王 騰 曲金枝 包興先 李樹勃

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院)

0 引 言

深海油氣資源的開發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)今世界油氣行業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)。海底管道和立管等作為海洋油氣開發(fā)的重要裝備，其設(shè)計(jì)的合理性、經(jīng)濟(jì)性以及運(yùn)行的安全性等日益引起國(guó)內(nèi)外研究者的重視[1]。復(fù)合材料柔性管以其結(jié)構(gòu)輕和耐腐蝕等特點(diǎn)一直備受業(yè)內(nèi)人士關(guān)注[2-5]。接頭是柔性管的重要連接裝置和薄弱部位，起到連接和密封等作用。柔性管接頭的合理設(shè)計(jì)和正確安裝對(duì)于保障海洋油氣開發(fā)的安全性具有重要意義。

近年來，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)海洋柔性管接頭的設(shè)計(jì)分析開展了一系列工作：李翔云等[6]對(duì)接頭密封環(huán)的密封效果進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到了最大接觸壓力與各參數(shù)的關(guān)系；毛慶凱[7]深入地剖析了接頭設(shè)計(jì)過程中的連接和密封等關(guān)鍵問題，完成了淺海輸油管道接頭的實(shí)例設(shè)計(jì)；吳翔實(shí)等[8]設(shè)計(jì)了一種扣壓式海洋軟管接頭，并分析了接頭連接強(qiáng)度的影響因素；張亮等[9]針對(duì)某海域使用的非黏結(jié)管道接頭的密封環(huán)鋸齒進(jìn)行了密封性能數(shù)值模擬。

目前國(guó)內(nèi)尚缺少較為成熟的柔性管接頭型式設(shè)計(jì)，而國(guó)外應(yīng)用較多的柔性管接頭主要有Traplock型接頭、Swaged型接頭和Magma型接頭等[10]。Traplock型接頭又稱為卡鎖型接頭，是最早應(yīng)用于柔性管連接的一種接頭形式，由D.D.BALDWIN等[11]設(shè)計(jì)，其整體抗拉能力和密封性能較差，多用于陸地或者淺海海域的中低壓柔性管道。Swaged型接頭結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要由金屬內(nèi)套筒和金屬外套筒組成，制造和加工方便，接頭安裝形式簡(jiǎn)單，便于拆卸并且具有較好的密封性能和較強(qiáng)的抗拉能力，但易造成柔性管與接頭連接處的局部應(yīng)力集中，多用于管徑較小且服役環(huán)境較好的復(fù)合材料柔性管。Magma型接頭由Magma[12-13]公司自主研發(fā)而成，具有較高的抗拉能力和較好的密封性能，安裝和拆卸方便，適用于深海柔性立管系統(tǒng)。但是Magma型接頭在安裝過程中對(duì)預(yù)緊力要求較高，預(yù)緊力直接影響整個(gè)接頭的密封和抗拉能力。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于適合深水環(huán)境下的復(fù)合材料柔性管的接頭設(shè)計(jì)及密封分析研究較少。為此，本文針對(duì)復(fù)合材料黏結(jié)型柔性管設(shè)計(jì)了Wedge-Swaged型接頭，該接頭具有結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，加工、安裝與拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)；并考慮深水30 MPa外壓、32 MPa內(nèi)壓以及300 kN拉力的組合工況，采用ABAQUS有限元軟件對(duì)接頭進(jìn)行了承載能力校核及密封性能評(píng)估。所得結(jié)論可為柔性管接頭的進(jìn)一步設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

1 接頭結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

1.1 復(fù)合材料黏結(jié)型柔性管結(jié)構(gòu)

本文研究的深水復(fù)合材料黏結(jié)型柔性管由3層結(jié)構(gòu)組成：內(nèi)襯層，由內(nèi)徑48 mm、厚度4 mm的PE塑性材料組成；增強(qiáng)層，由8層纏繞角55°、厚度0.25 mm的玻纖維復(fù)合材料組成；外保護(hù)層，由外徑64 mm、厚度2 mm的PE塑性材料組成。復(fù)合材料柔性管結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 復(fù)合材料柔性管結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural schematic of composite flexible pipe

