深水钻井隔水管快速连接技术研究.pdf

2 0 1 1 年第 3 9卷第 l 0期 石 油机械 C HI N A P E T R O L E U M MA C HI N E R Y l 9 一 ●专题研 究 深水钻 井隔水 管快速连接 技术研 究 陈才虎 王耀锋 杨红 刚 宝鸡石 油机械 有限责任公 司 摘要介绍 了国外几种典型海洋钻井隔水管快速接头的结构特 点，归纳 了其优缺点及适用 范 围。在消化 国外技术的基础上 ，设计 了 H一5 0 X型隔水管快速接头。阐明了该 型接头的结构、工 作原理，给 出了其主要技术参数，并对其主要技术特点做 了说明。这种接 头只需周 向旋转驱动环 3 0 。 就可锁紧，锁紧方式独特、快捷。最后采用 A N S Y S有限元软件对接 头进行多体接触分析，验 证 了设计的正确性和合理性。 关键词 钻 井隔水管 快速接头 驱动环 锁块T形槽 0 引 言 海洋隔水管接头作为隔水管管串之间的重要连 接装置 ，具有隔水管管串之间连接、辅助管线支撑 固定以及海底钻采 装备安装等 多种用途⋯ 。随着 海洋石油勘探开发向深水 、超深水发展 ，如何最大 程度地减少非生产作业时间和连接操作成本 ，提高 隔水管管串连接速度就显得非常重要 ，隔水管快速 接头技术 应运而生。 目前 ，在海 洋钻井隔水管领 域 ，我国发展速度较慢 ，尤其是能够在深水作业条 件和浮式钻采平台应用的隔水管快速接头技术还处 于空 白状态。国外较先进的隔水管快速接头有 V e t C O G r a y 公司的 M R一 6 E型、MR一6 H S E型．D r i l l q u i p公 司的 Q MF C型 以及 A K E R K v a e me r 公 司 的 C L I P型等 ，但这些产品均有专利保护 J 。 为了满足海洋钻井隔水管市场对快速接头的迫 切需求 ，打破国外对海洋钻井隔水管技术及市场的 双重垄断，开展海洋钻井隔水管快速接头国产化应 用研究就显得尤为重要 。鉴 于此 ，笔者在对国外 4 种隔水管快速接头的工作原理 、优缺点及适用范围 进 行总 结 的基础上 ，通 过 消化 吸收和 自主创新 ，在 国内率先设计出隔水管快速接头 ，并利用 A N S Y S 软件完成该接 头的强度分析 ，证 明了设计 的合理 性 ，为海洋 钻井 隔水 管 国产化 奠 定 了坚实 的基础 。 1 国外隔水 管快速接 头 国外较先进的隔水管快速接头主要有 M R一6 E 型、MR 一6 H S E 型、Q MF C 型 和C L I P 型 接 头 。V e t c o G r a y公司开发的 MR一 6 E型隔水管 接头 如图 1所示 属于爪类接头 。其工作原理 为通过液压上紧装置驱动母接头径 向上 的6个小 图 1 MR一6 E 型 隔水 管快 速 接 头 螺栓 ，带动锁块径 向移动 ，从而达到锁 紧隔水管内 外接头的目的，接头锁紧后载荷由内外接头和锁块 共同承担。该型接头的显著优点是将传统的法兰螺 栓式轴向分布的大规格螺栓转化为径向分布的小螺 栓。专用液压上紧装置使操作人员不需要手动对接 、 上扣及夹紧隔水管 ，显著提高了下放隔水管的作业 速度。接头主要特点容易对扣，快速上扣；适合 在水深 2 2 8 6 I T I 以内作业 取决 于环境和井 控条 件 ；额定载荷 9 0 8 0 k N，低上扣扭矩 约为 1 ． 2 8 7 k N m ，便于人力操作控制；结构简单 、质量轻。 ％ 基金项 目国家 “ 8 6 3 ”计划项 目 “ 深水 钻井隔水 管系统技术 研究 ” 2 0 0 8 AA 0 9 A 1 0 6 。H一5 0 X型快速 接头 已申请 国家发 明专利 专利 申请 号 2 0 1 l 2 o 0 7 0 9 5 9 ． 4 。 石油机械 2 0 1 1 年第 3 9卷第 l O期 M R～ 6 H S E型隔水管接头是 G EV e t c o G r a y 公司近几年新设计开发的一种钻井隔水管接头 ，如 图2所示。该型接头在安全和效率方面取得了显著 进展，曾获得 2 0 0 7年美 国 O T C奖。它由外接头 、 内接头、锁块和驱动环等零部件组成 ，锁块外径和 驱动环内径上都设计为斜面。其工作原理为 通过 专用驱动装置驱动驱动环向下移动 ，驱动环内径上 的斜面驱动 6个锁块 同时 向外接头锁紧环槽移动 ， 直到锁紧。