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海底管道修复用三通联贯器的设计

发布时间:2019-01-24 01:07:00 文章来源:我要租铺网    

谈平 张强 周明

摘 要:海底石油管道急剧修复技艺是保证海水油气正常出产的一项严重课题,海底管道修复用三通联贯器是海底管道修复的关头部件。文章先容了海底管道修复用三通联贯器的布局原理和使用特点,并选取有限元剖析软件模仿仿真三通联贯器在使用状态下金属密封件的密封状况。按照API尺度的要求,设计出了用于海底管道修复用的三通联贯器。

关头词:海底管道修复三通;有限元;静水压

中图分类号:TE973 文献标志码:A 文章编号:2095-2945(2018)29-0001-04

Abstract: The rapid repair technology of submarine oil pipeline is an important subject to ensure the normal production of seawater oil and gas. The three-way connector for submarine pipeline repair is the key component of submarine pipeline repair. This paper introduces the structural principle and application characteristics of the three-way connector for the repair of submarine pipelines, and simulates the sealing state of the metal seal under the service condition of the three-way connector using the finite element analysis software. According to the requirements of API standard, a three-way connector for submarine pipeline repair is designed.

Keywords: submarine pipeline repair tee; finite element; hydrostatic pressure

引言

近年来,全球海洋石油产量增进麻利,海洋石油将成为天下油气产量增进的源泉。海底管道的建设维护是海洋石油开辟过程中最严重的枢纽之一,跟着服役年限的添加,海管内部会受到油气载荷、内部介质腐化影响,外部受到风暴、波浪、潮汐、船舶等附加载荷,以及海水腐化、砂流磨损等影响从而造成管道损坏。一段管道走漏,将发生停输、停产而造成庞大经济丧失,是以促进了海管不绝输修复技艺的切磋和技艺成长。

海底管道一旦产生走漏务必尽快完成修复,以削减丧失并贬低情况混浊。因为水下功课情况纷乱,今朝普遍应用于陆地管道修复的技艺很难在水下兑现,而传统焊接、法兰联贯、螺紋联贯等修复技艺的周期长且修复质量不高,工序纷乱等特点,造成很难兑现管道的急剧、靠得住的修复。海底管道修复三通的设计便是为明白决这一难题,海底管道修复三通对修复管道形成永远密封才力,选取尺度的氟橡胶件,由外部两个液压缸驱动卡爪收拢,议决液压驱动螺栓施加预紧力兑现密封,并选取阴极护卫的措施防止海水对卡爪的腐化,可兑现急剧、靠得住、不绝输的海底管道修复技艺。

1 海管修复用三通联贯器的事情原理

笔者地点公司开辟的海管修复三通选取螺栓联贯体例,不涉及焊接工艺,从而幸免了水下焊接的质量危害和安好危害。

在海底管线走漏部位,使用管道修复三通联贯器即液压夹具维修,以到达封堵走漏源修复管道走漏目的,首要用于小漏点(如裂纹、腐化穿孔等)管道的暂且封堵和永远性维修。这种维修要领要求管道上待维修管段的变形应在液压夹具的精度许可局限之内。图1是无潜水帮助的应用于深海小漏点封堵维修的海底管道修复三通联贯器,选取这种修复要领利便快捷、用度低。

海底管道修复三通联贯器选取特殊的锥面卡位设计,使三通的内外面与海管牢牢贴合,使修复三通牢牢的固定在海底管道的特定位置,不会产生滚动和轴向移动。海管修复三通的俯看剖面图和侧视图如图2所示。

