135/8-10M卡爪式水下液压连接器国产化研制

在分析国内外技术现状的基础上,详细说明宝鸡石油机械有限责任公司研制的135/8-10M卡爪式水下液压连接器的总体结构、技术参数和有限元分析结果,介绍样机制造和试验情况,并对卡爪式水下液压连接器的结构特点进行总结。该卡爪式水下液压连接器具有液压锁紧和多重解锁、位置指示、型面自锁、垫环固位和更换等功能,产品通过挪威船级社(DNV)和中国船级社(CCS)双认证,并取得API 17D证书,开展与用户设备的现场联调测试,有力推动水下油气装备关键部件的国产化。

水下跨接管连接器选型设计研究

跨接管两端携带连接器,广泛用于海洋油气田水下设备之间的连接,可以采用水平或者垂直连接方式。常用的水下跨接管连接器主要是机械式套筒连接器、液压式套筒连接器,以及夹钳连接器。机械式套筒连接器结构紧凑,安装完毕,海底不留任何液压部件,但是安装时需要采用接头作动工具。液压式套筒连接器集成了全部液压操作功能,不再需要其他作动工具。夹钳连接器采用分离式闭合夹紧设计,特别适合于大口径、低压管线和立管的水平跨接。不同的连接器,以及相同的连接器在不同位置的安装,其安装流程不同、需要的配套工具也不相同。跨接管连接器选型原则主要考虑因素包括管径、连接方式和安装工具。

深水海底管道套筒连接器设计与分析

套筒连接器用于水下生产系统海底管道末端连接,采用远程操作工具遥控安装,解决了深水高压密封和无潜快速安装的难题.论文建立了接触数学模型,通过有限元对连接器模型进行接触分析,得到接触特性,研究预紧载荷与垫片轴向载荷的关系.给出了套筒连接器系统整体方案,设计了套筒连接器,采用套筒、卡爪、高颈和透镜垫结构,利用套筒径向预紧实现透镜垫轴向密封.进行打压试验,实现65MPa高压密封,表明套筒连接器密封性能安全可靠,结构设计合理,验证了有限元模型的正确性.

水下采油树跨接管接头的传热计算与保温分析

水下采油树和跨接管之间需要专用接头进行连接,其中以套筒式接头最为常见。在水下进行接头安装时,持续的热量交换会导致接头在停机条件下持续降温,因此必须预先评估相关的温度分布和热量传递问题,提高水下采油树系统的流动安全水平。根据水下油气开发的要求,结合已有经验,在水下采油树套筒式跨接管接头结构设计的基础上,采用耦合传热的数值模拟方法,对未进行保温的套筒式接头进行了模拟分析,并完成了包含保温腔的套筒式接头的传热计算;最后基于变物性的分析方法,对含有保温腔的套筒式接头进行了内流场分析。计算表明:没有保温措施的套筒式接头会产生局部过冷问题,所设计的保温腔能大幅度改善接头的整体保温效果,满足水下采油树8h保温的基本要求。用耦合传热数值模拟方法分析水下采油树系统的传热与保温理论可行,结果可靠。

深水水平套筒式连接器定位安装技术

针对水平套筒式连接器安装定位对ROV动力要求高、操作繁琐、安装难度大、定位不精确等问题,提出了一种新型深水水平套筒式连接器定位方法及其相关连接器和安装工具的定位结构。采用导向锥、定位锥及滑轨相配合的定位机构,保证了水平连接器的轴向及水平位置的准确性。制定了水平套筒式连接器的新型定位安装方案,能准确有效地完成连接器的安装。

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。

深水液压卡爪式法兰连接器的设计

海洋油气资源丰富,全球44%的海上油气资源储存在深水海域。因低温高压深海环境,加上复杂的地理、地质情况,所以开发难度很大。针对3000m水深油田开发中海底管道回接中无人刚性管道连接难题,充分研究国外大公司的网站资源及国外专利,提出ROV辅助作业的三种12英寸液压卡爪式法兰连接器的结构设计方案,三种方案在功能结构上均有新颖之处,选取最佳方案并进行了管道强度和稳定性计算、卡爪和法兰危险截面的强度计算,证明结构是可靠的。所设计的连接器将为结构可靠性及控制方面的深入研究奠定基础,是深水管道回接关键技术中的重要环节。

卡爪式水下连接器的设计与仿真分析

水下生产系统已成为深水油气田开发的一种主流模式,而水下连接器是构建完整的水下生产系统必不可缺的重要一环。介绍了水下连接器的种类及卡爪式连接器的优势,阐述了卡爪式水下连接器的结构及工作原理,并基于SolidWorks/Motion进行了仿真分析,通过仿真分析验证了设计的正确性与合理性。为进一步研究与开发水下连接系统奠定了坚实的基础。

特殊密封面O形圈非标密封槽结构研究

针对恶劣环境下卡爪式水下连接器工作可靠性问题,对连接器的环境外压密封性能进行研究。通过对现有连接器金属密封圈上O形密封圈沟槽进行分析,指出原标准密封槽的改进方向,即对O形密封圈提供很好固定且有一定容纳空间。在现有标准密封槽基础上,提出一种特殊密封面O形圈非标密封槽结构,根据设计的沟槽参数,对O形圈的密封性能进行理论计算,验证了非标沟槽的可行性。最后对具有非标密封槽的金属密封圈进行外密封性能试验研究,验证了该非标密封槽在正常工作环境及恶劣工作环境下的外密封性能。