接头主要特点 组装 、拆卸效率很高 ， 每下 1次管 串所需时间仅 为法 兰螺栓式 隔水管 的 ；采用专用 驱动装置不仅 提高效率 ，而且实现 “ 以一带六” ，即 1个驱动装 置可 以驱动 6个锁块 沿极径方向等距离移动 ，使得锁紧更加可靠；结构 设计简单 ，组装零件少 ，完全 自动化的 MR连接方 式可 以使人远离潜在危险；额定载荷 1 ． 61 0 k N。 图 2 MR一6 H S E型 隔 水 管 快速 接 头 D r i l l q u i p 公 司的 Q MF C形隔水管接头是一种 C 型锁环式隔水管连接器 ，见 图 3 。其工作原理为 3个驱动螺栓同时带动 2个驱动套沿相反方 向直线 运动 ，迫使 c形锁 环靠近或远离法兰上的锁 紧环 槽 ，然后拧紧或旋松 3个锁紧螺栓 ，实现隔水管管 串的快 速安装 与拆卸 。接头主要 特点额定载荷 1 ． 61 0 k N，仅需 2 ． 0 3 2 k N m的装配扭矩；轻 质量 、简单设计可保证现场维修替换部件方便。 图 3 Q MF C型隔水管快速接头 A K E R K v a e r n e r 公 司开 发 的 C L I P型 隔 水 管 快 速接 头如 图 4所示 。该型 接头是 一种旋转 锁 紧式 隔 水 管快速接 头 。其工作 原理为 内外接 头插接 完成 后 ，旋转套 在外 接头上 的驱 动 环 4 5 。 即可 完成 隔水 管的安装。接头 主要特点 内接头 和驱 动环设有 上、下 2层等分凸凹环槽 ，按照凸凹环槽对应位置 压入后旋转定位安装 ；内外接头上的法兰设计为矩 形 ，以便 支 撑 辅 管 管 线 ；隔 水 管 装 配 快 速 ，可在 1 1 S内完 成 连 接 ；按 照 A P I 1 6 R设 计 ，额 定 载 荷 1 ． 6 1 0 k N。 图 4 C L I P型 隔水 管 快 速接 头 通过以上分析可知 ，与传统的法兰螺栓式隔水 管接头相 比，上述 4种隔水管快速接头连接与拆卸 均比较迅速，但 程度不 同。V e t c o G r a y公 司的 MR 一 6 E型结构采用 1个螺栓带动 1个锁块，安装 和 拆卸时仍需要驱动 6个螺栓 ，这不仅影响连接速度 和效率，而且影响锁块 的定心精度 ；D r i l 1 ． q u i p公 司的 Q MF C型快速接头需要分 2次同时驱动 3个驱 动螺栓和 3个锁 紧螺栓 ，增加了人员及工具数量， 使得操作难度增加。可见上述 2种隔水管快速接头 还不能称为真正意义的隔水管快速接头。MR一 6 H s E型隔水管快速接头连接与拆卸迅速 ，但 是需要 专用工具，且工具结构复杂、成本较高，增加了隔 水管系统质量 ；A K E R K v a e r n e r的 C L I P型隔水管 快速接头采用旋转式 ，上下接头之间没有预紧力 ， 辅助管线分布在矩形上 ，使得隔水管与转盘空隙减 小 ，增加 了应用难度。 为了满足海洋油气开发对钻井隔水管快速接头 的迫切需求 ，打破国外对海洋钻井 隔水管技术的垄 断，在国家 “ 8 6 3 ”计划项 目的强大支撑下 ，通过 消化吸收国外技术和 自主创新 ，设计 了一种结构简 单 、操作迅速 、通用性好 ，适合大规模工业应用的 隔水管快速接头H一 5 0 X型快速接头。 2 H一 5 0 X型快速接 头技术分析 2 ． 1 结构 H一5 0 X型快 速接头主要 由上接头 、下接头、 驱动环、锁块 、T形螺钉 、定位销 、主密封 、辅助 管线和辅助管线调节螺母等零部件组成 ，结构如图 5、图 6所 示 。 2 ． 2工作 原理 作为连接 、下放隔水管的重要连接装置，快速 接头工作时 ，在平台上先固定下接头，然后下放上 接头 ，待上接头插入下接头 ，并到达限定位置后 ， 各辅助管线的外接头也同时插入相应的内接头内， 此时松开定位螺栓 ，并将驱动棒插入驱动环圆周上 2 0 1 1 年第 3 9卷第 l 0期 陈才虎等 深水钻井隔水管快速连接技术研 究 的驱动孔内，驱动棒顺时针旋转 ，驱动与上接头连 接 在一起 的驱 动 环 ，带 动上 接 头 内的锁块 沿 环槽 径 向移动 ，并最终插入下接头的环槽末端 ，此时 ，安 装定位螺栓并锁紧，即达到上 、下接头连接锁 固的 目的。在连接器拆卸过程 中，首先松开定位螺栓 ， 逆时针旋转驱动环 ，带动锁块至初始位置 ；随后起 吊上接头，便可将上接头和下接头分开。 1 ， 4 5 6 7 8 图 5 H 一5 0 X 型 隔水 管 快 速 接 头装 配 图 1 一上接头 ；2 一定位螺栓 ；3 、5 一T形螺钉 ；4 一 锁 块 ； 6 一 驱 动 环 ； 7一 辅 助 管 线 ； 8 一 下 接 头 。 