深水連接器設(shè)計與性能分析

◇荊州職業(yè)技術(shù)學院 徐夢卓

目前國內(nèi)外正加大對海洋油氣開發(fā)的技術(shù)投入，深水連接器是管道連接的重要組成部分，其種類很多，其中卡爪式連接器應(yīng)用較為廣泛。深水連接器在使用過程中主要存在密封失效、承載能力差以及海水腐蝕等問題。本文提出了一種新的卡爪結(jié)構(gòu)，通過理論計算和有限元仿真，驗證了該結(jié)構(gòu)具備較好的承載能力，為卡爪式水下連接器的研發(fā)提供指導借鑒。

隨著陸地油氣資源的枯竭，海洋油氣資源開采，特別是深水油氣開采，將成為世界油氣產(chǎn)業(yè)的主要經(jīng)濟增長點[1]。我國南海油氣資源十分豐富需進一步加快深海水下作業(yè)技術(shù)研究及裝備研制。深水卡爪式連接器領(lǐng)域，目前國外的技術(shù)產(chǎn)品相對成熟[2]，我國對深水管道連接器的研究起步較晚，因此加快深水卡爪式連接器技術(shù)研究對海洋資源開采具有重要意義。

1 深水連接器的設(shè)計

本文所設(shè)計的深水連接器需滿足我國南海深水油氣資源開采，連接管道尺寸為7.48 inch（190 mm），內(nèi)部流經(jīng)的油氣壓力為34.5 MPa，ROV連接時間為30 min～45 min，連接器工作水深為1500 m[3]，即需要承受的海水外壓為15 MPa，工作過程中起吊重量10 t，允許最大偏角3.5°，最大偏移量150 mm。為了適應(yīng)深水復雜的工作環(huán)境，內(nèi)外工作溫度的不同確定連接器可以承受的溫度載荷范圍為3 ℃～130 ℃。

1.1 對拉力的承載能力分析

深水連接器工作時，卡爪在液壓驅(qū)動作用下將上下法蘭對接，并對二者之間起密封作用的透鏡式密封圈施加密封載荷?？ㄗεc下法蘭接觸的地方面積最小，并可能產(chǎn)生的拉力破壞，造成卡爪拉伸，進而導致密封失效，因此對此部位進行拉力分析，如圖1所示。

卡爪在承受上下法蘭拉力過程的受力簡圖，D點與上法蘭鉸接有較大的承載強度，在拉伸過程中主要分析在K點受力過程中的拉伸量變化。在K點的受拉力過程中會在a-a面上產(chǎn)生拉伸斷裂的可能。拉伸過程中產(chǎn)生的伸長量也在出現(xiàn)在這個平面。

圖1 深水連接器的卡爪結(jié)構(gòu)與受力分析

在計算面積中以整齊的平面計算a-a平面，計算所有卡爪最小截面積之和[4]：

式中：Sa-a-所有卡爪的最小截面積之和，m2；l-卡爪最小面積處截面長度，40mm；d-卡爪最小面積處截面寬度，26mm；n-卡爪個數(shù)，6。

可求出Sa-a=1.248×10-2m2。

上下法蘭對接完成后，液壓系統(tǒng)的載荷會使卡爪產(chǎn)生一個伸長量

式中：-卡爪伸長量，mm；F外-外加拉力載荷，80t；L-受拉伸卡爪長度，50mm；E-卡爪的彈性模量，2.11×105MPa；Sa-a-所有卡爪最小截面積之和，m2。

套管計算可知，在外載荷的作用下，卡爪的伸長量很小，可以滿足密封要求。

1.2 對彎矩的承載能力分析

上下法蘭穩(wěn)定連接后，在外力作用下法蘭可能會向一側(cè)偏移產(chǎn)生彎曲作用。卡爪壓緊下法蘭的過程和螺栓的連接壓緊方式相同。利用彎矩計算中的傾覆力矩計算方式進行卡爪彎矩計算?？ㄗυ谥行木€上的分布情況如圖2所示。

圖2 深水連接器的卡爪分布

在連接器的圖2中的截面上以中心線計算卡爪在假定的35噸·米外部載荷下所承受的最大作用力。由式[5]：

式中：Fmax-卡爪受彎矩作用下最大作用力，N；M-假定外部彎矩載荷，35噸·米；Lmax-中線與卡爪的最大距離，312mm；Li-每個卡爪的距離，mm。

在卡爪受到彎矩作用產(chǎn)生拉伸或壓縮后會在卡爪的接觸面上有軸向伸長量。當卡爪的伸長量過大就容易導致密封圈的軸向壓力縮小，從而使密封圈失效。因此，需要計算卡爪在受彎矩過程中的最大伸長量：

通過上面的計算可以得到卡爪在35噸·米的外部彎矩載荷作用時，產(chǎn)生的位移量為1.09×10-4mm，說明卡爪在彎矩的作用下承載能力足夠。

2 卡爪有限元分析

完成三維建模后，將模型導入ANSYS中，選用Static Structural模塊進行力學分析，定義材料屬性為彈性模量E=2.11e11、泊松比μ=0.3。利用Mesh模塊進行網(wǎng)格劃分，對卡爪設(shè)定約束，在受力面上施加載荷。通過仿真可知卡爪在34.5 MPa內(nèi)壓作用下，變形量小于卡爪有足夠的強度壓緊上、下法蘭。完成卡爪連接器對水下管匯的連接。

圖3 卡爪有限元分析結(jié)果

3 結(jié)語

本文主要介紹了一種新的卡爪結(jié)構(gòu)，并對其進行抗拉、抗彎的承載能力分析，最后對關(guān)鍵部件卡爪進行有限元分析，得出通過理論計算和有限元仿真，在外載荷和內(nèi)壓的作用下，深水連接器的承載能力較好，密封性能完整。