非金屬粘結(jié)性海洋柔性立管接頭結(jié)構(gòu)綜述

(中石化勝利油田分公司 海洋采油廠，山東 東營 257237)①

進(jìn)行深海油氣資源的開采已經(jīng)成為當(dāng)今世界石油發(fā)展的一個(gè)主要趨勢[1-3]。海洋柔性立管與傳統(tǒng)的鋼制管道相比具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、柔性好等優(yōu)點(diǎn)，正逐步成為未來深海石油管道發(fā)展的主要方向[4-6]。海洋柔性立管接頭作為整個(gè)海洋柔性立管系統(tǒng)中的核心裝備，具有連接海洋柔性立管與海上浮式結(jié)構(gòu)和防止管內(nèi)外流體相互泄漏的作用，因此接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比海洋柔性立管管體本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。此外，海洋柔性立管作為復(fù)合材料管，與一般的鋼制管道不同，復(fù)合材料管與接頭的連接界面為非金屬-金屬的復(fù)雜界面，由于這兩種材料的力學(xué)性能和熱力學(xué)屬性相差較大，在海洋柔性立管服役期間，當(dāng)受到外載荷作用時(shí)，兩種材料會出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力和應(yīng)變，因此極易導(dǎo)致在接頭與海洋柔性立管結(jié)構(gòu)的連接處出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效或者泄漏等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了海洋柔性立管接頭的承載能力和使用壽命。

目前，掌握海洋柔性立管接頭結(jié)構(gòu)核心設(shè)計(jì)技術(shù)的只有國外幾家大型海洋柔性立管制造商，例如NKT Flexibles公司、Technip公司、Wellstream公司和Magma等公司，他們在接頭研制方面具有豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和獨(dú)立的制造能力，且生產(chǎn)出的接頭產(chǎn)品服役時(shí)間長，產(chǎn)品性能穩(wěn)定。國內(nèi)在海洋柔性立管研制方面起步較晚，特別是在接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工制造方面與國外公司存在較大的差距，目前只有河北的恒安泰公司和天津的海王星公司正在進(jìn)行非粘結(jié)性海洋柔性立管接頭的初步試制，已經(jīng)取得了一定的成果，但尚未研制出能夠?qū)嶋H應(yīng)用于海上的接頭產(chǎn)品。通過調(diào)查國內(nèi)有關(guān)海洋柔性管接頭的文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)大多數(shù)學(xué)者仍然還是主要以非粘結(jié)性海洋柔性立管為研究對象進(jìn)行接頭結(jié)構(gòu)的研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)，例如李翔云通過查閱國外文獻(xiàn)制定了非粘結(jié)性海洋柔性立管接頭的設(shè)計(jì)流程，同時(shí)又利用有限元分析了接頭中局部密封結(jié)構(gòu)的可靠性[7]；田闊研究了非粘結(jié)性海洋柔性立管接頭制造和加工工藝流程[8]；張亮利用有限元軟件對非粘結(jié)性海洋柔性立管的接頭密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了敏感性、自緊性和密封性進(jìn)行了分析[9]；毛慶凱通過解剖國外某一公司的非粘結(jié)性海洋柔性立管接頭產(chǎn)品，對接頭結(jié)構(gòu)里面的關(guān)鍵零部件尺寸、材料及工藝進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并總結(jié)歸納了一套接頭設(shè)計(jì)流程[10]。由于非粘結(jié)性海洋柔性立管在服役期間，其增強(qiáng)層的鋼帶會出現(xiàn)經(jīng)常性的滑移現(xiàn)象，因此整體耐疲勞性較差。粘結(jié)性海洋柔性立管卻可以較好地解決這個(gè)問題，因此也必將成為未來深海柔性管發(fā)展的主要方向[11]。由于粘結(jié)性海洋柔性立管的增強(qiáng)層結(jié)構(gòu)與非粘結(jié)性海洋柔性立管不同，因此兩者的接頭結(jié)構(gòu)也必存在較大差異。針對粘結(jié)性海洋柔性立管接頭結(jié)構(gòu)的研究國內(nèi)尚處于空白，目前能查閱到的相關(guān)研究資料和綜述非常少，嚴(yán)重影響了我國粘結(jié)性海洋柔性立管接頭國產(chǎn)化制備進(jìn)程。本文將通過對國外同類粘結(jié)性柔性立管產(chǎn)品的長期調(diào)研和資料搜集，詳細(xì)綜述了TrapLock型接頭、Swaged型接頭和Magam型接頭的結(jié)構(gòu)和連接方式，對后續(xù)粘結(jié)性海洋柔性立管接頭國產(chǎn)化研制具有一定的參考價(jià)值。

