深水管道内封堵器锚定机构设计与研究

尚宪朝，吕成坤，钟朝廷，张岚，彭小佳，王立权，刘铜

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津300461;2.哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150001)

0 前言

2010年4月20日，BP公司在美国墨西哥湾租用的“Deepwater Horizon”钻井平台爆炸并起火，导致约500万桶原油泄漏，损失大约200亿美元。墨西哥湾漏油事件严重冲击了美国经济，而且严重破坏了墨西哥湾的生态坏境［1－2］。这一事件使人们意识到了海洋工程中应急抢修技术的重要性，必须要对其投入足够的技术力量进行深入研究，并对可能出现的状况研发出具有针对性的、操作方便快捷、安全可靠的应急抢修装备。

在20世纪中期，美国等海洋资源勘探开发大国开始研究水下管道系统维修技术和机具。到了20世纪70年代，海洋有着丰富的油气资源，国外一些海洋工程公司相继开展了深水管线的应急抢修技术的研究，并开发相应装备［3］。我国有丰富的海洋资源，近年也研发了相应设备，但是我国的技术和设备与国外有着很大的差距。

为了适应我国海洋油气工程的发展，提高水下应急抢修技术与装备的水平，打破国外技术壁垒的限制，我国在十二五重大专项中提出了应急抢修技术与装备的研究目标，深水管道内封堵器的研制是其中一项重要任务，不仅是为了满足我国深水应急封堵的需求，使得该项技术研究达到国内领先水平，也是为了不断缩小我国与世界先进水平之间的差距，尽早研制出一种具有自主知识产权的海底应急封堵机具。

深水管道内封堵器主要由锚定装置、密封装置、施力装置、闸板阀及转接系统组成。锚定技术是该装备的核心技术之一。

1 锚定装置的主要形式

1.1 内胀式吊装器的锚定机构

内胀式吊装器的锚定机构如图1所示，它是通过吊装器自带的液压缸提供动力驱动锥体沿轴向方向运动，8个周向均布的外胀块在斜面增力机构的作用下沿着在锥体上的导轨径向向外膨胀来实现吊装器与管道的胀紧。吊装器与管道的胀紧是镶嵌压块的环状牙型嵌入桩管一定深度实现内胀式吊桩器与桩管的锚定［4］。

图1 内胀式吊桩器的内胀式锚定机构

1.2 卡瓦式封隔器的锚定机构

封隔器是一种利用弹性密封元件来封隔环空、控制钻井液、保护套管的井下工具。卡瓦式封隔器的锚定装置主体是卡瓦，它防止封隔器的纵向移动进而保证封隔器的密封性能。如图2所示为哈里伯顿永久式封隔器的上下各有一个C形卡瓦与卡瓦牙，随着压力的增加，上下卡瓦和锥体移动，上下卡瓦定位锚定。

图2 哈里伯顿封隔器卡瓦与卡瓦牙

1.3 水力锚的锚定机构

水力锚的锚定机构如图3所示，其锚爪未锚定时低于锚体表面，锚定时锚爪在套管内液体压力的作用下径向伸出并与套管内壁接触，实现锚定;当压力平衡后，锚爪在弹簧的弹力作用下收回，解除锚定。

图3 扶正式水力锚

1.4 管内高压智能封堵器的锁定机构

管内高压智能封堵器的锁定机构如图4所示，其锚牙由硬质合金钢制成，锚定力由内部的液压缸提供，当液压缸由右向左移动时，带有一定倾角螺纹的锁定滑块沿承压斜面向上滑动并径向膨胀锚定于管道内壁。锁定滑块的外表面的锚爪牙均匀刺入管道内表面与管内压力对高压智能封堵器的推力达到力平衡状态，最终把封堵器固定在管内［6－7］。

图4 管内高压智能封堵器的锁定机构

2 深水管道内封堵器锚定机构设计

深水管道内封堵器的锚定机构借鉴动力卡瓦利用液压动力推动执行锥体挤压楔形锁紧滑块，使封堵器与执行锥体有相对运动的8个周向均匀分布的锚定块径向胀紧，使锚定块上的螺纹牙刺入管道内壁实现定位锁紧。管内冲压时，推动执行锥体管内介质压力的作用下有向右的运动趋势，由此即使撤去液压动力源，封堵器仍能自锁。封堵器的锚定机构由执行锥体、锚定块、套筒和辅助模块等组成，如图5所示。

