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        深水連接器設計與性能分析

        2021-04-04 02:53:46荊州職業(yè)技術學院徐夢卓
        內(nèi)江科技 2021年3期
        關鍵詞:卡爪深水拉力

        ◇荊州職業(yè)技術學院 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構,通過理論計算和有限元仿真,驗證了該結構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)技術研究及裝備研制。深水卡爪式連接器領域,目前國外的技術產(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研究對海洋資源開采具有重要意義。

        1 深水連接器的設計

        本文所設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構與受力分析

        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偏移產(chǎn)生彎曲作用??ㄗ壕o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。卡爪在中心線上的分布情況如圖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 卡爪有限元分析結果

        3 結語

        本文主要介紹了一種新的卡爪結構,并對其進行抗拉、抗彎的承載能力分析,最后對關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。

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