1 Traplock型接頭

Traplock型接頭又稱為卡鎖型接頭，也是最早應(yīng)用于柔性管連接的一種接頭結(jié)構(gòu)形式。Traplock型接頭與復(fù)合材料柔性管是通過纖維增強(qiáng)材料直接纏繞在金屬接頭表面齒型輪廓上的方式，實(shí)現(xiàn)柔性管管體與金屬接頭的固接，接頭的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 Traplock 型接頭結(jié)構(gòu)示意

從圖1知，Traplock型接頭結(jié)構(gòu)簡單，圖中黑色部分為復(fù)合材料柔性立管，白色部分為帶有齒型輪廓的金屬接頭，兩者通過金屬接頭表面的齒型結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。由于Traplock型接頭的抗拉能力和密封性能均由齒型結(jié)構(gòu)處的增強(qiáng)纖維所決定，因此進(jìn)行接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)對接頭與復(fù)合材料管連接處的纖維纏繞角度和纏繞層數(shù)進(jìn)行合理強(qiáng)度分析設(shè)計(jì)，同時(shí)對金屬接頭齒型結(jié)構(gòu)處的纖維纏繞工藝提出了較高的要求。由于Traplock型接頭整體抗拉能力和密封性能較差，因此該類接頭目前只能應(yīng)用于陸地或者淺海海域的中低壓柔性管道。

2 Swaged型接頭

Swaged型接頭的結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，主要由金屬內(nèi)套筒和金屬外套筒這兩種結(jié)構(gòu)組成，是一種非常典型的扣壓型連接的復(fù)合材料柔性管接頭，接頭結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 Swaged型接頭的結(jié)構(gòu)示意

從圖2知，Swaged型接頭的金屬內(nèi)套筒和金屬外套筒通過自身端部的螺紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行緊密連接，且金屬內(nèi)套筒的外腔表面帶有許多細(xì)小的齒型結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料柔性管首先被插入到這兩個(gè)金屬套筒之中，即形成了所謂的“三明治結(jié)構(gòu)”，然后再通過扣壓的方式增大了復(fù)合材料柔性管與金屬內(nèi)外套筒表面的靜摩擦力，從而保證了復(fù)合材料柔性管和金屬接頭的固定連接。由于Swaged型接頭的結(jié)構(gòu)形式不需要像Traplock型接頭一樣對復(fù)合材料柔性管的端部進(jìn)行特殊纏繞或增厚處理，因此整體制造和加工方便，且接頭安裝形式簡單，便于拆卸。

在進(jìn)行復(fù)合材料柔性管與Swaged型金屬接頭安裝固定時(shí)，金屬內(nèi)套筒的外腔與復(fù)合材料柔性管的內(nèi)襯層為過盈配合，金屬外套筒的內(nèi)腔與復(fù)合材料柔性管的外保護(hù)層為間隙配合。因?yàn)榻饘賰?nèi)套筒的外腔表面有許多細(xì)小的齒型結(jié)構(gòu)，所以當(dāng)利用液壓工具將金屬內(nèi)套筒插入到柔性管內(nèi)襯層中時(shí)，由于內(nèi)襯層塑料具有較好的彈性變形能力，因此內(nèi)襯層中的塑料將會嵌入到金屬內(nèi)套筒外腔表面凹凸不平的齒型結(jié)構(gòu)中去，從而實(shí)現(xiàn)了接頭的內(nèi)密封功能。待接頭安裝完畢后，再利用扣壓工具將金屬外套筒進(jìn)行徑向扣壓，通過這種扣壓的方式增大了復(fù)合材料柔性管內(nèi)襯層與金屬內(nèi)套層、復(fù)合材料柔性管外保護(hù)層與金屬外套層之間的靜摩擦力，從而保證了Swaged型接頭的較強(qiáng)抗拉能力。Swaged型接頭主要依靠徑向扣壓力進(jìn)行復(fù)合材料柔性管與金屬接頭的緊密連接，因此合適的徑向扣壓力至關(guān)重要，扣壓力過大或者過小都會影響接頭的使用性能。由于復(fù)合材料柔性管的內(nèi)徑越大，安裝過程中所需要施加的徑向扣壓力也越大，因此很容易造成柔性管與接頭連接處的局部應(yīng)力集中，目前這種形式的接頭只能適用于管徑較小且海洋服役環(huán)境較好的復(fù)合材料柔性管。此外，在扣壓過程中，還要避免金屬內(nèi)套筒外腔表面凹凸不平的齒型結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料柔性管內(nèi)襯層造成的機(jī)械物理破壞。

