一种耐高温双球窝对称连接深水立管柔性接头结构设计与分析①

2023-07-08赵鉴超尤军峰徐国栋汪凌燕李华军

固体火箭技术 2023年3期

赵鉴超,尤军峰,2*,徐国栋,汪凌燕,李华军

(1.西安航天动力技术研究所,西安 710025;2.固体推进全国重点实验室,西安 710025;3.西安航天复合材料研究所,西安 710025;4.西安向阳航天材料股份有限公司,西安 710049)

0 引言

21世纪是海洋世纪,随着世界经济的高速发展,能源和资源问题日益突出,海洋资源开发受到各国的高度重视。近些年,世界新增油气储量和产量已主要来自于海洋,海洋油气产量占全球总产量的40%左右[1]。在海洋能源勘探与开采系统中,立管系统作为水上平台和水下设备的连接通道,是平台和海底设备之间介质传输的“咽喉”[2]。深水立管柔性接头是连接立管系统与浮式平台的关键部件,它可以降低立管上的剪力和弯矩,缓解因洋流运动导致的立管系统与浮动平台的应力,本身还可承受较大的拉压载荷,是深水立管生产系统的关键组成部分。

长期以来,全球深水立管柔性接头产品市场基本由美国的LORD公司和OSI公司所垄断。随着我国海洋油气勘探与开采逐步迈向2～3 km的深水领域,国外提供的产品也不能满足我国深水领域油气开采的技术需求。因此,无论是为打破国外技术封锁、解决“卡脖子”问题,还是为满足我国深水领域油气开采的技术需求,均需研发一种新型的深水立管柔性接头。

本文介绍了新型深水立管柔性接头方案设计,并依据深水立管柔性接头实际载荷条件与使用工况,完成了内压、轴拉加摆动、温度载荷条件下的有限元仿真计算,验证了新型深水立管柔性接头设计方案的正确性。

1 新型深水立管柔性接头设计

根据国内对深水立管(或隔水管)柔性接头的技术需要,提出如下技术指标: 最大压强 69 MPa ;轴向承载能力 400 t;最大摆角 25°;摆动刚度 15～50 kN·m/(°)(工作压强 21 MPa);最高工作温度 180 ℃。

本文采用一种新型双接头、双球窝对称连接结构设计方案来解决大摆角、耐高温、抗疲劳的问题,如图1所示。

图1 一种新型的深水立管柔性接头结构设计Fig.1 Structure design of a new flexible joint for deepwater riser

本方案通过两套对称连接的弹性元件、球窝支撑结构来减少每个弹性元件的受力与变形。阴、阳球体之间通过预压弹簧,使阴、阳球体始终处于预压状态,既保证了阴阳球之间的密封,又可使阴阳球之间的预压力可控,降低磨损。在连接壳体与球窝支撑结构之间充冷却液,起传递热量的作用,通过外部海水的冷却,使弹性元件能够在较低温度环境条件下长期工作。

2 新型深水立管柔性接头仿真分析

对新型深水立管柔性接头设计方案进行数值仿真计算,如图2～图5所示。根据静力强度、刚度仿真计算结果,柔性接头在各种工况下最大应力为490.5 MPa,小于材料的强度指标1078 MPa。从摆动仿真可知在21 MPa内压,25°摆角条件下摆动约束反力矩为348 kN·m(1/2模型),则整体柔性接头的摆动刚度为:27.84 kN·m/(°),在摆动刚度要求范围内。根据传热仿真计算结果,在管内180 ℃高温油气与外部海水冷却对流换热边界条件下柔性接头弹性元件部位的最高温度为56 ℃ ,小于橡胶材料长期工作温度70 ℃。因此,本项目研发的新型深水立管柔性接头满足技术指标要求。