海底管道修复用三通连接器的设计

海底管道修复用三通连接器的设计
海底石油管道快速修复技术是保证海水油气正常生产的一项重要课题，海底管道修复用三通连接器是海底管道修复的关键部件。

文章介绍了海底管道修复用三通连接器的结构原理和使用特点，并采用有限元分析软件模拟仿真三通连接器在使用状况下金属密封件的密封状态。

按照API标准的要求，设计出了用于海底管道修复用的三通连接器。

标签：海底管道修复三通；有限元；静水压
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长迅速，海洋石油将成为世界油气产量增长的源泉。

海底管道的建设维护是海洋石油开发过程中最重要的环节之一，随着服役年限的增加，海管内部会受到油气载荷、内部介质腐蚀影响，外部受到风暴、海浪、潮汐、船舶等附加载荷，以及海水腐蚀、砂流磨损等影响从而造成管道损坏。

一段管道泄漏，将产生停输、停产而造成巨大经济损失，因此促进了海管不停输修复技术的研究和技术发展。

海底管道一旦发生泄漏必须尽快完成修复，以减少损失并降低环境污染。

由于水下作业环境复杂，目前广泛应用于陆地管道修复的技术很难在水下实现，而传统焊接、法兰连接、螺紋连接等修复技术的周期长且修复质量不高，工序复杂等特点，造成很难实现管道的快速、可靠的修复。

海底管道修复三通的设计就是为了解决这一难题，海底管道修复三通对修复管道形成永久密封能力，采用标准的氟橡胶件，由外部两个液压缸驱动卡爪合拢，通过液压驱动螺栓施加预紧力实现密封，并采用阴极保护的措施防止海水对卡爪的腐蚀，可实现快速、可靠、不停输的海底管道修复技术。

1 海管修复用三通连接器的工作原理
笔者所在公司开发的海管修复三通采用螺栓连接形式，不涉及焊接工艺，从而避免了水下焊接的质量风险和安全风险。

在海底管线泄漏部位，使用管道修复三通连接器即液压夹具维修，以达到封堵泄漏源修复管道泄漏目的，主要用于小漏点（如裂纹、腐蚀穿孔等）管道的临时封堵和永久性维修。

这种维修方法要求管道上待维修管段的变形应在液压夹具的精度允许范围之内。

图1是无潜水辅助的应用于深海小漏点封堵维修的海底管道修复三通连接器，采用这种修复方法方便快捷、费用低。

海底管道修复三通连接器采用特殊的锥面卡位设计，使三通的内表面与海管紧紧贴合，使修复三通紧紧的固定在海底管道的特定位置，不会发生转动和轴向移动。

海管修复三通的俯视剖面图和侧视图如图2所示。

机械三通由前后两个半瓦构成，后半瓦上配有焊颈法兰，可与球阀或夹板阀连接；后半瓦与前半瓦通过液压铰链连接在一起；安装到海底管道指定位置后，通过液压将前后瓦闭合到管道上，张力预紧器预紧轴向螺栓和径向螺栓后，即可实现海底管道修复三通与海管的紧固与密封。

在三通内部，两片半瓦内的两端分别设计了两个带齿的锥形卡瓦，当螺栓预紧后，卡瓦的内外锥齿面的牙齿咬合产生楔紧力，使卡瓦内齿牢牢抱紧海管，达到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，夹具的密封装置由配对的两瓣间的模铸弹性端面密封件与管道四周的模铸环向封隔器组成。

当前后瓦螺栓预紧后，两瓣关闭压缩端面，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；通过预紧法兰两端的螺栓，夹具传递推力载荷，压缩封隔器，在管道四周形成一个高致密压力腔，密封条即可实现对三通内部进行有效的密封。

三通安装完成后，可以通过测试口测试海底管道修复三通连接器的密封性能。

三通上面装有阳极块，外表面进行涂层处理防止海水腐蚀。

海底管道修复三通的主要参数如下：
规格：28英寸
总长：3.4米
工作温度：-18℃～121℃
额定工作压力：900Lb
驱动器控制压力：2000Psi
工作水深：500米
海底管道修复三通的主要特点：
（1）特殊的锥形卡瓦设计保证，三通与海管在安装过程中牢固贴紧。