图5 封堵器锚定机械机构

为了确保封堵器的锚定锁紧的可靠性，将锚定块的外表面设计成带有锯齿形凸起1/8圆柱面，滑块外表面的螺纹牙弧长为封堵管道内表面圆周长的1/12，螺纹牙齿顶圆弧半径与管道内半径相同。在与执行锥体的接触面上开一燕尾槽使锚定块能锚定块能顺利的沿着导轨滑动。锚定块的截面图如图6所示。

图6 锚定块截面图

2.1 锚定块牙型的设计

封堵器的锚定锁紧时滑块的螺纹牙嵌入管道的内壁，所以锚定块的牙型对锚定的性能有重大作用。查阅国内外卡瓦牙板牙的相关资料，结合封堵器的实际工作中承受较大的单向轴向载荷，锚定块的牙型设计成斜齿，如图7所示。

图7 锚定块斜齿θ1≠θ2

深水管道内的油液的压力间接全部作用在锚定块上，因为锚定块周向均匀分布，通过计算每个滑块所承受的正压力为FN=189.924 kN，初步设计每个滑块上均匀分布40个螺纹牙，则每个螺纹牙所受的正压力Fab=4.704 kN。锚定块的材料选择40CrNi，屈服极限 σs=785 MPa，［σs］=628 MPa，现在常用的深水管道为X60，屈服极限σ's=415 MPa。在一定的压力下螺纹牙嵌入管道内壁，由于材料的塑形变形和嵌入接触面积的增大，管道内壁塑形再逐渐变小最终转化为弹性变形。单个螺纹牙与管道的内壁的接触压力σ:

式中:D为管道的内径;b为接触带的宽度。

由于螺纹牙的弧面半径等于管道内壁的半径。则弧形带的宽度b:

滑块螺纹牙嵌入管壁的示意图如图8。

图8 纹牙嵌入管道内壁示意图

根据螺纹牙的几何结构可以得:

由上图b=b1+b2，则:

由上式得到刺入深度与牙型的关系如图9所示。

图9 刺入深度与牙型的关系

由此可知，在齿数一定时，滑块螺纹牙刺入管道内壁的深度与牙形的大小有关。牙形角越小，刺入深度越大，牙形角越大刺入深度越小。在牙形前后角均为0时，刺入深度为无穷大，前后角均为π/2时，刺入深度趋于0。初步设计封堵器的锚定块的齿前角θ1=30°，θ1=50°。

2.2 螺纹牙强度的校核

单个螺纹牙嵌入管道内壁齿前侧的受压面积为:

齿后侧的受压面积为:

作用在锁紧滑块上的正压力F相当于作用在螺纹牙上的总的合力，此时作用在螺纹牙两侧斜面上的正压力图如图10。

图10 螺纹牙受力图

则:

锚定机构锚定后，在管内流体介质下由轴向载荷，在轴向载荷作用下，螺纹牙可以看做承受单向静载的悬臂梁，危险截面A－A可以看做高为l，宽为b的矩形。螺纹牙受轴向力作用时，危险截面A－A的弯曲强度条件为:

式中:Fzx为封堵装置所受轴向载荷;n为每个滑块上的螺纹牙个数;h为螺纹牙嵌入管壁的深度;b为危险截面宽度;l为螺纹牙的长度。

经计算，滑块的螺纹牙满足挤压强度，剪切强度条件和弯曲强度条件。

2.3 螺纹牙锚定力的建模与分析

螺纹牙嵌入管道内壁，是弹塑性力学的接触问题［8］，接触应力超过管道材料屈服极限σs，管道塑形变形，随着应力的减小，管道一部分进行弹性应变。

假定8个滑块螺纹牙与管道内壁的接触是相同的，由于滑块的周向对称分布，考虑到形状和载荷的对称性，把滑块与管道内壁的环形接触面分割成无穷多个薄平面接触如图11。

图11 滑块与管道的薄平面接触

滑块胀紧锚定在管道内壁上的力F可以分解为径向力FZ与水平力FX，FZ使滑块的螺纹牙嵌入管道内壁生根锁紧，FX平衡管道内流体介质的轴向推力。

式中:λ为螺纹牙的倾角。

在垂向力FZ作用下滑块与管道内壁接触变形，假定在接触变形之前滑块的螺纹牙与管道内壁的仅接触在O点，此时螺纹牙与管壁内壁表面距公共法线为ρ的点M和N则:

点M和N之间的距离:

