深水管道內封堵器錨定機構設計與研究

尚憲朝，呂成坤，鐘朝廷，張嵐，彭小佳，王立權，劉銅

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津300461;2.哈爾濱工程大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150001)

0 前言

2010年4月20日，BP公司在美國墨西哥灣租用的“Deepwater Horizon”鉆井平臺爆炸并起火，導致約500萬桶原油泄漏，損失大約200億美元。墨西哥灣漏油事件嚴重沖擊了美國經濟，而且嚴重破壞了墨西哥灣的生態壞境［1－2］。這一事件使人們意識到了海洋工程中應急搶修技術的重要性，必須要對其投入足夠的技術力量進行深入研究，并對可能出現的狀況研發出具有針對性的、操作方便快捷、安全可靠的應急搶修裝備。

在20世紀中期，美國等海洋資源勘探開發大國開始研究水下管道系統維修技術和機具。到了20世紀70年代，海洋有著豐富的油氣資源，國外一些海洋工程公司相繼開展了深水管線的應急搶修技術的研究，并開發相應裝備［3］。我國有豐富的海洋資源，近年也研發了相應設備，但是我國的技術和設備與國外有著很大的差距。

為了適應我國海洋油氣工程的發展，提高水下應急搶修技術與裝備的水平，打破國外技術壁壘的限制，我國在十二五重大專項中提出了應急搶修技術與裝備的研究目標，深水管道內封堵器的研制是其中一項重要任務，不僅是為了滿足我國深水應急封堵的需求，使得該項技術研究達到國內領先水平，也是為了不斷縮小我國與世界先進水平之間的差距，盡早研制出一種具有自主知識產權的海底應急封堵機具。

深水管道內封堵器主要由錨定裝置、密封裝置、施力裝置、閘板閥及轉接系統組成。錨定技術是該裝備的核心技術之一。

1 錨定裝置的主要形式

1.1 內脹式吊裝器的錨定機構

內脹式吊裝器的錨定機構如圖1所示，它是通過吊裝器自帶的液壓缸提供動力驅動錐體沿軸向方向運動，8個周向均布的外脹塊在斜面增力機構的作用下沿著在錐體上的導軌徑向向外膨脹來實現吊裝器與管道的脹緊。吊裝器與管道的脹緊是鑲嵌壓塊的環狀牙型嵌入樁管一定深度實現內脹式吊樁器與樁管的錨定［4］。

圖1 內脹式吊樁器的內脹式錨定機構

1.2 卡瓦式封隔器的錨定機構

封隔器是一種利用彈性密封元件來封隔環空、控制鉆井液、保護套管的井下工具。卡瓦式封隔器的錨定裝置主體是卡瓦，它防止封隔器的縱向移動進而保證封隔器的密封性能。如圖2所示為哈里伯頓永久式封隔器的上下各有一個C形卡瓦與卡瓦牙，隨著壓力的增加，上下卡瓦和錐體移動，上下卡瓦定位錨定。

圖2 哈里伯頓封隔器卡瓦與卡瓦牙

1.3 水力錨的錨定機構

水力錨的錨定機構如圖3所示，其錨爪未錨定時低于錨體表面，錨定時錨爪在套管內液體壓力的作用下徑向伸出并與套管內壁接觸，實現錨定;當壓力平衡后，錨爪在彈簧的彈力作用下收回，解除錨定。

圖3 扶正式水力錨

1.4 管內高壓智能封堵器的鎖定機構

管內高壓智能封堵器的鎖定機構如圖4所示，其錨牙由硬質合金鋼制成，錨定力由內部的液壓缸提供，當液壓缸由右向左移動時，帶有一定傾角螺紋的鎖定滑塊沿承壓斜面向上滑動并徑向膨脹錨定于管道內壁。鎖定滑塊的外表面的錨爪牙均勻刺入管道內表面與管內壓力對高壓智能封堵器的推力達到力平衡狀態，最終把封堵器固定在管內［6－7］。