1.2 Wedge-Swaged型接頭設(shè)計(jì)及裝配

Wedge-Swaged型接頭主要由接頭主體(包含內(nèi)套筒和外套筒)、楔形塊、法蘭、密封圈和復(fù)合材料柔性管共同組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—接頭主體；2— 密封圈； 3—楔形塊；4—法蘭； 5—復(fù)合材料柔性管。圖2 Wedge-Swaged型接頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural schematic of Wedge-Swaged end fitting

接頭主體帶有單向平滑鋸齒的內(nèi)套筒，以滿足裝配后的密封和防止柔性管脫落的要求。鋸齒內(nèi)套筒扣壓長(zhǎng)度越長(zhǎng)，越有利于提高接頭的連接強(qiáng)度和密封性能，但長(zhǎng)度增加會(huì)使得鋸齒內(nèi)套筒加工困難，增加制造成本。鋸齒內(nèi)套筒的外徑取決于柔性管內(nèi)徑以及扣壓過盈量?？蹓哼^盈量不足會(huì)導(dǎo)致柔性管內(nèi)流體泄漏以及接頭抗拉能力不夠；扣壓過盈量太大則會(huì)損傷內(nèi)膠層，同時(shí)導(dǎo)致內(nèi)膠層硬化，影響密封性能。為了達(dá)到柔性管的使用要求，需要優(yōu)化鋸齒內(nèi)套筒扣壓長(zhǎng)度以及鋸齒過盈的角度和深度。楔形塊的外套筒帶有與法蘭配合的螺紋，以實(shí)現(xiàn)安裝過程中推動(dòng)楔形塊做軸向運(yùn)動(dòng)，并且楔形塊外套筒的弧度與楔形塊的弧度完全一致，在與楔形塊的配合作用下，提供安裝過程中的預(yù)緊力以及實(shí)現(xiàn)安裝后的密封效果。

楔形塊的設(shè)計(jì)與安裝是Wedge-Swaged型接頭設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。4塊楔形塊在放入接頭主體裝配開始前，互相之間留有間隙，通過擰緊法蘭頂推楔形塊向前運(yùn)動(dòng)，楔形塊在做軸向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)做徑縮運(yùn)動(dòng)，使得接頭對(duì)楔形塊有擠壓作用，進(jìn)而楔形塊又對(duì)柔性管有擠壓作用，最終通過4塊楔形塊的擠壓配合來起到密封效果。同時(shí)，為了使楔形塊能順暢地進(jìn)入接頭內(nèi)部，楔形塊在加工時(shí)要保證內(nèi)、外表面盡量光滑，并且楔形塊的外表面坡度要和接頭主體楔形外套筒的坡度保持一致。安裝時(shí)對(duì)楔形塊內(nèi)、外表面做一定的潤(rùn)滑處理以方便安裝和后期的維護(hù)。為了避免楔形塊因擠壓而損壞，楔形塊不能太薄，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)要求，楔形塊也不能太厚。本設(shè)計(jì)楔形塊最薄處的厚度為1.8 mm，最厚處為10.0 mm。

法蘭對(duì)楔形塊的運(yùn)動(dòng)提供頂推作用。法蘭設(shè)計(jì)有與接頭外套筒配合的螺紋，同時(shí)法蘭內(nèi)徑要與柔性管的外徑一致，以起到與接頭主體緊密結(jié)合和安裝定位的作用。

接頭和復(fù)合材料柔性管的裝配過程如圖3所示。接頭的裝配順序?yàn)閍→b→c→d→e→f。首先將柔性管接頭放置到預(yù)設(shè)位置，將密封圈和法蘭按順序套在柔性管上(見圖3a)；其次將柔性管順鋸齒方向推進(jìn)接頭內(nèi)部，并將密封圈沿柔性管推入到接頭內(nèi)頂端(見圖3b)；然后在接頭內(nèi)部密封圈和法蘭之間依次放入4塊楔形塊(見圖3c和圖3d)；最后將法蘭擰緊與接頭連接，推動(dòng)楔形塊軸向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而提供安裝需要的預(yù)緊力，達(dá)到密封及抗拉的效果(見圖3e和圖3f)。

