海底管道水下连接器技术综述

随着石油天然气能源开发逐步向海洋发展,海底管线作为海底石油天然气生产运输的重要枢纽,其安全性越来越受到关注。采用水下管道连接器是目前国际上快速连接和修复海底管道的主要方法。基于此,综述了国内外水下连接器的发展现状,分析了各类水下连接器的优缺点,并对其未来发展进行展望。

基于显式算法的水下连接器密封圈碰撞分析

文章介绍了水下连接器密封圈碰撞分析的意义和方法。在显式算法及有限元理论的基础上,研究出一套使用有限元分析软件ANSYS Workbench的Explicit Dynamics模块对水下连接器密封圈碰撞过程的分析计算方法。并具体介绍了分析过程中建立三维模型、设置材料属性、划分网格、设置边界条件和碰撞参数的方法。对分析计算结果进行了详细分析,得到了对接临界速度值,为卡箍式水下连接器对接速度的选择提供了理论依据。

摩擦螺柱焊在水下连接领域的发展与应用

摩擦螺柱焊是摩擦焊技术的的一种,在焊接过程中,焊机带动螺柱旋转并轴向进给,当旋转螺柱与基板接触时开始摩擦剪切过程,并对基板上的接触部位加热,摩擦过程持续一小段时间后螺柱停转,然后维持或增大压力进行顶锻完成焊接。国外试验研究表明该技术在水下环境亦能获得较好的连接质量,因而在水下牺牲阳极等非重要钢结构物的连接方面具有巨大的应用潜力。国内应该优先结合海洋石油工业的实际发展需求,尽快开展相应的应用基础研究工作。

深水水下连接器的对比与选择

水下连接器的选择是水下生产系统设计的关键技术。把国外深水水下连接器产品分为3类,对比分析得到每一类连接器的特点和适用性。指出在水下连接器的选择中需要考虑的要点。介绍了Gemini气田水下生产系统中连接器的选择过程。

水下连接器性能鉴定试验技术研究

深水油田的开发对水下连接器的可靠性提出了更高的要求。性能鉴定试验是检验和保证水下连接器产品的性能和可靠性的重要手段。介绍了国际标准中对于新技术的定义、分级及合格性鉴定的要求和流程,对水下连接器测试应遵循的标准进行了分析。总结了水下连接器性能鉴定试验需要进行的试验内容以及标准中对于各项试验的具体要求。指出我国应加强性能鉴定试验程序体系及试验支撑条件的建设,以促进水下连接器及相关产品的研发。

卡爪式水下连接器ROV作业接口技术研究

在进行深水水下连接器的安装、维护和维修作业时,由于水深超出了潜水员安全作业的范围,需要采用远程遥控机器人(ROV)、使用相应的水下操作工具。因此,连接器及其操作工具上应设计合理的ROV操作接口。以在深水中应用最广泛的卡爪式水下连接器为例,分析了需要ROV执行的水下作业内容及所需的作业工具。总结了ROV水下作业时的固定方式、操作接口位置布置、操作空间要求及操作接口形式,结合卡爪式水下连接器的特点,推荐了其ROV操作接口的设计方法。

锁块式水下连接器技术研究及发展趋势

海洋水下连接器是保证水下操作安全、远程操控自动连接或脱离的关键技术设备。介绍了海洋水下连接器技术发展现状,重点针对GE Vetco Gray公司的H4连接器及Dril-Quip公司生产的DX系列连接器的功能原理、结构特点及性能参数进行对比分析,最后提出了锁块式连接器的发展趋势:采用应急解锁技术使结构更加可靠;采用水合物抑制技术使操作更加安全;安装方式、控制方式更加自动、快捷;工作水深不断增加,压力等级不断提高。

基于Gamma过程的水下连接器密封性能退化随机模型

水下连接器服役期间密封性能退化现象客观存在,为准确获得不同时刻连接器的密封性能指标,考虑密封面接触应力和有效接触长度对水下连接器密封性能的影响,以密封接触强度为连接器密封性能评价指标,建立连接器密封性能有限元分析模型,结合Norsok腐蚀速率预测模型,获得不同时刻连接器密封接触强度指标。以此作为密封性能退化数据,根据密封性能退化过程随机性与不可逆性特点,采用Gamma过程建立连接器密封性能退化随机模型,形成水下连接器密封性能退化模型建模新方法。

