深水套筒式連接器力學與結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

趙三軍，段夢蘭，林建國，劉亞磊，李 博

（1.中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2.中海油研究總院，北京100027）

深水套筒式連接器力學與結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

趙三軍1，段夢蘭1，林建國1，劉亞磊1，李 博2

（1.中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2.中海油研究總院，北京100027）

深水套筒式連接器是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用為水下生產(chǎn)設(shè)施的連接。介紹了深水套筒式連接器的結(jié)構(gòu)；對連接器的主要部件進行了力學分析，找出了影響連接器機械效益的角度參數(shù)和摩擦因數(shù)；根據(jù)約束條件和設(shè)計要求提出了最優(yōu)的角度參數(shù)；運用MATLAB繪圖得出卡爪與轂座的摩擦因數(shù)越小，機械效益越大的結(jié)論。使用ABAQUS有限元分析軟件對連接器在工作條件下進行了校核，驗證了連接器各部件符合工作要求。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)；連接器；機械效益；有限元分析

水下生產(chǎn)系統(tǒng)在深水油氣田開發(fā)中有著廣泛的應(yīng)用，深水套筒式連接器是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用為水下生產(chǎn)設(shè)施的連接，包括水下采油樹與水下管匯的連接、跨接管與水下采油樹的連接、PLET（管道終端）與PLEM（管道終端管匯）的連接等［1-2］。目前，哈爾濱工程大學和中國石油大學進行了相關(guān)研究工作，但都處于起始階段［3-5］。國外的一些公司（例如 FMC、Oil States、Cameron）已經(jīng)掌握了深水套筒式連接器在設(shè)計、制造、測試、安裝等方面的關(guān)鍵技術(shù)。我國設(shè)立了兩個國家科技重大專項“水下管匯連接器樣機研制”和“深水水下生產(chǎn)設(shè)施制造、測試裝備及技術(shù)”，為加快我國在海洋油氣生產(chǎn)裝備方面的研究起到了促進作用。本文依據(jù)力學分析結(jié)果，研究深水套筒式連接器的結(jié)構(gòu)參數(shù)計算方法。

1 深水套筒式連接器結(jié)構(gòu)

深水套筒式連接器主要由公輪轂、母輪轂、驅(qū)動環(huán)、卡爪、密封件等組成，如圖1所示。公輪轂是在連接器安裝之前隨水下設(shè)施一起下放至海底并進行固定。母輪轂是與管道焊接在一起的。連接器主體由螺栓固定于公轂座。卡爪在驅(qū)動環(huán)的帶動下張開和鎖緊。驅(qū)動環(huán)在液壓系統(tǒng)的作用下運動。連接器采用金屬密封。套筒式連接器需要特定的安裝工具進行安裝，在安裝時安裝工具首先推動連接器使公輪轂與母輪轂對接，然后帶動驅(qū)動環(huán)沿軸向運動，壓迫卡爪旋轉(zhuǎn)，卡爪內(nèi)側(cè)的兩斜面分別與公、母輪轂的外斜面貼合接觸。驅(qū)動環(huán)繼續(xù)運動，卡爪與公、母輪轂的接觸面發(fā)生滑動并傳遞給輪轂軸向力，母輪轂向公輪轂運動。同時輪轂內(nèi)部密封面擠壓密封件，壓緊密封件，從而保證連接器的密封性［6］。

圖1 連接器結(jié)構(gòu)組成

2 連接器的力學分析

要使密封件能夠有效地保證密封的可靠性，就要有足夠大的預緊力。簡化的連接器結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中α、θ、γ和β分別是連接器的關(guān)鍵角度參數(shù)。根據(jù)相關(guān)摩擦因數(shù)，分析計算出機械效益。機械效益是機械的輸出力對其輸入力之比值，這里就是指轂座對密封件軸向作用力與安裝工具對驅(qū)動環(huán)的軸向力的比值。由于水下操作比較困難，所以要盡量減小安裝工具對驅(qū)動環(huán)的推力，這就要求有較大的機械效益。這里計算機械效益時只考慮安裝工具對驅(qū)動環(huán)施加力的傳遞，忽略了連接器的重力、內(nèi)外壓力、海流作用力等。