螺纹牙嵌入管道内壁，接触面产生局部塑形变形，假设接触面的截面边界半远径小于螺纹牙的齿顶圆半径R1，利用半无限体表面承受法向集中力作用时的理论［9］，以α表示位于Z1和Z2轴上相距O点相当远的两点因压缩而相互接近的距离 (忽略这些点上因压缩而产生的变形)，若M和N因局部变形刚好重合成了一个接触变形的边界点，则:

若重合点为接触面的任意一点，则:

式中:ω1和ω2为局部变形后点M和N在z1方向上和z2方向上产生位移。

假设接触面上的一个微元的压力为q(x)，点M为接触区域螺纹牙上的一点，则在载荷作用下变形点M的位移:

式中:E1和ν1是滑块的弹性模量和泊松比。

同理，点N的位移:

于是，

根据赫兹接触理论，假定接触区域在x轴上的范围是［－a，a］，则:

其中，qO表示点O处的压力。

单个螺纹牙的压力:

所以

又因为

所以

综上所述得:

滑块的螺纹牙靠嵌入管道内壁平衡管内流体的压力，由此封堵器锚定在管道内，螺纹牙与管道内壁接触后受载荷如图12所示，齿顶部分因承受管壁的压力而产生一定的变形。在高压介质的推力下，螺纹牙的齿顶圆在剪切力的作用下产生楔形变形，可近似认为是单边均匀受压的楔形体［10］如图13所示。

图12 螺纹牙应力简化图

图13 单边受压楔形体

螺纹牙的齿顶圆接触变形为楔体AOD，楔顶角2λ，在OD边上承受均匀压力q。在载荷达到极限载荷时，将产生无限制塑性流动，极限载荷为:

滑块螺纹牙受力:

式中:Fjx为滑块所承受的径向载荷;λ为螺纹牙的倾角。

当忽略螺纹牙的变形，则螺纹牙嵌入管道的深度:

楔形体的顶角:

螺纹牙上的极限载荷为:

封堵管道的压力:

由以上分析得到图14、15封堵装置封堵管内压力的大小与螺纹牙的数量、螺纹牙齿顶圆半径的大小等有关。螺纹牙数量越多，齿顶圆半径越大，则嵌入管壁的深度越浅。

图14 嵌入深度与螺纹牙个数的关系

图15 嵌入深度与封堵压力的关系

对封堵器的螺纹牙进行ANSYS模拟接触分析，螺纹牙与管道内壁的接触应力图如图16。

图16 螺纹牙应力图

管道材料X60的屈服极限415MPa，由图16得到最大应力在螺纹牙与管道内壁的接触处，大于管道材料的屈服极限，管道发生塑形变形，这与上述的分析结果相同。

3 结束语

在分析了国内外工程领域的相关结构锚定结构的基础上，设计了可自锁的锚定机械结构。通过对锚定块的牙型进行受力分析，确定牙型与刺入深度的关系。此外，通过赫兹接触理论建立了锚定块的螺纹牙和管壁的接触力学模型，进一步得出封堵装置封堵压力与螺纹牙结构的关系，并且通过ANSYS软件仿真，得出的结果与分析结构相符，这也为内封堵器的下一步实际工作提供了理论指导。

［1］刘峰.天然气水合物诱因的海洋油气开发工程灾害［J］.国际石油经济，2010(9):63－67.

［2］Size of spill in Gulf of Mexico is larger than thought.www.nytimes.come，2010－04－29.

［3］魏中格，齐雅茹，刘鸿升，杨文芝.海底管道维修技术［J］.石油工程建设，2002(8):30－32.

［4］孙文涛.內胀式吊装器的研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学硕士学位论文，2010:9－16.

［5］江汉石油管理局采油工艺研究所，江汉石油学院采油教研室.封隔器理论基础与应用［M］.北京:石油工业出版社，1983:37－50 59－60，77－78.

［6］耿岱，张仕民，王德国，等.管道智能封堵器锚爪结构的优化［J］.油气储运，2011(4):279－281.

［7］ ALEKSANDERSEN J，TVEIT E.The Smart Plug:A Remotely Controlled Pipeline Isolation System［C］.Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference，2001(2):192－199.

［8］FAN Wenbin，ZHANG Shimin，GENG Dai，et al.Isolation Performance of the Intelligent Plug in High-Pressure Pipeline［EB/OL］.http://ascelibrary.org/proceedings/resource/2/ascecp/361/41073/137_1.

［9］程尧舜.弹性力学基础［M］.上海:同济大学出版社，2009.