深水海底管道套筒连接器密封接触特性研究

发布时间：2020-08-12 17:34

【摘要】：随着海洋油气资源开发向深海发展的必然性，水下生产系统成为必须掌握的技术。采用水下生产系统完成深水油气资源的开采、输送是该领域的主要方向。海底管道是水下生产系统的重要组成部分，水下回接技术是将新开发的、边际和卫星油气田的海底管道接入已建海底设施，使海洋油气开发变得经济有效。目前深水海底管道连接技术都掌握在国外海洋石油工程公司，负责设计安装，不能满足我国自主开发深海油气资源的需求。套筒连接器用于深水海底管道末端连接，采用远程操作工具遥控安装，需要解决高压密封和安装的问题。针对这些问题，论文对套筒连接器系统整体方案和密封接触特性进行了研究。从水下回接技术所需连接器的结构组成和工作原理入手，给出了非整体式套筒连接器系统的整体方案。非整体式连接系统由安装工具和套筒连接器组成，通过遥控操作潜水器控制安装工具动作实现套筒连接器的安装，安装完成后，安装工具可从海底回收，重复使用。提出了套筒连接器的整体密封结构，采用套筒、卡爪、高颈和透镜垫组合的连接结构，利用套筒的轴向直线运动驱动卡爪径向预紧高颈，实现透镜垫与高颈的高压密封。金属透镜垫与高颈的锥形密封面相互配合，自动对中性好，有效接触面积小，可以实现高压密封，并减小套筒连接器的整体尺寸。套筒与卡爪的锥面配合具有自锁功能，可以增加连接器抵抗压力波动的能力，简化结构组成。利用液压缸直线运动完成连接器的安装和卸载，操作可靠快速。建立了套筒连接器的力学模型，分析了预紧状态和操作状态时，套筒、卡爪、高颈和透镜垫之间的力学接触，提出了基于管道设计压力的套筒连接器预紧载荷和安装载荷计算公式，在此基础上推导了强度设计公式，为套筒连接器的工程应用奠定了理论基础。对由卡爪、高颈、透镜垫组成的密封结构进行接触分析，得到了密封接触特性和应力分布规律。研究表明卡爪和高颈相配合的连接结构比直接轴向预紧可以获得更大的轴向预紧力，具有放大轴向预紧载荷的特性。研究表明透镜垫在流体压力作用下具有自紧特性，压力自紧特性与垫片的结构型式、几何尺寸和材料有关。应用分析设计原理，采用最大变形能理论对高颈失效模式进行应力评定，结果表明根据论文提出的载荷计算公式及在此基础上推导的强度设计公式所确定的高颈结构安全可靠，不会发生塑性垮塌和局部失效。对套筒连接器的临界状态进行分析，研究表明密封状态在50Mpa内安全可靠，说明论文推导的强度设计校核公式正确有效，能反映出套筒连接器的临界失效状态。对高颈和透镜垫进行密封液压试验，最高可以实现65MPa密封。套筒连接器样机的液压试验，在50MPa时安全稳定，表明套筒连接器的密封性能安全可靠，结构设计合理，验证了套筒连接器载荷计算及强度设计公式的正确有效性。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TH136
【图文】：

海底管道

图 1.1 海底管道应用Fig. 1.1 Use of subsea pipeline下回接技术下回接（Tie-in）是将新开发的、边际和卫星油气田的海底管道接入已建海洋油气开发变得经济有效[24-28]。水下回接技术主要采用水下焊接和机械[29-32]，在深水环境下，潜水员无法工作，使用机械连接方式可由ROV（Rted Vehicle，遥控操作潜水器）控制ROT（Remotely Operated Tool，遥控操作道连接器（Pipeline connector），更适于深水环境下的海底管道连接，管道于海底管道的维修[33-35]。970年，Cameron公司在墨西哥湾应用水下回接技术。1983年，Cameron公亚海岸完成当时世界最深的机械式水下回接，259m（850feet），使用一个个水下无人潜水连接[36]。1986年，FMC设计的水平连接无人潜水回接系统家石油公司北海gullfaks油田[37]。目前国际水下回接技术已超过3000m水深道连接器主要有三种，螺栓法兰连接器、卡箍连接器和套筒连接器[38-39]，

螺栓法兰连接,套筒连接器

图 1.2 螺栓法兰连接器Fig. 1.2 Bolted flange connector图 1.3 卡箍连接器Fig. 1.3 Clamp connector图 1.4 套筒连接器Fig. 1.4 Collet connector套筒连接器由液压缸直线运动完成预紧和卸载，容易获得大预紧力；无需螺栓拉伸预紧，连接前高颈无需贴紧，对中精度要求低；套筒和卡爪的接触面可实现自锁，结构紧凑；装拆方便，操作简便快速，海上作业工时少，节省安装费用。综上所述，套筒连接器具有外形尺寸小，对中精度要求低，安装快速，拆卸方便，结构可自锁，安装费用低的特点，可以节约海上作业工时用及减少抢修时间，具有经济优势和技术优势。1.3 深水套筒连接器深水海底管道连接需要解决安装、高压密封和腐蚀难题，设计、安装由国外大型海洋石油工程公司技术垄断，国内尚未掌握。国外大型海洋石油工程公司对套筒连接器深水连接技术已有几十年的经验，技术成熟，应用广泛。但是可以获得的套筒连接器关键技术的研究资料并不多，在收集相关资料并进行详细分析以及综合对比几个代表性公司的产品之后，对套筒连接器的技术发展

卡箍连接,套筒连接器

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