深水复合材料柔性管接头设计及密封分析*

2021-05-18曲金枝包兴先李树勃

石油机械 2021年5期

王腾曲金枝包兴先李树勃

(中国石油大学(华东)石油工程学院)

0 引言

深海油气资源的开发已经成为当今世界油气行业发展的主要趋势。海底管道和立管等作为海洋油气开发的重要装备，其设计的合理性、经济性以及运行的安全性等日益引起国内外研究者的重视[1]。复合材料柔性管以其结构轻和耐腐蚀等特点一直备受业内人士关注[2-5]。接头是柔性管的重要连接装置和薄弱部位，起到连接和密封等作用。柔性管接头的合理设计和正确安装对于保障海洋油气开发的安全性具有重要意义。

近年来，国内外很多学者对海洋柔性管接头的设计分析开展了一系列工作：李翔云等[6]对接头密封环的密封效果进行了数值模拟分析，得到了最大接触压力与各参数的关系；毛庆凯[7]深入地剖析了接头设计过程中的连接和密封等关键问题，完成了浅海输油管道接头的实例设计；吴翔实等[8]设计了一种扣压式海洋软管接头，并分析了接头连接强度的影响因素；张亮等[9]针对某海域使用的非黏结管道接头的密封环锯齿进行了密封性能数值模拟。

目前国内尚缺少较为成熟的柔性管接头型式设计，而国外应用较多的柔性管接头主要有Traplock型接头、Swaged型接头和Magma型接头等[10]。Traplock型接头又称为卡锁型接头，是最早应用于柔性管连接的一种接头形式，由D.D.BALDWIN等[11]设计，其整体抗拉能力和密封性能较差，多用于陆地或者浅海海域的中低压柔性管道。Swaged型接头结构较为复杂，主要由金属内套筒和金属外套筒组成，制造和加工方便，接头安装形式简单，便于拆卸并且具有较好的密封性能和较强的抗拉能力，但易造成柔性管与接头连接处的局部应力集中，多用于管径较小且服役环境较好的复合材料柔性管。Magma型接头由Magma[12-13]公司自主研发而成，具有较高的抗拉能力和较好的密封性能，安装和拆卸方便，适用于深海柔性立管系统。但是Magma型接头在安装过程中对预紧力要求较高，预紧力直接影响整个接头的密封和抗拉能力。

目前，国内外对于适合深水环境下的复合材料柔性管的接头设计及密封分析研究较少。为此，本文针对复合材料黏结型柔性管设计了Wedge-Swaged型接头，该接头具有结构形式简单，加工、安装与拆卸方便等优点；并考虑深水30 MPa外压、32 MPa内压以及300 kN拉力的组合工况，采用ABAQUS有限元软件对接头进行了承载能力校核及密封性能评估。所得结论可为柔性管接头的进一步设计及优化提供参考。

1 接头结构及设计

1.1 复合材料黏结型柔性管结构

本文研究的深水复合材料黏结型柔性管由3层结构组成：内衬层，由内径48 mm、厚度4 mm的PE塑性材料组成；增强层，由8层缠绕角55°、厚度0.25 mm的玻纤维复合材料组成；外保护层，由外径64 mm、厚度2 mm的PE塑性材料组成。复合材料柔性管结构如图1所示。

图1 复合材料柔性管结构图Fig.1 Structural schematic of composite flexible pipe

1.2 Wedge-Swaged型接头设计及装配

Wedge-Swaged型接头主要由接头主体(包含内套筒和外套筒)、楔形块、法兰、密封圈和复合材料柔性管共同组成，结构如图2所示。

1—接头主体；2— 密封圈； 3—楔形块；4—法兰； 5—复合材料柔性管。图2 Wedge-Swaged型接头结构示意图Fig.2 Structural schematic of Wedge-Swaged end fitting

接头主体带有单向平滑锯齿的内套筒，以满足装配后的密封和防止柔性管脱落的要求。锯齿内套筒扣压长度越长，越有利于提高接头的连接强度和密封性能，但长度增加会使得锯齿内套筒加工困难，增加制造成本。锯齿内套筒的外径取决于柔性管内径以及扣压过盈量。扣压过盈量不足会导致柔性管内流体泄漏以及接头抗拉能力不够；扣压过盈量太大则会损伤内胶层，同时导致内胶层硬化，影响密封性能。为了达到柔性管的使用要求，需要优化锯齿内套筒扣压长度以及锯齿过盈的角度和深度。楔形块的外套筒带有与法兰配合的螺纹，以实现安装过程中推动楔形块做轴向运动，并且楔形块外套筒的弧度与楔形块的弧度完全一致，在与楔形块的配合作用下，提供安装过程中的预紧力以及实现安装后的密封效果。