套筒式海底管道连接器力学性能分析

通过SolidWorks建立了套筒式连接器的三维模型,并将该模型导入ABAQUS分析了其在外压及内压荷载下的力学性能。实际工况为工作内为34.5 MPa,工作水深1500 m,本文分析了在该工况下套筒式连接器对中、锁紧机构在执行过程中的应力分布情形,同时分析了卡爪与驱动环之间的自锁情况。文章同时对连接器在内压荷载及外压荷载下的密封性能进行了重点分析,具体研究了卡爪和密封圈在设定工况下的应力分布并进一步导出其应力云图、位移云图。通过上述分析可知,该型套筒式连接器选材、设计参数合理,可有效保证连接和密封性能的可靠性,并具有一定的安全冗余度。

水下卡爪连接器对接过程仿真分析

卡爪连接器是水下生产系统中一种重要连接装置,是实现管道最终连接的关键。机械本体结构是整个机构的载体,根据其自动、可靠等特点,应用Pro/E对关键结构进行了设计。

水下多功能快速接头弹性夹头的有限元分析

弹性夹头是水下多功能快速接头的重要零件,其关系到水下油气生产系统的可靠性。采用ANSYS Workbench有限元分析软件计算得出弹性夹头在被推入和脱离芯轴过程中的应力、位移、反作用力状态,证明了弹性夹头的最大应力小于材料的屈服强度,并分析得出连接和断开水下多功能快速接头时需要提供的推力和拉力,为ROV的选型提供了依据。

水下卡爪式连接器安装工具设计研究

在海洋石油管线连接中多采用卡爪式连接等机械连接方式,针对此类连接器的安装与维护,设计了一套水下卡爪式连接器安装工具。对此安装工具进行了机械结构的设计,并将其工作过程分为下放、软着陆、加载、二次锁紧、回收五个步骤,将安装工具各部件在工作过程中的作用进行了介绍。针对安装工具关键受力部件在工作过程中受力变化的问题,采用分步分析的方法,找出各个部件在工作过程中受力最大的步骤,建立模型,找出各个部件的受力位置并对其施加约束,从而进行有限元分析,得到各个部件的应力及应变。将数据与其所用材料Q345-D的力学性能相比,完全符合设备的工作要求。

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。

深水套筒式连接器性能测试方法研究

在对连接器工作环境、试验条件以及性能进行深入分析的基础上,提出了一整套深水套筒式连接器的测试方法,包括合格性测试、无损检测、载荷测试、工厂验收试验、扩展工厂验收试验及系统完整性试验等,对深水套筒式连接器的研究制造具有重要意义。

卡爪式连接装置在水下石油管道连接中的应用

本文通过对卡爪式连接装置关键部件介绍,和对卡爪式连接装置在水下石油管道连接中应用情况阐述,指出卡爪式连接装置存在的问题,为卡爪式连接装置进一步优化设计提供参考。

卡爪连接器卡爪周向定位及运动稳定性研究

卡爪与驱动环的配合角度决定着锁紧后卡爪和驱动环能否实现自锁。在介绍卡爪运动部件工作原理的基础上,对卡爪与驱动环的配合角度和卡爪周向定位机构进行了研究,采用NX8.5软件建立了卡爪三维模型并导入ADAMS软件中进行运动仿真,同时根据仿真曲线分析了卡爪的运动特性。分析结果表明:为了实现深水卡爪连接器的自锁,卡爪与驱动环的配合角度为3°;通过对比有、无周向定位机构时卡爪张开角度、质心位移和周向转动角度曲线,证明卡爪周向定位机构能够保证卡爪周向定位,并能有效提高卡爪运动的稳定性。所得结论可为深水卡爪连接器的密封设计提供参考。

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。

深水卡爪连接器防松机构研究及试验分析

针对深水卡爪连接器在工作时受到外界环境干扰造成的松动问题,本文设计了新型非螺纹防松机构。根据深水卡爪连接器密封结构特点,对防松机构受力特性进行分析,找出影响锁紧效率的主要因素,确定了卡爪连接器防松机构2个锁紧配合的角度。对卡爪连接器密封结构力学进行受力分析,得出卡爪连接器对拉力载荷的承载能力,计算出防松机构增益系数及防松力。通过运动性能试验,验证了防松压块及解锁压块与防松滑块之间的运动关系;通过等效受载试验,验证了防松机构在外载下具有良好的防松性能。研制的防松机构已经在我国南海水下320 m进行了示范应用,有重要的理论意义和推广价值。

立式卡爪深水连接器的国产化应用可行性分析

为促进国产立式卡爪深水连接器从科学研究阶段推广到实际应用,论文基于国内研发的6吋深水立式卡爪水下连接器及安装工具的技术参数,分析连接器系统对使用环境和生产流体的适应性、可操作性和稳定性.经过对比分析,本连接器可满足南海2000米内水深油气田开发环境使用要求,材料抗腐蚀性能满足高含水、硫化氢和二氧化等碳腐蚀介质使用工况.同时依据工厂测试、码头测试以及海上安装测试结果,证明本连接器在密封性能及安装工具执行机构在可操作性和稳定性方面可满足实际项目应用要求.参照国外同类型连接器产品在南海油气田开发项目多年应用经验,国内研发的6吋深水立式卡爪水下连接器完全具备和国外产品同样的技术性能,在项目中值得推广应用.