（2）固定和密封同时进行，实现快速安装。

（3）采用内部密封方式减少压力载荷。

（4）满足NACE工况要求。

2 海底管道修复三通连接器的结构设计
2.1 防止翻转计算
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）
開孔机水平安装时是防止反倒的极限状况，根据力矩平衡原理：
F=GL （2）
由（1）和（2）式求得：N=2253520N
为了防止管道转动，卡瓦对管道的压力最小为N，同时压力也不能过大，会压溃海管。

2.2 前后瓦连接螺栓的计算
前后两瓣瓦是通过16个螺栓连接起来，阀腔对前后瓦分开的压力为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）
每个螺栓承受的力Q，螺栓数量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 卡瓦受力的计算
半卡瓦的受力分析如图3所示，图中R为上半卡瓦与端面法兰的正压力，P 为需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轴方向和Y轴方向建立平衡方程求得：
R==1268317N （7）
P=+R（fcos？琢+sin？琢）=781578N （8）
2.4 端面法兰螺栓力的计算
海底管道修复三通连接器两端半卡瓦与前后两半瓦采用螺栓连接，使卡瓦产生轴向力推动法兰，从而使半卡瓦锥面上产生楔紧力，使卡瓦内表面与主管道表面咬合，同时挤压密封圈，同时实现海管与三通的固定和密封。

端面半片法兰与半卡瓦采用10个螺栓连接，在试验压力W=22.5MPa下产生的轴向力H
H=WD2=8903666N （9）
每个螺栓上承受的力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 海底管道修复三通连接器主要零件的有限元分析
3.1 本体的静水压计算
阀体的工作载荷为15Mpa，按照API 6A本体试验条件[5]，试验压力为22.5MPa。

阀体材料选用ANSI 8630M，屈服强度为552MPa，抗拉强度为690MPa，用有限元进行分析计算，采用2阶的四面体单元，本体为对称结构，因此取本体的一段进行划分网格，并在局部区域进行了网格细分，单元数为78489，节点数为117624，自由度为342996，见图4。

按照API 6A变形能理论，SE≤SY
SE-V on Mises理论方法计算的在压力容器壁内最高应力处的最大许用应力当量；SY-材料规定的最小屈服强度。

软件分析计算的V on Mises应力如图5所示，最大V on Mises应力为117.2MPa，小于材料的屈服强度552MPa，阀腔中心红色区域为局部结构不连续区域，产生了应力集中，本体应力强度满足要求。

3.2 卡瓦与端面法兰的计算
卡瓦是海底管道修复三通连接器的重要部件，它由固定管道和密封管道的双重作用。

设计卡瓦时，应正确确定各部分尺寸，保证卡瓦有足够的轴向力和有效行程，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，卡瓦内齿采用渗氮工艺，加强硬度，用有限元进行分析计算，采用2阶的四面体单元，并在局部区域进行了网格细分，单元数为94533，节点数为140133，自由度为352996，见图6。

软件分析计算的V on Mises应力如图7所示，最大V on Mises应力为665MPa，为卡瓦的变形槽根部，此处为应力集中区，小于材料的抗拉强度690MPa。

卡瓦应力满足API 6A设计要求。

4 试验
结合API 17D、API 6A和API 6H，海底管道修复三通连接器的测试需要通过以下试验来验证其符合使用要求：
（1）性能验证试验
海底管道修复三通连接器以及气驱动器必须完成下列测试
同时还需要进行，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
出厂试验需要检测的项目有目视检验、尺寸检验、无损检验、本体静水压试验、气密封试验。

（3）整体集成试验
在完成性能试验和出厂试验后，需要将管道和连接器进行连接，模拟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 结束语
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连接器，通过本体和卡瓦的理论计算、有限元分析，设计的水下海底管道修复用三通连接器满足API标准的相关强度要求。

参考文献：
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