机器三通由前后两个半瓦组成,后半瓦上配有焊颈法兰,可与球阀或夹板阀联贯;后半瓦与前半瓦议决液压搭钮联贯在一同;安装到海底管道指定位置后,议决液压将前后瓦紧闭到管道上,张力预紧器预紧轴向螺栓和径向螺栓后,即可兑现海底管道修复三通与海管的紧固与密封。在三通内部,两片半瓦内的两头离别设计了两个带齿的锥形卡瓦,当螺栓预紧后,卡瓦的表里锥齿面的牙齿咬合发生楔紧力,使卡瓦内齿紧紧抱紧海管,到达沿海管轴向和周向的固定要求。此外,三通内部的轴向和径向上均设计有密封槽,密封槽内嵌有密封条,夹具的密封装配由配对的两瓣间的模铸弹性端面密封件与管道周围的模铸环向封隔器构成。当前后瓦螺栓预紧后,两瓣封闭压缩端面,金属与金属直接接触,形成金属硬密封,同时防止了端面密封被挤出;议决预紧法兰两头的螺栓,夹具传递推力载荷,压缩封隔器,在管道周围形成一个高致密压力腔,密封条即可兑现对三通内部进行有用的密封。三通安装完成后,能够议决测试口测试海底管道修复三通联贯器的密封本能。三通上面装有阳极块,外皮面进行涂层处置防止海水腐化。

海底管道修复三通的首要参数如下:

规格:28英寸

总长:3.4米

事情温度:-18℃~121℃

额定事情压力:900Lb

驱动器把握压力:2000Psi

事情水深:500米

海底管道修复三通的首要特点:

(1)特殊的锥形卡瓦设计保证,三通与海管在安装过程中坚固贴紧。

(2)固定和密封同时进行,兑现急剧安装。

(3)选取内部密封体式格局削减压力载荷。

(4)餍足NACE工况要求。

2 海底管道修复三通联贯器的布局设计

2.1 防止翻转谋略

已知开孔机的重量G=80kN,开孔机重心到管道中心的距离为L=3000mm,管道外径D=710mm卡瓦齿与海管的摩擦系数为f=0.15,卡瓦与管道的正压力为N。管道的防转摩擦力:

F=2fN=0.3N (1)

開孔机程度安装时是防止反倒的极限状态,凭据力矩均衡原理:

F=GL (2)

由(1)和(2)式求得:N=2253520N

为了防止管道滚动,卡瓦对管道的压力最小为N,同时压力也不克不及过大,会压溃海管。

2.2 前后瓦联贯螺栓的谋略

前后两瓣瓦是议决16个螺栓联贯起来,阀腔对前后瓦分隔的压力为R,面积A=1.2m2在试验压力下阀腔压力W=22.5MPa

B=WA=27000000N (3)

弯矩对前后轴向拉力T,螺栓到海管中心的距离C=600mm

T==400000N (4)

每个螺栓蒙受的力Q,螺栓数目n=16

Q==1737.5kN (5)

按照API 17D要求,选用B7螺栓,许用应力?滓=430MPa,螺栓直径d

d==71.7mm (6)

取3″-8UN螺栓。

2.3 卡瓦受力的谋略

半卡瓦的受力剖析如图3所示,图中R为上半卡瓦与端面法兰的正压力,P为必要施加在此半卡瓦上的轴向力,?琢=20°为卡瓦外锥角,N为管道对卡瓦的反力(即三通卡瓦对海管的正压力)

由X轴偏向和Y轴偏向设立均衡方程求得:

R==1268317N (7)

P=+R(fcos?琢+sin?琢)=781578N (8)

2.4 端面法兰螺栓力的谋略

海底管道修复三通联贯器两头半卡瓦与前后两半瓦选取螺栓联贯,使卡瓦发生轴向力推动法兰,从而使半卡瓦锥面上发生楔紧力,使卡瓦内外面与主管道外面咬合,同时挤压密封圈,同时兑现海管与三通的固定和密封。

端面半片法兰与半卡瓦选取10个螺栓联贯,在试验压力W=22.5MPa下发生的轴向力H

H=WD2=8903666N (9)

每个螺栓上蒙受的力q

q==523341N (10)

按照API 17D要求,选用B7螺栓,许用应力?滓=430MPa,螺栓直径d

d==39.4mm (11)