圖3 接頭裝配示意圖Fig.3 Schematic diagram of end fitting assembly

1.3 Wedge-Swaged型接頭扣壓尺寸計(jì)算

為保證接頭與柔性管的充分接觸，鋸齒內(nèi)套筒與柔性管內(nèi)襯層的扣壓量是關(guān)鍵因素?？蹓毫恐苯佑绊懝芙宇^的連接性能和使用壽命。扣壓深度太大會(huì)導(dǎo)致鋸齒或密封面塑性變形過大，從而導(dǎo)致連接失效或密封失效；扣壓深度太小將導(dǎo)致密封面的接觸應(yīng)力不足，從而導(dǎo)致管柔性管接頭脫落或者油氣泄漏[14]。

接頭鋸齒外形及扣壓示意圖如圖4所示。

圖4 接頭鋸齒外形及扣壓示意圖Fig.4 Schematic diagram of end fitting crimping

柔性管扣壓量計(jì)算式為[15]：

Δ=Tδ+D2-D1+d2-d1

(1)

式中：Δ為柔性管扣壓量，mm；D1為柔性管外徑，mm；D2為配合后的楔形塊內(nèi)徑，mm；d1為接頭內(nèi)套筒外徑，mm；d2為柔性管內(nèi)徑，mm；T為內(nèi)膠厚度，mm；δ為內(nèi)膠壓縮比。

D1、D2、d1、d2、δ及T為常量，因此對(duì)于特定的海洋柔性管和接頭，扣壓量Δ只與內(nèi)膠壓縮比δ相關(guān)。通常，內(nèi)膠壓縮比δ取45%～50%。本文柔性管和接頭尺寸如下：D1=61.6 mm，D2=62.0 mm，d1=50.0 mm，d2=48.0 mm，T=8.0 mm，取δ=45%，代入數(shù)據(jù)可得扣壓量Δ=2 mm，鋸齒的扣壓深度為Δ的，即為1 mm。

2 接頭密封設(shè)計(jì)及密封準(zhǔn)則

2.1 密封設(shè)計(jì)

密封的本質(zhì)是阻止流體泄漏。接觸面間的流體泄漏由流體壓力、流體黏度、接觸壓力、接觸表面紋理及接觸面表面粗糙度等多種因素決定[16-19]。

圖5為接頭泄漏通道示意圖。圖5中箭頭表示泄漏方向。

圖5 接頭泄漏通道示意圖Fig.5 Schematic diagram of end fitting leakage channel

由圖5可以看出，Wedge-Swaged型接頭在使用過程中可能的泄漏通道有2條：第一條泄漏通道是鋸齒與復(fù)合材料柔性管內(nèi)層過盈接觸的位置；第二條泄漏通道是復(fù)合材料柔性管外層和楔形塊以及接頭主體外套筒之間。為了保證管接頭具有良好的密封效果，針對(duì)以上2條泄漏通道采取2種密封方式：針對(duì)第一條泄漏通道，采用鋸齒和柔性管內(nèi)層的過盈配合來實(shí)現(xiàn)密封，是本結(jié)構(gòu)最主要的密封方式，也是本文研究的重點(diǎn)；針對(duì)第二條泄漏通道，采用密封圈密封的方式，原理是安裝完成后楔形塊對(duì)密封圈的軸向作用，使密封圈和接頭主體外套筒內(nèi)壁以及復(fù)合材料柔性管外層形成加壓作用，進(jìn)而阻塞油氣泄漏通道，達(dá)到密封效果。

2.2 密封準(zhǔn)則

在判斷接觸面某處是否發(fā)生泄漏這一問題上，很多學(xué)者提出了不同的密封準(zhǔn)則，目前尚沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[9，20]。泄漏與否的判定通常需要確定臨界密封失效壓力，當(dāng)接觸壓力小于臨界密封失效壓力時(shí)將發(fā)生泄漏。本文采用U.S.FERNANDO等[21]的密封準(zhǔn)則。臨界密封失效壓力計(jì)算式如下：

pc=αpf+(1-α)σY

(2)