圖4 管內高壓智能封堵器的鎖定機構

2 深水管道內封堵器錨定機構設計

深水管道內封堵器的錨定機構借鑒動力卡瓦利用液壓動力推動執行錐體擠壓楔形鎖緊滑塊，使封堵器與執行錐體有相對運動的8個周向均勻分布的錨定塊徑向脹緊，使錨定塊上的螺紋牙刺入管道內壁實現定位鎖緊。管內沖壓時，推動執行錐體管內介質壓力的作用下有向右的運動趨勢，由此即使撤去液壓動力源，封堵器仍能自鎖。封堵器的錨定機構由執行錐體、錨定塊、套筒和輔助模塊等組成，如圖5所示。

圖5 封堵器錨定機械機構

為了確保封堵器的錨定鎖緊的可靠性，將錨定塊的外表面設計成帶有鋸齒形凸起1/8圓柱面，滑塊外表面的螺紋牙弧長為封堵管道內表面圓周長的1/12，螺紋牙齒頂圓弧半徑與管道內半徑相同。在與執行錐體的接觸面上開一燕尾槽使錨定塊能錨定塊能順利的沿著導軌滑動。錨定塊的截面圖如圖6所示。

圖6 錨定塊截面圖

2.1 錨定塊牙型的設計

封堵器的錨定鎖緊時滑塊的螺紋牙嵌入管道的內壁，所以錨定塊的牙型對錨定的性能有重大作用。查閱國內外卡瓦牙板牙的相關資料，結合封堵器的實際工作中承受較大的單向軸向載荷，錨定塊的牙型設計成斜齒，如圖7所示。

圖7 錨定塊斜齒θ1≠θ2

深水管道內的油液的壓力間接全部作用在錨定塊上，因為錨定塊周向均勻分布，通過計算每個滑塊所承受的正壓力為FN=189.924 kN，初步設計每個滑塊上均勻分布40個螺紋牙，則每個螺紋牙所受的正壓力Fab=4.704 kN。錨定塊的材料選擇40CrNi，屈服極限 σs=785 MPa，［σs］=628 MPa，現在常用的深水管道為X60，屈服極限σ's=415 MPa。在一定的壓力下螺紋牙嵌入管道內壁，由于材料的塑形變形和嵌入接觸面積的增大，管道內壁塑形再逐漸變小最終轉化為彈性變形。單個螺紋牙與管道的內壁的接觸壓力σ:

式中:D為管道的內徑;b為接觸帶的寬度。

由于螺紋牙的弧面半徑等于管道內壁的半徑。則弧形帶的寬度b:

滑塊螺紋牙嵌入管壁的示意圖如圖8。

圖8 紋牙嵌入管道內壁示意圖

根據螺紋牙的幾何結構可以得:

由上圖b=b1+b2，則:

由上式得到刺入深度與牙型的關系如圖9所示。

圖9 刺入深度與牙型的關系

由此可知，在齒數一定時，滑塊螺紋牙刺入管道內壁的深度與牙形的大小有關。牙形角越小，刺入深度越大，牙形角越大刺入深度越小。在牙形前后角均為0時，刺入深度為無窮大，前后角均為π/2時，刺入深度趨于0。初步設計封堵器的錨定塊的齒前角θ1=30°，θ1=50°。

2.2 螺紋牙強度的校核

單個螺紋牙嵌入管道內壁齒前側的受壓面積為:

齒后側的受壓面積為:

作用在鎖緊滑塊上的正壓力F相當于作用在螺紋牙上的總的合力，此時作用在螺紋牙兩側斜面上的正壓力圖如圖10。

圖10 螺紋牙受力圖

則:

錨定機構錨定后，在管內流體介質下由軸向載荷，在軸向載荷作用下，螺紋牙可以看做承受單向靜載的懸臂梁，危險截面A－A可以看做高為l，寬為b的矩形。螺紋牙受軸向力作用時，危險截面A－A的彎曲強度條件為:

