯矩载荷，35吨·米；Lmax-中线与卡爪的最大距离，312mm；Li-每个卡爪的距离，mm。

在卡爪受到弯矩作用产生拉伸或压缩后会在卡爪的接触面上有轴向伸长量。当卡爪的伸长量过大就容易导致密封圈的轴向压力缩小，从而使密封圈失效。因此，需要计算卡爪在受弯矩过程中的最大伸长量：

通过上面的计算可以得到卡爪在35吨·米的外部弯矩载荷作用时，产生的位移量为1.09×10-4mm，说明卡爪在弯矩的作用下承载能力足够。

2 卡爪有限元分析

完成三维建模后，将模型导入ANSYS中，选用Static Structural模块进行力学分析，定义材料属性为弹性模量E=2.11e11、泊松比μ=0.3。利用Mesh模块进行网格划分，对卡爪设定约束，在受力面上施加载荷。通过仿真可知卡爪在34.5 MPa内压作用下，变形量小于卡爪有足够的强度压紧上、下法兰。完成卡爪连接器对水下管汇的连接。