海底油氣管道維修卡具密封裝置設(shè)計

張西偉，魏佳廣，梁學(xué)先，袁孟宇，孫首陽

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

隨著海上油氣田的開發(fā)，越來越多的水下設(shè)施及海底管道投入使用。作為海上油氣田的生命線，一旦海底管道發(fā)生損壞，無法及時修復(fù)，將對海上油氣田的生產(chǎn)造成極大影響和損失。挪威船級社的數(shù)據(jù)顯示墨西哥灣和北海的海底管道破損事故中，由腐蝕造成的事故占比最高，分別為40%和27%[1]。通常國際上采用海底管道維修卡具能修復(fù)海底管道上不太大的局部損傷或泄漏，如裂紋、腐蝕穿孔、凹痕等。海底管道維修卡具具有安裝操作過程無需焊接，可進行不停產(chǎn)管道修復(fù)，以及操作簡便、修復(fù)快速、修復(fù)成本較低等優(yōu)點[2-4]。

為滿足我國海底油氣管道的維護搶修需求，設(shè)計了一套無潛水支持的全結(jié)構(gòu)法蘭盤壓縮密封型卡具，具有水下機器人（ROV，Remotely Operated Vehicle） 操作界面，適用于深水的D12 in（1 in=25.4 mm）海底管道維修。本文著重討論該卡具核心部件軸向和周向密封裝置的設(shè)計原理和分析方法。

1 卡具設(shè)計

1.1 主要設(shè)計參數(shù)

設(shè)計的全結(jié)構(gòu)法蘭盤壓縮密封型卡具的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 海底管道卡具主要技術(shù)參數(shù)

1.2 卡具主要組成

參見圖1和圖2，該卡具主要包括以下部件：卡具結(jié)構(gòu)體（前半部和后半部）、法蘭盤、卡瓦和卡瓦套、軸向和周向螺栓、軸向密封系統(tǒng)、周向密封系統(tǒng)、ROV面板、ROV扶手、液壓缸、液壓缸支座、銷軸、銷軸吊耳、卸扣、鞍形輔助安裝裝置、犧牲陽極和防腐涂層等。

圖1 海底管道維修卡具外視圖

圖2 海底管道維修卡具內(nèi)視圖

1.3 密封系統(tǒng)設(shè)計

卡具的密封系統(tǒng)如圖3所示，包括軸向密封系統(tǒng)和周向密封系統(tǒng)兩部分。軸向和周向密封系統(tǒng)均為雙層密封設(shè)計。雙層密封的優(yōu)點是可靠性更好，同時在安裝完成后可對雙層密封之間形成的中腔進行壓力測試，確保密封系統(tǒng)安裝成功。

圖3 海底管道維修卡具密封系統(tǒng)

1.3.1 軸向密封系統(tǒng)設(shè)計

軸向密封系統(tǒng)沿海底管道的長度方向進行密封，軸向密封系統(tǒng)由兩條長型和兩條短型密封橡膠組成，見圖4。前后兩半部卡具閉合并在軸向螺栓作用下緊密貼合時，密封橡膠條發(fā)生變形，被擠入由前后兩片卡具結(jié)構(gòu)形成的封閉空間內(nèi)。軸向密封橡膠的工作原理與典型的“O”形密封圈類似。只要密封橡膠的初始壓縮率達到一定數(shù)值（工業(yè)界推薦10%～15%），橡膠與卡具表面的初始接觸壓力無須超出外加壓力。在外加壓力的作用下，橡膠與卡具表面的接觸壓力會隨之增加，具有“自加強”的特點，從而達到密封的要求。

圖4 海底管道維修卡具軸向密封橡膠

1.3.2 周向密封系統(tǒng)設(shè)計

周向密封系統(tǒng)沿海底管道的周向方向進行密封，參考圖3和圖5。周向密封橡膠前半部和后半部周向密封橡膠的交接處設(shè)計有相互吻合的齒形接縫，在卡具閉合后，形成一個完整的圓形橡膠環(huán)。這種設(shè)計中前后兩半部橡膠間接觸面積大，且在壓力的作用下相互緊密咬合，提高了周向密封的可靠性。

圖5 海底管道維修卡具周向密封橡膠

周向密封橡膠的激活通過上緊周向螺栓來實現(xiàn)。在周向螺栓拉力作用下，卡具兩端的法蘭盤通過壓縮桿推動密封壓縮環(huán)和密封滑環(huán)，從而同時擠壓雙層周向密封橡膠。周向密封橡膠在沿海底管道軸向擠壓力的作用下，向海底管道徑向變形接觸海底管道外壁，產(chǎn)生接觸壓力。密封橡膠限位環(huán)的作用在于：當周向密封橡膠向海底管道徑向變形時，限位環(huán)也隨之變形移位，從而封閉卡具結(jié)構(gòu)體與海底管道間的間隙。一方面是為了防止密封橡膠被擠入小的間隙而損壞；另一方面將周向密封橡膠限制在一個封閉空間中，可確保通過增加軸向推力，即可將密封橡膠與接觸面間的接觸壓力提高至目標值。

