趙鑒超,尤軍峰,2*,徐國棟,汪凌燕,李華軍

(1.西安航天動力技術(shù)研究所,西安 710025;2.固體推進全國重點實驗室,西安 710025;3.西安航天復(fù)合材料研究所,西安 710025;4.西安向陽航天材料股份有限公司,西安 710049)

0 引言

21世紀(jì)是海洋世紀(jì),隨著世界經(jīng)濟的高速發(fā)展,能源和資源問題日益突出,海洋資源開發(fā)受到各國的高度重視。近些年,世界新增油氣儲量和產(chǎn)量已主要來自于海洋,海洋油氣產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的40%左右[1]。在海洋能源勘探與開采系統(tǒng)中,立管系統(tǒng)作為水上平臺和水下設(shè)備的連接通道,是平臺和海底設(shè)備之間介質(zhì)傳輸?shù)摹把屎怼盵2]。深水立管柔性接頭是連接立管系統(tǒng)與浮式平臺的關(guān)鍵部件,它可以降低立管上的剪力和彎矩,緩解因洋流運動導(dǎo)致的立管系統(tǒng)與浮動平臺的應(yīng)力,本身還可承受較大的拉壓載荷,是深水立管生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。

長期以來,全球深水立管柔性接頭產(chǎn)品市場基本由美國的LORD公司和OSI公司所壟斷。隨著我國海洋油氣勘探與開采逐步邁向2～3 km的深水領(lǐng)域,國外提供的產(chǎn)品也不能滿足我國深水領(lǐng)域油氣開采的技術(shù)需求。因此,無論是為打破國外技術(shù)封鎖、解決“卡脖子”問題,還是為滿足我國深水領(lǐng)域油氣開采的技術(shù)需求,均需研發(fā)一種新型的深水立管柔性接頭。

本文介紹了新型深水立管柔性接頭方案設(shè)計,并依據(jù)深水立管柔性接頭實際載荷條件與使用工況,完成了內(nèi)壓、軸拉加擺動、溫度載荷條件下的有限元仿真計算,驗證了新型深水立管柔性接頭設(shè)計方案的正確性。

1 新型深水立管柔性接頭設(shè)計

根據(jù)國內(nèi)對深水立管(或隔水管)柔性接頭的技術(shù)需要,提出如下技術(shù)指標(biāo): 最大壓強 69 MPa ;軸向承載能力 400 t;最大擺角 25°;擺動剛度 15～50 kN·m/(°)(工作壓強 21 MPa);最高工作溫度 180 ℃。

本文采用一種新型雙接頭、雙球窩對稱連接結(jié)構(gòu)設(shè)計方案來解決大擺角、耐高溫、抗疲勞的問題,如圖1所示。

圖1 一種新型的深水立管柔性接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.1 Structure design of a new flexible joint for deepwater riser

本方案通過兩套對稱連接的彈性元件、球窩支撐結(jié)構(gòu)來減少每個彈性元件的受力與變形。陰、陽球體之間通過預(yù)壓彈簧,使陰、陽球體始終處于預(yù)壓狀態(tài),既保證了陰陽球之間的密封,又可使陰陽球之間的預(yù)壓力可控,降低磨損。在連接殼體與球窩支撐結(jié)構(gòu)之間充冷卻液,起傳遞熱量的作用,通過外部海水的冷卻,使彈性元件能夠在較低溫度環(huán)境條件下長期工作。

2 新型深水立管柔性接頭仿真分析

對新型深水立管柔性接頭設(shè)計方案進行數(shù)值仿真計算,如圖2～圖5所示。根據(jù)靜力強度、剛度仿真計算結(jié)果,柔性接頭在各種工況下最大應(yīng)力為490.5 MPa,小于材料的強度指標(biāo)1078 MPa。從擺動仿真可知在21 MPa內(nèi)壓,25°擺角條件下擺動約束反力矩為348 kN·m(1/2模型),則整體柔性接頭的擺動剛度為:27.84 kN·m/(°),在擺動剛度要求范圍內(nèi)。根據(jù)傳熱仿真計算結(jié)果,在管內(nèi)180 ℃高溫油氣與外部海水冷卻對流換熱邊界條件下柔性接頭彈性元件部位的最高溫度為56 ℃ ,小于橡膠材料長期工作溫度70 ℃。因此,本項目研發(fā)的新型深水立管柔性接頭滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

(a)Stress (b)Displacement圖2 極限內(nèi)壓69 MPa應(yīng)力及位移云圖Fig.2 Stress and displacement contours at the ultimate internal pressure of 69 MPa

(a)Stress (b)Displacement圖3 軸拉400 t條件下應(yīng)力及位移云圖Fig.3 Stress and displacement contours under 400 t axial tension

(a)Stress (b)Displacement圖4 內(nèi)壓21 MPa+25°擺動條件下應(yīng)力及位移云圖Fig.4 Stress and displacement contours under 21 MPa and 25°environment

(a)Global temperature field

(b)Local temperature field圖5 內(nèi)腔180 ℃介質(zhì)條件下溫度場云圖Fig.5 Temperature field contours at 180 ℃ transmitter

本項目研發(fā)的新型深水立管柔性接頭設(shè)計與國外同類產(chǎn)品性能指標(biāo)對比如表1所示。

表1 深水立管柔性接頭性能指標(biāo)對比Table 1 Performance comparison of flexible joint of deepwater riser

3 結(jié)論

根據(jù)靜力結(jié)構(gòu)強度、剛度、傳熱仿真計算結(jié)果,本項目研發(fā)的新型深水立管柔性接頭方案設(shè)計滿足技術(shù)指標(biāo)要求。通過與國外深水立管柔性接頭同類產(chǎn)品性能指標(biāo)對比,本項目研發(fā)的新型深水立管柔性接頭性能達到并超過國外先進水平。