式中：pc是臨界密封失效壓力，MPa；pf是介質(zhì)壓力，MPa；σY是兩種接觸材料中較弱材料的屈服應(yīng)力，MPa；α是液體侵入長(zhǎng)度比例。

在實(shí)際工程中，對(duì)于不同表面粗糙度的密封接觸面，即使接觸壓力相同，密封效果也不盡相同。表面越光滑其真實(shí)接觸面積越大，密封性能越好；而且，聚合物材料在長(zhǎng)期應(yīng)用中還會(huì)出現(xiàn)蠕變和應(yīng)力松弛的現(xiàn)象。因此，出于安全考慮，理論上的臨界密封失效壓力需要采用安全系數(shù)n加以調(diào)整。目前相關(guān)研究中大多沒有考慮表面粗糙度及蠕變的影響(相當(dāng)于n=1)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)[9,22]，本文選取安全系數(shù)n=1.4。

Wedge-Swaged型接頭密封分析的關(guān)鍵在于鋸齒的密封效果。當(dāng)接頭內(nèi)套筒與柔性管內(nèi)層的接觸壓力大于臨界密封失效壓力時(shí)，密封良好；反之，密封失效。本研究中柔性管中的流體壓力為32 MPa，接觸面兩側(cè)分別為鋼材料和PE材料，PE材料屈服應(yīng)力為30 MPa，液體侵入長(zhǎng)度為0，代入式(2)中得臨界密封失效壓力為42 MPa。

3 接頭承載力及密封性能校核

3.1 接頭承載力及變形

采用ABAQUS軟件建立800 mm長(zhǎng)的柔性管及接頭有限元模型，模擬3 000 m的水深條件，對(duì)其施加30 MPa外壓、32 MPa內(nèi)壓以及300 kN拉力(考慮柔性管的自重)，考慮鋸齒過盈量為0.9和1.0 mm，楔形塊過盈量為0.0、0.1及0.2 mm等幾種組合工況，對(duì)接頭的承載力和密封性能進(jìn)行分析，其有限元分析的本質(zhì)是彈塑性接觸問題[23]。柔性管各層和接頭的Mises應(yīng)力失效判斷標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 各部件失效判斷標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Failure judgment standards of each component

在各模擬工況下，接頭和柔性管各組件的應(yīng)力和伸長(zhǎng)量如表2～表4所示。圖6為鋸齒過盈量1.0 mm、楔形塊過盈量0.2 mm時(shí)接頭和柔性管各組件的應(yīng)力云圖。

表2 不同過盈量對(duì)接頭主體等效應(yīng)力和伸長(zhǎng)量的影響Table 2 The influence of different interference on the equivalent stress and elongation of the main body of the end fitting

表3 不同過盈量對(duì)楔形塊及法蘭裝配整體等效應(yīng)力和伸長(zhǎng)量的影響Table 3 The influence of different interferences on the equivalent stress and elongation of the wedge block and flange assembly

表4 不同過盈量對(duì)柔性管等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力的影響Table 4 The influence of different interference on the equivalent stress and contact stress of flexible pipe

3.2 接頭承載力性能校核

研究發(fā)現(xiàn)Wedge-Swaged型接頭端部主體部分的最大等效應(yīng)力為341.2 MPa(見表2)，沒有超過屈服應(yīng)力值355 MPa。楔形塊及法蘭裝配整體部分的最大等效應(yīng)力為143.9 MPa(見表3)，沒有超過屈服應(yīng)力值355 MPa。同樣由表2可以發(fā)現(xiàn)，無論是鋸齒過盈還是楔形塊過盈，隨著過盈量的增大，接頭主體部分的最大等效應(yīng)力也相應(yīng)增大。由表3可以看出：隨著楔形塊過盈量的增大，楔形塊及法蘭裝配整體部分的最大等效應(yīng)力也相應(yīng)增大；而隨著鋸齒過盈量的增大，楔形塊及法蘭裝配整體部分的最大Mises應(yīng)力變化不明顯。