圖2 連接器的力學模型

2.1 驅(qū)動環(huán)的力學分析

驅(qū)動環(huán)的受力分析如圖3所示。

圖3 驅(qū)動環(huán)的受力示意

其中：F1為安裝工具提供給驅(qū)動環(huán)的力，f1為驅(qū)動環(huán)受到的卡爪的摩擦力，F(xiàn)2為卡爪給驅(qū)動環(huán)的壓力。驅(qū)動環(huán)與卡爪的摩擦因數(shù)為μ1。對x方向列力平衡方程得：

2.2 卡爪的力學分析

卡爪簡化后的受力如圖4所示。

圖4 卡爪受力示意

F′2為驅(qū)動環(huán)給卡爪的壓力，f′1為卡爪受到驅(qū)動環(huán)的摩擦力，F(xiàn)3為卡爪受到母轂座的壓力，f2為卡爪受到的母轂座的摩擦力，F(xiàn)4為卡爪受到公轂座的壓力，f3為卡爪受到的公轂座的摩擦力。

卡爪環(huán)與母轂座和公轂座的摩擦因數(shù)分別為μ2，μ3。列力平衡方程為：

即：

2.3 轂座的力學分析

由于公轂座是固定于海底，故只考慮母轂座的受力，如圖5所示。

F′3為卡爪給母轂座的壓力，f′2為母轂座受到卡爪的摩擦力，F(xiàn)5為密封件對母轂座的軸向力。

∑Fx＝0 F′3cosθ－f′2sinθ－F5＝0 （5）即：

圖5 母轂座受力示意

2.4 機械效益

根據(jù)力的相互作用關(guān)系以及式（2）、（4）和（6）可以得到機械效益K為

3 連接器參數(shù)分析

由式（7）可以看出，機械效益與角度和摩擦因數(shù)有關(guān)系，但是要讓連接器能夠鎖緊并保證密封性，還需要一些約束條件，如圖6。

圖6 約束條件分析

3.1 約束條件

3.1.1 自鎖約束

連接器鎖緊后，要保證其具有自鎖性，這樣能夠防止連接器鎖緊后自動解鎖。自鎖約束條件為［6］

3.1.2 位移約束

連接器鎖緊過程中，驅(qū)動環(huán)的軸向位移為S，金屬密封件的軸向壓縮量為E，由于轂座的變形量遠小于金屬密封件，所以可以忽略轂座的變形量。為了保證密封性，必須要保證密封件達到一定的變形量。根據(jù)幾何關(guān)系可以得驅(qū)動環(huán)的軸向位移與密封件的軸向壓縮量的比為

3.1.3 避免干涉的約束

卡爪鎖緊轂座時，可以看做是卡爪繞O點旋轉(zhuǎn)。要避免卡爪在鎖緊時碰撞轂座，由幾何關(guān)系可知，只要保證由OA和AB組成的角φ不小于π／2，即φ≥，根據(jù)幾何關(guān)系可得：

式中：m為O點到B點的距離；h為ΔOAB的高。

3.2 角度參數(shù)分析

忽略式（7）中的所有摩擦因數(shù)，得：

α、γ一般都很小，由式（11）可以看出此時θ越小機械效益越大，但是這些參數(shù)的選取還受到3.1節(jié)所述約束條件的影響。即：

3.3 摩擦因數(shù)分析

把式（13）帶入式（7），μ1取0.15，可得：

上式比較復雜，應(yīng)用MATLAB進行繪圖，如圖7。從圖7可以看出，隨著μ2、μ3的增大，機械效益在減小，所以為了增大機械效益就要使卡爪與母轂座和公轂座的摩擦因數(shù)盡量小。

圖7 機械效益與摩擦因數(shù)的關(guān)系

4 有限元分析

為了驗證所設(shè)計的深水套筒式連接器能否在水深1 500 m，內(nèi)壓34.5 MPa的壓力下正常工作，運用ABAQUS進行有限元分析［8］。由于卡爪是緊密排列的，而整個模型又是對稱的，所以可以取1個截面進行分析。各部件的材料屬性如表1。