取2″-8UN螺栓。

3 海底管道修复三通联贯器首要零件的有限元剖析

3.1 本体的静水压谋略

阀体的事情载荷为15Mpa,按照API 6A本体试验前提[5],试验压力为22.5MPa。

阀体质料选用ANSI 8630M,屈服强度为552MPa,抗拉强度为690MPa,用有限元进行剖析谋略,选取2阶的四面体单位,本体为对称布局,是以取本体的一段进行划分网格,并在部分区域进行了网格细分,单位数为78489,节点数为117624,解放度为342996,见图4。

按照API 6A变形能理论,SE≤SY

SE-Von Mises理论要领谋略的在压力容器壁内最高应力处的最大许用应力当量;SY-质料法则的最小屈服强度。

软件剖析谋略的Von Mises应力如图5所示,最大Von Mises应力为117.2MPa,小于质料的屈服强度552MPa,阀腔中心红色区域为部分布局不赓续区域,发生了应力集结,本体应力强度餍足要求。

3.2 卡瓦与端面法兰的谋略

卡瓦是海底管道修复三通联贯器的严重部件,它由固定管道和密封管道的双重作用。设计卡瓦时,应准确确定各局部尺寸,保证卡瓦有足够的轴向力和有用行程,确保管道固定和密封同时完成。

卡瓦选用ANSI 8620,屈服强度为360MPa,抗拉强度为690MPa,卡瓦内齿选取渗氮工艺,增强硬度,用有限元进行剖析谋略,选取2阶的四面体单位,并在部分区域进行了网格细分,单位数为94533,节点数为140133,解放度为352996,见图6。

软件剖析谋略的Von Mises应力如图7所示,最大Von Mises应力为665MPa,为卡瓦的变形槽根部,此处为应力集结区,小于质料的抗拉强度690MPa。卡瓦应力餍足API 6A设计要求。

4 试验

联合API 17D、API 6A和API 6H,海底管道修复三通联贯器的测试必要议决以下试验来验证其相符使用要求:

(1)本能验证试验

海底管道修复三通联贯器以及气驱动器务必完成下列测试

同时还必要进行,静水压试验、气密封试验、驱动器壳体试验、驱动器密封试验、驱动器操作功能性试验。

(2)出厂试验

出厂试验必要检测的项目有目视检讨、尺寸检讨、无损检讨、本体静水压试验、气密封试验。

(3)总体集成试验

在完成本能试验和出厂试验后,必要将管道和联贯器进行联贯,模仿水下海流工况以及介质载荷工况进行振动试验。完成振动试验后进行一次气体密封测试。

5 告终语

针对海底管道的使用工况的要求,设计了28寸900磅级海底管道修复三通联贯器,议决本体和卡瓦的理论谋略、有限元剖析,设计的水下海底管道修复用三通联贯器餍足API尺度的有关强度要求。

参考文献:

[1]S.Z.Ali, Subsea Valve Actuator For Ultra Deepwater[R]. OTC 8240,1996.

[2]American Petroleum Institue, Design and Operation of Subsea Production Systems-Subsea Wellhead and Tree Equipment [M]. API 17D 2nd, 2011.

[3]Herd,D.P,McCaskill,J.W"How to Make a Valve Which Will Fail-Safe in Very Deep Water"[J]. ASME Paper,1976,76-35.

[4]Cylindrical helical springs made fromround wire and bar -Guide to methods of specifying, tolerances and testing[M].BS 1726-1,2002.

[5]American Petroleum Institue, Petroleum and natural gas Industries-Drilling and production equipment-Wellhead and Christmas tree Equipment [M]. API 6A 20nd,2010.

[6]American Petroleum Institue, Petroleum and natural gas Industries-Design and operation of subsea production systems- Completion/workover riser and systems [M]. ISO 13628-7,2010.

科技立异与应用 2018年29期

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