圖6 接頭和柔性管各組件應(yīng)力云圖Fig.6 Stress diagram of end fitting and flexible pipe components

由表4可見：柔性管內(nèi)層及外層的等效應(yīng)力均為29.48 MPa，沒有超過屈服應(yīng)力值30 MPa；而且柔性管增強(qiáng)層徑向應(yīng)力隨著過盈量的改變，其變化不明顯，最小值為306.1 MPa，最大值為306.2 MPa，遠(yuǎn)小于柔性管增強(qiáng)層的最大徑向應(yīng)力的失效標(biāo)準(zhǔn)820 MPa。

為了判斷接頭與柔性管是否脫落，分析了接頭和柔性管內(nèi)層接觸的不同位置(到接頭內(nèi)根部的距離)的伸長(zhǎng)量，如圖7所示。由圖7可以看出：柔性管離接頭內(nèi)根部越近，伸長(zhǎng)量越?。环粗? 柔性管離接頭內(nèi)根部越遠(yuǎn)，伸長(zhǎng)量越大；靠近接頭內(nèi)根部位置的柔性管伸長(zhǎng)量為0，靠近接頭末端位置的柔性管伸長(zhǎng)量為4.3 mm。因此，可以判斷柔性管接頭沒有脫落。

圖7 柔性管內(nèi)層測(cè)量點(diǎn)與對(duì)應(yīng)伸長(zhǎng)量Fig.7 Measurement points and corresponding elongation of the inner layer of the flexible pipe

3.3 接頭密封性能校核

由表4可知，當(dāng)鋸齒過盈量為0.9 mm、楔形塊過盈量為0.2 mm時(shí)，柔性管內(nèi)層和接頭鋸齒接觸面的接觸應(yīng)力最小，應(yīng)力為52.18 MPa，仍大于密封準(zhǔn)則計(jì)算的42 MPa的臨界密封壓力，可以認(rèn)為第一道密封效果良好。同樣研究發(fā)現(xiàn)，無論是鋸齒過盈還是楔形塊過盈，隨著過盈量的增大，接觸應(yīng)力也相應(yīng)增大。本設(shè)計(jì)還采用橡膠密封圈密封第二條泄漏通道，兩項(xiàng)密封措施保證了柔性管接頭的密封效果。

通過對(duì)模擬組合工況下接頭和柔性管進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)鋸齒過盈和楔形塊過盈的合理確定對(duì)接頭和柔性管的承載性能和密封性能有重要影響。綜合考慮，本設(shè)計(jì)的最優(yōu)過盈量為：鋸齒過盈量1.0 mm，楔形塊過盈量0.2 mm。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

(1)本文設(shè)計(jì)了一種適合于深水復(fù)合材料柔性管的Wedge-Swaged型接頭，在水深3 000 m的環(huán)境下，針對(duì)不同工況對(duì)接頭進(jìn)行了有限元分析，Wedge-Swaged型接頭滿足承載性能和密封性能要求，并且接頭與柔性管連接不脫落。

(2)鋸齒過盈和楔形塊過盈的合理確定對(duì)接頭和柔性管的承載性能和密封性能有重要影響。無論是鋸齒過盈還是楔形塊過盈，隨著過盈量的增大，接頭主體部分的最大等效應(yīng)力和柔性管內(nèi)層的接觸應(yīng)力都相應(yīng)增大；楔形塊及法蘭裝配整體部分的最大等效應(yīng)力只隨著楔形塊過盈量的增大而增大，受鋸齒過盈量變化的影響不大。

(3)本設(shè)計(jì)的最優(yōu)過盈量為鋸齒過盈量1.0 mm，楔形塊過盈量0.2 mm。本設(shè)計(jì)提出的Wedge-Swaged型接頭還有很大的優(yōu)化空間，鋸齒粗糙程度、鋸齒扣壓角度、鋸齒扣壓深度及楔形塊坡度等的優(yōu)化將是下一步的研究工作。