油气压力随机波动下水下连接器密封特性对比

为获得油气压力随机波动下具有不同密封结构的水下连接器的密封特性,以透镜式密封结构和VX钢圈密封结构连接器为研究对象,建立了油气压力的随机波动模型,以密封面最大接触应力、有效接触宽度和密封件回弹量为密封性能指标,采用有限元方法对比分析了不同连接器的密封特性。分析结果表明:在考虑油气压力随机波动时,透镜式密封结构的最大接触应力、接触宽度和回弹量的均值及方差均高于VX钢圈密封结构的对应值;在油气压力随机波动下,透镜式密封结构密封性能优于VX钢圈密封结构; VX钢圈密封结构在密封面有效接触宽度和密封件回弹量指标方面具有更好的统计稳定性。所得结论可为水下生产连接器的优化设计及现场应用提供参考。

卡爪式水下连接器承载能力分析

针对卡爪式水下连接器工作环境十分恶劣、外界干扰因素较多、会受到拉、压、弯、扭等外力的作用的问题,建立了连接器的模型,对各种受力状态进行了分析,提出了连接器在各种状态下的最大承载能力的计算方法。连接器对拉力的承载能力通过确定卡爪的危险截面及伸长量进行分析;连接器对压力的承载能力取决于两法兰之间的预留距离,通过计算卡爪的最大压缩量进行分析;连接器对弯矩的承载能力以距法兰中线最远的卡爪受力为准,根据倾覆力矩对连接器进行弯矩分析;连接器对扭矩的承载能力是由连接器内部卡爪与法兰之间的摩擦力决定的,在不同工况下,根据卡爪对法兰的正压力的变化,可以得到不同的结果。通过对卡爪式连接器的受力状态分析得到的连接器承载能力,对于国内类似水下机械式连接器的发展有一个很好的借鉴作用。

水下连接器固定螺栓疲劳分析

针对固定水下连接器的螺栓,考虑开关井循环载荷、涡激振动、段塞流振动作用在连接器固定端的载荷,通过对连接器、螺栓、水下结构整体进行有限元分析,获得螺栓在各种工况下的应力范围,再基于Palmgren-Miner线性疲劳累积损伤准则进行螺栓的疲劳分析。研究成果对水下设施用螺栓的疲劳分析有一定的借鉴意义。

水下连接器外载荷试验台加载极限承载能力分析

水下连接器作为连接海底石油管道的重要部件,其强度要求十分重要,为了测试水下连接器的可靠性,研制大型连接器外载荷试验台和验证其承载能力是非常重要的。连接器试验台要能够对连接器进行拉力、压力、弯矩和扭矩测试,利用UG三维建模软件建立试验台的模型,利用有限元分析ANSYS软件得出试验台在不同极限载荷下的应力及应变分布,分析了结构的强度和刚度是否满足设计要求。研究结果表明,试验台在极限承载状态受力均在安全范围,而应变稍大,但考虑试验台尺寸很大,变形也是在可接受范围内。

水下连接器结构可靠性分析

水下连接器是水下生产系统的重要组成部分,它的可靠性直接影响着水下生产系统的可靠运行。因此,为了保障水下连接器的安全运行,开展了基于故障树模型的水下连接器可靠性分析。通过构型分析及简化,确定连接器结构研究对象。基于连接器结构分析和失效模式分析建立故障树,通过故障树定量分析得到了连接器结构可靠度、平均无故障时间以及可靠寿命等可靠性指标。求解了连接器各部件重要度。结果表明:相同工作环境下,底座下接头比卡爪上接头和防松结构可靠度更高,不容易失效。卡爪上接头关键重要度最高,是水下连接器结构的薄弱环节,应重点维护。

基于动态贝叶斯网络的水下连接器故障诊断

为进行垂直卡爪式水下连接器机械结构故障诊断及失效预测,提出一种3层动态贝叶斯网络的垂直卡爪式水下连接器故障诊断方法。针对垂直卡爪式水下连接器常见部位(卡爪、密封圈和驱动环)及失效方式,利用动态贝叶斯网络模拟材料状态随时间的退化,采用专家打分法获得连接器部件的失效数据,从而确定故障层状态的先验概率与故障发生后症状层状态的条件概率,并利用GeNle软件求解动态贝叶斯网络。结果表明:根据观测到的症状层状态,能够得到3种关键部件的后验失效概率变化趋势,并确定故障部件。