1.3.3 軸向與周向密封系統(tǒng)交界面

為確保對海底管道的全密封，還需要合理設(shè)計軸向密封橡膠和周向密封橡膠的交接處，實現(xiàn)密封。本卡具軸向與周向密封橡膠的交接處設(shè)計可參考圖3（a）。在前半部卡具結(jié)構(gòu)體的密封橡膠溝槽兩端的下部有開口，長型和短型軸向密封橡膠在該位置分別與兩片周向密封橡膠接觸。當法蘭盤推動擠壓周向密封橡膠時，周向密封橡膠與軸向密封橡膠沿管徑方向發(fā)生擠壓接觸。該處的接觸壓力與周向密封橡膠和管道外壁之間的接觸壓力相當，實現(xiàn)軸向和周向密封橡膠交接處在設(shè)計密封壓力下的密封。

1.4 密封橡膠材料

卡具的密封橡膠材料要求具有良好的物理機械性能（彈性強度、硬度、耐磨性、耐壓縮性、耐撕裂性等）、耐低溫性、耐熱性、不透氣性和化學(xué)穩(wěn)定性（耐油、耐酸、耐水等）。國外廠家一般選用氟橡膠或氫化丁睛橡膠，本卡具選用氟橡膠Viton?B 80 Durometer。該材料的泊松比為0.497，密度為1 800 kg/m3，圖6為該材料的單軸應(yīng)力-應(yīng)變測試曲線[5-6]。

圖6 密封橡膠實驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2 密封系統(tǒng)分析

2.1 分析目的

為模擬密封系統(tǒng)在安裝激活過程中的行為，分別建立了簡化的軸向和周向密封系統(tǒng)Abaqus有限元模型。有限元分析的目的在于：

（1）對于軸向密封系統(tǒng)，模擬驗證密封橡膠條被擠入密封溝槽的變形模式符合設(shè)計預(yù)期；估算閉合兩半部卡具時需要克服的密封橡膠條處的反力，該反力數(shù)據(jù)用于軸向螺栓的設(shè)計。

（2）對于周向密封系統(tǒng)，模擬驗證周向密封橡膠被壓縮時，橡膠環(huán)和密封橡膠限位環(huán)的變形模式符合設(shè)計預(yù)期；為達到在設(shè)計壓力下密封的要求，估算壓縮周向密封橡膠所需軸向推動力的大??；同時估算在此推動力下，周向密封橡膠的軸向位移量。

2.2 軸向密封分析

軸向密封系統(tǒng)有限元二維簡化模型如圖7所示。密封橡膠條和密封溝槽由平面應(yīng)變單元來模擬。密封橡膠為超彈性材料，其本構(gòu)關(guān)系采用Abaqus中的Mooney-Rivlin模型來描述[5,7]。

圖7 軸向密封系統(tǒng)平面應(yīng)變有限元模型

Mooney-Rivlin模型所需參數(shù)由Abaqus計算軟件從圖6所示Viton?材料應(yīng)力-應(yīng)變測試曲線計算獲得。模型的其余部分為線彈性鋼體材料，彈性模量為207 GPa，泊松比為0.3，密度為1 800 kg/m3。為模擬密封橡膠條在溝槽內(nèi)的變形行為，進行了考慮密封橡膠大變形的靜力接觸分析。密封橡膠與接觸面的摩擦系數(shù)設(shè)為0.64。模型中鋼體III的下部和右部為固定邊界。

有限元模擬包括下面兩個步驟：

第一步，對鋼體I施加強制位移，向下移動關(guān)閉間隙d1。此步驟用于模擬卡具安裝前將密封橡膠條擠入溝槽的過程。

第二步，對鋼體II施加強制位移，向右移動關(guān)閉間隙d2。此步驟用于模擬兩片卡具完全緊固閉合將密封橡膠條封閉于溝槽內(nèi)的過程。

圖8為第一步和第二步模擬分析所得Von Mises應(yīng)力及接觸壓力云圖。由圖8可知當被完全壓縮進密封溝槽內(nèi)時，密封橡膠條的橫截面由圓形變形到近似于方形，幾乎填滿了整個溝槽。此時的最大接觸壓力達到了5.2 MPa。將密封橡膠條壓縮入溝槽所需壓縮力為48.6 N/mm（即第二步鋼體II所受水平向左的反力），因此估算出當閉合卡具時，4條密封橡膠的總抵抗力在130 kN左右，該抵抗力遠小于卡瓦作用于海底管道所需螺栓最小預(yù)緊力。由于軸向密封具有“自加強”的特點，在外加壓力的作用下，橡膠與卡具表面的接觸壓力會隨之增加，從而達到密封的要求。