楔形块的设计与安装是Wedge-Swaged型接头设计的关键。4块楔形块在放入接头主体装配开始前，互相之间留有间隙，通过拧紧法兰顶推楔形块向前运动，楔形块在做轴向运动的同时做径缩运动，使得接头对楔形块有挤压作用，进而楔形块又对柔性管有挤压作用，最终通过4块楔形块的挤压配合来起到密封效果。同时，为了使楔形块能顺畅地进入接头内部，楔形块在加工时要保证内、外表面尽量光滑，并且楔形块的外表面坡度要和接头主体楔形外套筒的坡度保持一致。安装时对楔形块内、外表面做一定的润滑处理以方便安装和后期的维护。为了避免楔形块因挤压而损坏，楔形块不能太薄，同时为了实现轻量化设计要求，楔形块也不能太厚。本设计楔形块最薄处的厚度为1.8 mm，最厚处为10.0 mm。

法兰对楔形块的运动提供顶推作用。法兰设计有与接头外套筒配合的螺纹，同时法兰内径要与柔性管的外径一致，以起到与接头主体紧密结合和安装定位的作用。

接头和复合材料柔性管的装配过程如图3所示。接头的装配顺序为a→b→c→d→e→f。首先将柔性管接头放置到预设位置，将密封圈和法兰按顺序套在柔性管上(见图3a)；其次将柔性管顺锯齿方向推进接头内部，并将密封圈沿柔性管推入到接头内顶端(见图3b)；然后在接头内部密封圈和法兰之间依次放入4块楔形块(见图3c和图3d)；最后将法兰拧紧与接头连接，推动楔形块轴向运动，进而提供安装需要的预紧力，达到密封及抗拉的效果(见图3e和图3f)。

图3 接头装配示意图Fig.3 Schematic diagram of end fitting assembly

1.3 Wedge-Swaged型接头扣压尺寸计算

为保证接头与柔性管的充分接触，锯齿内套筒与柔性管内衬层的扣压量是关键因素。扣压量直接影响管接头的连接性能和使用寿命。扣压深度太大会导致锯齿或密封面塑性变形过大，从而导致连接失效或密封失效；扣压深度太小将导致密封面的接触应力不足，从而导致管柔性管接头脱落或者油气泄漏[14]。

接头锯齿外形及扣压示意图如图4所示。

图4 接头锯齿外形及扣压示意图Fig.4 Schematic diagram of end fitting crimping

柔性管扣压量计算式为[15]：

Δ=Tδ+D2-D1+d2-d1

(1)

式中：Δ为柔性管扣压量，mm；D1为柔性管外径，mm；D2为配合后的楔形块内径，mm；d1为接头内套筒外径，mm；d2为柔性管内径，mm；T为内胶厚度，mm；δ为内胶压缩比。

D1、D2、d1、d2、δ及T为常量，因此对于特定的海洋柔性管和接头，扣压量Δ只与内胶压缩比δ相关。通常，内胶压缩比δ取45%～50%。本文柔性管和接头尺寸如下：D1=61.6 mm，D2=62.0 mm，d1=50.0 mm，d2=48.0 mm，T=8.0 mm，取δ=45%，代入数据可得扣压量Δ=2 mm，锯齿的扣压深度为Δ的，即为1 mm。

2 接头密封设计及密封准则

2.1 密封设计

密封的本质是阻止流体泄漏。接触面间的流体泄漏由流体压力、流体黏度、接触压力、接触表面纹理及接触面表面粗糙度等多种因素决定[16-19]。

图5为接头泄漏通道示意图。图5中箭头表示泄漏方向。

图5 接头泄漏通道示意图Fig.5 Schematic diagram of end fitting leakage channel

由图5可以看出，Wedge-Swaged型接头在使用过程中可能的泄漏通道有2条：第一条泄漏通道是锯齿与复合材料柔性管内层过盈接触的位置；第二条泄漏通道是复合材料柔性管外层和楔形块以及接头主体外套筒之间。为了保证管接头具有良好的密封效果，针对以上2条泄漏通道采取2种密封方式：针对第一条泄漏通道，采用锯齿和柔性管内层的过盈配合来实现密封，是本结构最主要的密封方式，也是本文研究的重点；针对第二条泄漏通道，采用密封圈密封的方式，原理是安装完成后楔形块对密封圈的轴向作用，使密封圈和接头主体外套筒内壁以及复合材料柔性管外层形成加压作用，进而阻塞油气泄漏通道，达到密封效果。

2.2 密封准则

在判断接触面某处是否发生泄漏这一问题上，很多学者提出了不同的密封准则，目前尚没有一个统一的标准[9，20]。泄漏与否的判定通常需要确定临界密封失效压力，当接触压力小于临界密封失效压力时将发生泄漏。本文采用U.S.FERNANDO等[21]的密封准则。临界密封失效压力计算式如下：

pc=αpf+(1-α)σY

(2)