含腐蚀缺陷的水下连接器密封圈性能分析

密封性能是水下连接器的设计难点,实现密封的核心部件是金属密封圈。为了分析腐蚀对金属密封圈密封性能的影响,利用SolidWorks建立含有腐蚀缺陷密封圈的水下连接器三维仿真模型,导入ABAQUS进行有限元分析,得到连接器在不同工况下的密封圈应力云图,进而可以得到连接器临界密封功能失效状态。只有当预紧力足够大,使得密圈接触表面发生合理塑性变形时,连接器才能满足密封要求。当介质压力增加时,为了保证连接器的密封性能,最小预紧力需要相应增加;连接器密封性能随密封圈腐蚀程度的加深,会明显降低。

水下连接器金属密封圈裂纹故障对密封性能的影响

密封圈是水下连接器上的全金属结构,其性能优劣将影响连接器密封功能的实现。为保证密封圈的性能,需要进行裂纹故障对其性能影响的研究。根据水下连接器的两种工作状态,利用ABAQUS有限元法对无裂纹密封圈进行强度计算,通过最大等效应力结果与最大等效塑性应变结果找到易产生裂纹的区域;之后在该区域预置了不同深度、位置、角度的裂纹,探讨了三个因素对密封圈密封性能和结构性能的影响。结果表明:水下连接器金属密封圈在工作时,与毂座的接触面为应力集中区域,处于塑性变形状态,容易产生横向裂纹;裂纹前期对密封圈密封性能影响不大,但使得密封圈结构性能变差,长期使用会导致裂纹扩展,从而使结构断裂,密封发生失效。

水下连接器密封结构设计参数灵敏性分析

分析了卡爪式水下连接器密封结构的接触载荷和设计参数之间的关系,通过求解压缩量与接触载荷的理论关系方程,获得接触载荷与设计参数变量的显式表达式。以压缩量、密封面倾斜角、密封环圆弧曲率、中径高、密封环弹性模量等5个设计参数为自变量,分析参数变化对接触载荷的影响。基于正交设计方法,获得了各参数的灵敏度衡量值,并对各参数的影响大小进行排序。研究结果表明,在同一压缩量情况下,接触载荷随密封环圆弧曲率的增大而增大,随弹性模量增大而增大,但随密封面倾斜角的增大而减小,随中径高的增大在逐渐减小。相对于接触载荷,压缩量对其影响最敏感,中径高次之,最不敏感的是密封接触面倾斜角。

水下连接器故障分析及预防

介绍了海洋石油钻井设备水下连接器,以H-4型水下连接器在现场使用中出现的故障现象为例,通过对H-4型水下连接器的结构原理的分析,分析在现场使用连接器发生脱不开故障的原因,并根据原因介绍了其预防的措施;旨在为海洋浮式钻井平台现场使用水下连接器作业提供借鉴和指导作用。

基于Kriging插值水下连接器密封性能预测模型

水下连接器是整个生产系统的关键节点,其密封一旦失效后果不堪设想,因此有必要对连接器进行可靠性评价,为水下生产系统工作稳定、安全可靠提供依据。水下连接器工作环境较为复杂,影响其密封性能退化因素较多,故以密封件接触应力强度作为水下连接器密封性能评价指标,通过敏感度分析方法,找到影响密封件接触应力强度的主要因素是工作内压、工作时间和位移载荷这3个随机变量。为了进一步确定这3个随机变量与接触应力强度之间的关系,开展连接器密封性能预测模型的研究。使用试验设计方法随机抽取工作内压、工作时间、位移载荷这3个随机变量数据,将这些数据代入Abaqus软件中进行有限元分析,得出相对应的密封接触应力强度值,然后使用Kriging模型将这3个变量与接触应力强度之间的关系进行拟合,得到密封性能与影响因素间的响应关系,实现对水下连接器性能退化的预测。

水下连接系统测试验证关键技术及衡准研究

水下连接系统包括水下连接器及其安装工具。水下连接器主要用于连接跨接管和水下设备（管汇、采油树、PLET、PLEM等）的一种快速连接接头,是水下跨接系统的重要组成部分。国外FMC、Cameron、Oil States等公司的连接器及其配套工具技术成熟,且拥有一套完整的测试验证技术。国内连接器及配套工具的研究起步较晚,且未全面投入使用,其相应的完整的测试验证技术还不完善。