表1 各部件材料屬性

分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 連接器的有限元分析

各部件受到的最大應(yīng)力如表2所示：

表2 各部件最大應(yīng)力

由表2可以看出：驅(qū)動環(huán)、卡爪、母轂座、公轂座的最大應(yīng)力是遠小于其屈服強度。不銹鋼密封件的最小預緊壓力為180 MPa（其有效密封寬度為3.2 mm），經(jīng)過有限元分析計算，該密封件與轂座接觸的密封面處壓力大于180 MPa，滿足密封要求［8］。

5 結(jié)論

1） 通過對連接器的力學分析，得出了轂座對密封件軸向作用力與安裝工具對驅(qū)動環(huán)的軸向力的比值，即機械效益。可知機械效益與連接器的各個角度參數(shù)和各個部件之間的摩擦因數(shù)有關(guān)。

2） 通過分析連接器的約束條件及設(shè)計要求，得出了連接器角度參數(shù)的最優(yōu)值，并通過MATLAB繪圖知卡爪與母轂座、公轂座的摩擦因數(shù)越小，則機械效益越大。

3） 用ABAQUS對連接器進行有限元分析，驗證了連接器能夠在水深1 500 m，內(nèi)壓34.5 MPa的壓力下正常工作。

4） 在制造、測試及下放連接器時，工況會更加的復雜，在后續(xù)的工作中還要對其進行改進。

5） 我國在深水連接器等海洋石油裝備的研究方面還很落后，要加強理論研究，提高制造、測試水平，早日實現(xiàn)海洋石油裝備的國產(chǎn)化。

［1］ David Carter Allensworth，Timothy William Crown.Subsea gang connector system：US，7172447 B2［P］.2007-05-06.

［2］ 董衍輝，段夢蘭，王金龍，等.深水水下連接器的對比與選擇［J］.石油礦場機械.2012，41（4）：6-12.

［3］ 譚磊.水下管道卡壓式連接器與連接機具關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

［4］ 關(guān)俊峰.卡爪式深海管道自動連接機具技術(shù)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

［5］ 周游，段夢蘭，郭宏，等.深水水平套筒式連接器定位技術(shù)［J］.石油礦場機械.2013，42（9）：18-22.

［6］ 孫恒，陳作模，葛文杰.機械原理［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［7］ 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［8］ 安少軍.深水海底管道套筒連接器密封接觸特性研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

Mechanics and Structure Parameters Analysis of Deep water Collet Connector

ZHAO San-j un1，DUAN Meng-lan1，LIN Jian-guo1，LIU Ya-lei1，LI Bo2
（1.Of f shore Oil and Gas Research Center，China University of Petroleum （Beijing），Beijing 102249，China；2.CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China）

Deep water collet connector is one of t he most i mportant co mponents in subsea pr oduction system.It is mainly used to connect the subsea production facilities.Mechanical analysis is carried out on main co mponents of connector to find out t he angle parameters and friction coefficient which affects the mechanical advantage of connector.Accor ding to the constraint conditions and design requirements，opti mal angle para meters are pr oposed.MATLAB graphics is used to come to the conclusion that the lower the friction coefficient bet ween hub and claws is，the greater the mechanical advantageis.ABAQUSfinite element analysis soft wareis used to check the connector under working conditions.Every parts of the connector are verified to meet the working requirements.

subsea pr oduction syste m；connector；mechanical advantage；finite element anal ysis

TE952

A

1001-3482（2014）06-0014-04

2013-12-20

國家科技重大專項“水下管匯連接器樣機研制”（2011ZX05026-003-02）；國家科技重大專項“深水水下生產(chǎn)設(shè)施制造、測試裝備及技術(shù)”（2011ZX05027-004）

趙三軍（1987-），男，河北泊頭人，碩士研究生，主要從事海洋石油裝備研究，E-mail：cupzsj＠g mail.co m。