式中：pc是临界密封失效压力，MPa；pf是介质压力，MPa；σY是两种接触材料中较弱材料的屈服应力，MPa；α是液体侵入长度比例。

在实际工程中，对于不同表面粗糙度的密封接触面，即使接触压力相同，密封效果也不尽相同。表面越光滑其真实接触面积越大，密封性能越好；而且，聚合物材料在长期应用中还会出现蠕变和应力松弛的现象。因此，出于安全考虑，理论上的临界密封失效压力需要采用安全系数n加以调整。目前相关研究中大多没有考虑表面粗糙度及蠕变的影响(相当于n=1)，根据工程经验和相关文献[9,22]，本文选取安全系数n=1.4。

Wedge-Swaged型接头密封分析的关键在于锯齿的密封效果。当接头内套筒与柔性管内层的接触压力大于临界密封失效压力时，密封良好；反之，密封失效。本研究中柔性管中的流体压力为32 MPa，接触面两侧分别为钢材料和PE材料，PE材料屈服应力为30 MPa，液体侵入长度为0，代入式(2)中得临界密封失效压力为42 MPa。

3 接头承载力及密封性能校核

3.1 接头承载力及变形

采用ABAQUS软件建立800 mm长的柔性管及接头有限元模型，模拟3 000 m的水深条件，对其施加30 MPa外压、32 MPa内压以及300 kN拉力(考虑柔性管的自重)，考虑锯齿过盈量为0.9和1.0 mm，楔形块过盈量为0.0、0.1及0.2 mm等几种组合工况，对接头的承载力和密封性能进行分析，其有限元分析的本质是弹塑性接触问题[23]。柔性管各层和接头的Mises应力失效判断标准如表1所示。

表1 各部件失效判断标准Table 1 Failure judgment standards of each component

在各模拟工况下，接头和柔性管各组件的应力和伸长量如表2～表4所示。图6为锯齿过盈量1.0 mm、楔形块过盈量0.2 mm时接头和柔性管各组件的应力云图。

表2 不同过盈量对接头主体等效应力和伸长量的影响Table 2 The influence of different interference on the equivalent stress and elongation of the main body of the end fitting

表3 不同过盈量对楔形块及法兰装配整体等效应力和伸长量的影响Table 3 The influence of different interferences on the equivalent stress and elongation of the wedge block and flange assembly

表4 不同过盈量对柔性管等效应力和接触应力的影响Table 4 The influence of different interference on the equivalent stress and contact stress of flexible pipe

3.2 接头承载力性能校核

研究发现Wedge-Swaged型接头端部主体部分的最大等效应力为341.2 MPa(见表2)，没有超过屈服应力值355 MPa。楔形块及法兰装配整体部分的最大等效应力为143.9 MPa(见表3)，没有超过屈服应力值355 MPa。同样由表2可以发现，无论是锯齿过盈还是楔形块过盈，随着过盈量的增大，接头主体部分的最大等效应力也相应增大。由表3可以看出：随着楔形块过盈量的增大，楔形块及法兰装配整体部分的最大等效应力也相应增大；而随着锯齿过盈量的增大，楔形块及法兰装配整体部分的最大Mises应力变化不明显。

图6 接头和柔性管各组件应力云图Fig.6 Stress diagram of end fitting and flexible pipe components

由表4可见：柔性管内层及外层的等效应力均为29.48 MPa，没有超过屈服应力值30 MPa；而且柔性管增强层径向应力随着过盈量的改变，其变化不明显，最小值为306.1 MPa，最大值为306.2 MPa，远小于柔性管增强层的最大径向应力的失效标准820 MPa。

为了判断接头与柔性管是否脱落，分析了接头和柔性管内层接触的不同位置(到接头内根部的距离)的伸长量，如图7所示。由图7可以看出：柔性管离接头内根部越近，伸长量越小；反之, 柔性管离接头内根部越远，伸长量越大；靠近接头内根部位置的柔性管伸长量为0，靠近接头末端位置的柔性管伸长量为4.3 mm。因此，可以判断柔性管接头没有脱落。

图7 柔性管内层测量点与对应伸长量Fig.7 Measurement points and corresponding elongation of the inner layer of the flexible pipe

3.3 接头密封性能校核

由表4可知，当锯齿过盈量为0.9 mm、楔形块过盈量为0.2 mm时，柔性管内层和接头锯齿接触面的接触应力最小，应力为52.18 MPa，仍大于密封准则计算的42 MPa的临界密封压力，可以认为第一道密封效果良好。同样研究发现，无论是锯齿过盈还是楔形块过盈，随着过盈量的增大，接触应力也相应增大。本设计还采用橡胶密封圈密封第二条泄漏通道，两项密封措施保证了柔性管接头的密封效果。

通过对模拟组合工况下接头和柔性管进行有限元分析，发现锯齿过盈和楔形块过盈的合理确定对接头和柔性管的承载性能和密封性能有重要影响。综合考虑，本设计的最优过盈量为：锯齿过盈量1.0 mm，楔形块过盈量0.2 mm。