圖8 軸向密封系統(tǒng)Von Mises和接觸壓力云圖/MPa

2.3 周向密封分析

周向密封系統(tǒng)采用軸對稱簡化模型進行模擬分析，如圖9所示。該模型包括周向密封橡膠、橡膠限位環(huán)、橡膠壓縮環(huán)、管道和卡具結(jié)構(gòu)體等部分。密封橡膠材料的超彈性本構(gòu)關(guān)系采用和2.2節(jié)同樣的模型來描述。橡膠限位環(huán)為不銹鋼材料，采用Ramberg-Osgood彈塑性材料模型，屈服強度為290 MPa，極限拉伸強度為580 MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.2。模型的其余部分為線彈性鋼體材料。

圖9 周向密封系統(tǒng)軸對稱有限元模型

為模擬周向密封橡膠和橡膠限位環(huán)在軸向推力下的變形行為，進行了考慮密封橡膠和橡膠限位環(huán)大變形的靜力接觸分析。密封橡膠與鋼材料接觸面的摩擦系數(shù)設(shè)為0.64，橡膠限位環(huán)與管道接觸面的摩擦系數(shù)設(shè)為0.3，橡膠限位環(huán)與壓縮環(huán)及卡具結(jié)構(gòu)體的接觸面摩擦系數(shù)設(shè)為0.16。模型中管道和卡具結(jié)構(gòu)體均為固定邊界。

有限元模擬步驟如圖9所示，對橡膠壓縮環(huán)施加逐漸增加的推進力壓縮周向密封橡膠。在此過程中，記錄下推進力和對應(yīng)的推進位移量。同時觀察記錄密封橡膠和橡膠限位環(huán)的變形以及密封橡膠和接觸面的接觸壓力。

圖10為在逐漸增加的推進力下周向密封橡膠和橡膠限位環(huán)的變形及接觸壓力云圖?？梢钥闯觯谘睾５坠艿垒S向方向推力下，周向密封橡膠沿海底管道軸向方向被壓縮，沿海底管道徑向變形，同時帶動橡膠限位環(huán)隨之移動變形；隨著推進力增加，周向密封橡膠接觸海底管道外壁，橡膠限位環(huán)也開始與海底管道外壁接觸，閉合卡具結(jié)構(gòu)體與海底管道間的間隙，從而將周向密封橡膠限制在一個封閉空間內(nèi)。當推進力進一步增加，密封橡膠與接觸面間的壓力也隨之增加；因為密封橡膠接近于體積不可壓縮材料（泊松比=0.497），當密封橡膠被壓縮到幾乎填滿由卡具結(jié)構(gòu)體內(nèi)壁、海底管道外壁和橡膠限位環(huán)構(gòu)成的封閉空間接觸壓力為38.3MPa，軸向推力約為1 398 kN，對應(yīng)的單個橡膠的軸向位移量約為7.8 mm。

圖10 推力和推進量下周向密封系統(tǒng)云圖

2.4 試驗情況

依據(jù)上述原理，加工制作了D12 in卡具，如圖11所示。對卡具密封進行了試驗，每次增壓5 MPa并保壓15 min，直到打壓至38 MPa。試驗結(jié)束后卡具軸向和周向密封裝置密封良好，無泄漏發(fā)生，拆開卡具后檢查密封裝置完好無損壞。試驗結(jié)束后測量法蘭盤確定單個周向密封裝置位移為7～7.5 mm，軸向推力為1440kN，與分析結(jié)果基本一致。

圖11 卡具出廠試驗

3 結(jié)束語

本文針對設(shè)計制造的D12 in深水海底管道維修卡具，重點闡述了該卡具的核心部件——軸向和周向密封裝置的設(shè)計原理和分析方法。描述了軸向和周向密封裝置的部件組成、幾何形式、材料選擇以及操作激活方式。通過非線性有限元模型，模擬驗證了軸向和周向密封系統(tǒng)在壓縮作用下的變形行為模式符合設(shè)計預(yù)期。對軸向密封橡膠，估算了閉合兩半部卡具時需要克服的密封橡膠條處的反力；對周向?qū)γ芊庀鹉z，估算了為達到目標壓力下密封的要求，所需施加的軸向壓縮力及相應(yīng)的壓縮位移量。經(jīng)過試驗論證，設(shè)計的密封裝置在38 MPa的測試壓力下仍保持了良好的密封性能，為以后的海底管道應(yīng)急維修卡具提供了一種很好的密封方法，具有良好的實際應(yīng)用前景。