3 Magma型接頭

Magma型接頭是由世界著名的海上非金屬粘結(jié)性柔性立管制造商Magma公司自主研發(fā)而成，與其它同類型的接頭相比該種接頭具有非常好的抗拉能力和密封性能，且安裝、拆卸方便，能夠較好地應(yīng)用于深海柔性立管系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Magma型接頭的結(jié)構(gòu)示意

從圖3知，黑色部分為經(jīng)過端部增厚處理的復(fù)合材料柔性管，白色部分為Magma型金屬接頭。為了增強(qiáng)金屬接頭與復(fù)合材料柔性管連接處的抗拉強(qiáng)度，需要對復(fù)合材料柔性管端部進(jìn)行2次增厚處理，由于目前只有熱塑性管材能夠?qū)崿F(xiàn)這種二次增厚工藝，因此Magma型金屬接頭不能應(yīng)用于熱固性管材，且增強(qiáng)層材料必須為高強(qiáng)度的碳纖維和力學(xué)性能較好的PEEK聚合物組成。

Magma型金屬接頭最大創(chuàng)新點(diǎn)主要在于設(shè)計(jì)者將接頭結(jié)構(gòu)的承載功能和密封功能分開獨(dú)立設(shè)計(jì)，即在抗拉功能實(shí)現(xiàn)方面，通過對熱塑性管壁的二次增厚區(qū)域進(jìn)行纖維纏繞厚度、纏繞角度的設(shè)計(jì)以及增厚角的優(yōu)化，確保在較大的拉伸工況下，接頭與復(fù)合材料柔性管連接區(qū)域的強(qiáng)度滿足要求；在密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，為保證在復(fù)合材料柔性管與金屬接頭端面接觸處不發(fā)生泄漏，采用了常規(guī)的密封圈進(jìn)行密封，基于密封圈良好的彈性變形能力，將密封圈放置在接頭和柔性管端部界面形成的初始孔隙處，如圖4所示。最后再利用金屬接頭外套頸與鎖緊環(huán)螺紋連接的方式施加軸向預(yù)緊力，實(shí)現(xiàn)了密封圈的彈性密封，從而保證了內(nèi)部流體不會通過接頭和柔性管連接處的間隙進(jìn)行泄漏。

圖4 Magma型接頭的密封結(jié)構(gòu)局部放大圖

Magma型接頭主要缺點(diǎn)是在安裝過程中對預(yù)緊力要求非常高，預(yù)緊力直接影響了整個(gè)接頭的密封和抗拉能力，因此設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該需要通過有限元計(jì)算確定合適的預(yù)緊力大小。此外，接頭結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要針對其局部關(guān)鍵部位進(jìn)行嚴(yán)格的有限元分析，確定接頭關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。

4 結(jié)論

本文通過對國外粘結(jié)性海洋柔性立管接頭使用情況的長期調(diào)研和相關(guān)資料搜集，詳細(xì)綜述了Traplock型接頭、Swaged型接頭、Magma型接頭這3種國外常用于粘結(jié)性柔性管的接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)、連接方式以及各自結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。

1) Traplock型接頭由于其抗拉能力和密封性能較差，一般只能應(yīng)用于陸地或者淺海海域的中低壓力柔性管道。

2) Swaged型接頭結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，應(yīng)用要求較高，徑向扣壓力的大小直接影響了整個(gè)接頭的承載能力和密封性能，且在扣壓過程中容易使柔性管內(nèi)襯層發(fā)生機(jī)械破壞，一般應(yīng)用于管徑較小的海洋柔性立管。

3) Magma型接頭繼承了前面2種傳統(tǒng)型柔性管接頭的優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)新性地將接頭承載能力結(jié)構(gòu)和密封性能結(jié)構(gòu)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)承載能力設(shè)計(jì)方面基于碳纖維高強(qiáng)度和剛度特性，通過端部管壁二次增厚的方式保證了接頭與復(fù)合材料柔性管連接處的抗拉能力；在密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面利用密封圈在螺紋預(yù)緊力作用下的彈性變形實(shí)現(xiàn)了接頭密封。由于Magma型接頭具有很好的抗拉和密封性能，目前廣泛的應(yīng)用于深海所使用的粘結(jié)性海洋柔性立管中。但是，Magma型接頭結(jié)構(gòu)較為特殊，需要針對與其配套使用的粘結(jié)性海洋柔性立管端部進(jìn)行多次增厚處理，因此這種接頭只能安裝于熱塑性管材。

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