式中:Fzx為封堵裝置所受軸向載荷;n為每個滑塊上的螺紋牙個數;h為螺紋牙嵌入管壁的深度;b為危險截面寬度;l為螺紋牙的長度。

經計算，滑塊的螺紋牙滿足擠壓強度，剪切強度條件和彎曲強度條件。

2.3 螺紋牙錨定力的建模與分析

螺紋牙嵌入管道內壁，是彈塑性力學的接觸問題［8］，接觸應力超過管道材料屈服極限σs，管道塑形變形，隨著應力的減小，管道一部分進行彈性應變。

假定8個滑塊螺紋牙與管道內壁的接觸是相同的，由于滑塊的周向對稱分布，考慮到形狀和載荷的對稱性，把滑塊與管道內壁的環形接觸面分割成無窮多個薄平面接觸如圖11。

圖11 滑塊與管道的薄平面接觸

滑塊脹緊錨定在管道內壁上的力F可以分解為徑向力FZ與水平力FX，FZ使滑塊的螺紋牙嵌入管道內壁生根鎖緊，FX平衡管道內流體介質的軸向推力。

式中:λ為螺紋牙的傾角。

在垂向力FZ作用下滑塊與管道內壁接觸變形，假定在接觸變形之前滑塊的螺紋牙與管道內壁的僅接觸在O點，此時螺紋牙與管壁內壁表面距公共法線為ρ的點M和N則:

點M和N之間的距離:

螺紋牙嵌入管道內壁，接觸面產生局部塑形變形，假設接觸面的截面邊界半遠徑小于螺紋牙的齒頂圓半徑R1，利用半無限體表面承受法向集中力作用時的理論［9］，以α表示位于Z1和Z2軸上相距O點相當遠的兩點因壓縮而相互接近的距離 (忽略這些點上因壓縮而產生的變形)，若M和N因局部變形剛好重合成了一個接觸變形的邊界點，則:

若重合點為接觸面的任意一點，則:

式中:ω1和ω2為局部變形后點M和N在z1方向上和z2方向上產生位移。

假設接觸面上的一個微元的壓力為q(x)，點M為接觸區域螺紋牙上的一點，則在載荷作用下變形點M的位移:

式中:E1和ν1是滑塊的彈性模量和泊松比。

同理，點N的位移:

于是，

根據赫茲接觸理論，假定接觸區域在x軸上的范圍是［－a，a］，則:

其中，qO表示點O處的壓力。

單個螺紋牙的壓力:

所以

又因為

所以

綜上所述得:

滑塊的螺紋牙靠嵌入管道內壁平衡管內流體的壓力，由此封堵器錨定在管道內，螺紋牙與管道內壁接觸后受載荷如圖12所示，齒頂部分因承受管壁的壓力而產生一定的變形。在高壓介質的推力下，螺紋牙的齒頂圓在剪切力的作用下產生楔形變形，可近似認為是單邊均勻受壓的楔形體［10］如圖13所示。

圖12 螺紋牙應力簡化圖

圖13 單邊受壓楔形體

螺紋牙的齒頂圓接觸變形為楔體AOD，楔頂角2λ，在OD邊上承受均勻壓力q。在載荷達到極限載荷時，將產生無限制塑性流動，極限載荷為:

滑塊螺紋牙受力:

式中:Fjx為滑塊所承受的徑向載荷;λ為螺紋牙的傾角。

當忽略螺紋牙的變形，則螺紋牙嵌入管道的深度:

楔形體的頂角:

螺紋牙上的極限載荷為:

封堵管道的壓力:

由以上分析得到圖14、15封堵裝置封堵管內壓力的大小與螺紋牙的數量、螺紋牙齒頂圓半徑的大小等有關。螺紋牙數量越多，齒頂圓半徑越大，則嵌入管壁的深度越淺。

圖14 嵌入深度與螺紋牙個數的關系

圖15 嵌入深度與封堵壓力的關系

對封堵器的螺紋牙進行ANSYS模擬接觸分析，螺紋牙與管道內壁的接觸應力圖如圖16。

圖16 螺紋牙應力圖

管道材料X60的屈服極限415MPa，由圖16得到最大應力在螺紋牙與管道內壁的接觸處，大于管道材料的屈服極限，管道發生塑形變形，這與上述的分析結果相同。

3 結束語

在分析了國內外工程領域的相關結構錨定結構的基礎上，設計了可自鎖的錨定機械結構。通過對錨定塊的牙型進行受力分析，確定牙型與刺入深度的關系。此外，通過赫茲接觸理論建立了錨定塊的螺紋牙和管壁的接觸力學模型，進一步得出封堵裝置封堵壓力與螺紋牙結構的關系，并且通過ANSYS軟件仿真，得出的結果與分析結構相符，這也為內封堵器的下一步實際工作提供了理論指導。

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