图 6 H 一5 0 X 型 隔 水 管 快 速 接 头 锁 紧状 态 图 1 一锁块 ；2 ～T形螺钉 ；3 --驱动环 ；4 一驱动棒 操作工 具 。 2 ． 3 主要技术参数 额定级别 E级 9 0 8 0 k N ； 公称外径 5 3 3 ． 4 m m； 法 兰外 径 1 2 0 0 m m； 额定工作压力 3 5 MP a ； 适应水深 3 0 0 0 m。 2 ． 4 技术特点 1 独特 、快捷 的锁紧方式。通过周向旋转驱 动环 ，再由驱动环同时推动 6个锁块做径向旋转式 移动 的方式 来 达 到上 、下接 头 锁 紧 目的。定 位螺 栓 设计可确保上 、下接头的锁紧可靠性。整个操作过 程仅需要手动旋转驱动棒 3 0 。 ，就可实现上 、下接头 的拆卸、安装 ，极大地提高了隔水管的连接效率。 2 独特的 T形槽 曲线设计。驱动环及 6个 锁块上设计有 独特的 T形槽及 曲面 ，其轮廓为偏 置离心式曲线 ，T形槽及曲面的一端靠近轴心 ，另 一 端远 离轴 心 。顺 时 针旋 转 驱 动 环 3 O 。 ，可 同 时驱 动 6个锁块沿径向等径移动。驱动环及 6个锁块上 设计的曲面形式相同，可相互配合 ，这样可确保上 、 下接头连接时，由驱动环曲面承受锁块的径向压力 ， 减小锁块外表面的径向应力，提高连接的安全性。 3 驱动环 T形槽的尺寸设计。驱 动环 曲线 槽内、外端距驱动环轴线 的距离差大于锁块与下接 头外环槽啮合时的径 向距离 ，确保上 、下接头顺利 连接和脱开。 4 锁紧锥度环槽设计。锁块 内环面、下接头 的连接部分为锥度环槽设计 ，整体锥度及环槽的角 度设计独特 ，可保证在同尺寸 的情况下 ，增大接头 连接时的接触面积，进而提高接头的整体连接能力。 5 新颖 的主密封结构设计。将上 、下接头 的主密封直接设计在上、下接头上 ，省略了传统结 构中的密封套 ，简化了结构 ，降低了加工难度。 3 有 限元 强度分析 与校核 为了研究 H一5 0 X型隔水管接头的应力分布规 律 ，进行强度 校核 ，并验证设 计的正确性 和合理 性 ，利用 A N S Y S软件对该 型接头进行多体非线性 接触分析 ，有限元模型如图7所示 。 图 7 隔水 管快速接 头有 限元模 型图 依据隔水管实际工作情况 ，在下接头上下端 、 驱动环右端施加固定约束 ，将 1 ． 61 0 k N载荷转 化为均布压力施 加在上接头的上部。根据 A N S Y S 软件 提 供 的接 触 向导建 立 接触 对 ，目标 单 元选 T a r g e 1 6 9，接触单元选 C o n t a 1 7 0 ，摩擦因数取 0 ． 1 。 在系统各个接触部位建立接触对 ，如图 8所示。 系统最 大 等效应 力计 算结 果如 图 9所 示 ，隔水 管快 速接头 系 统 接 触 应 力 如 图 1 O所 示 。 在 1 ． 6 X 1 0 k N载荷作用下 ，应力集 中处的最大等效应力约 为 4 6 1 ． 5 MP a 。根据文献 [ 9 ] 中有关应力分类 的 设计方法 ，通过 A N S Y S软件线性化功能得到如 图 l 1所示 的应 力变化 曲线 。 一 2 2一 石油机械 2 0 1 1 年第 3 9卷第 1 O期 ＼ ． } ＼ f ＼ I 图 8 隔水 管快速接 头 系统接 触对 图 图 l O 隔水管快速接 头系统接触应力 位 移 ／ mil l 图 1 1 应 力 变化 曲线 由 A N S Y S后处理可提取 以下数据 薄膜应力 S f m 1 2 5 ． 6 MP a ，薄 膜应力 弯 曲应 力 S Js 6 1 8 3 ． 7 M P a ，总应 力 5 h5 P 65 4 6 1 ． 5 MP a S 为二次 应力 。 有 限 元 分 析 中 ， 上 、下 接 头 材 料 均 采 用 3 0 C r M o ，其 屈服强 度 o r ≥5 8 8 MP a 。依 据 A P I 1 6 R 要求 ，需验证 以下 3个条件 S ≤0 ． 6 6 7 S 1 S S p 6≤ S 2 S r |s 曲S ≤ 2 S 3 式 中 ，S 15 8 8 MP a 。 经过对 比分析 ，以上 3个条件 完全 满足 ，故 系 统设计强度满足文献 [ 9 ]所规定的强度要求 。 4 结论 与建议 1 H一5 0 X型隔水管快速接头结构简单，连 接迅速可靠 ，抗拉、抗弯、密封性能好 ，完全满足 海洋深水 、超深水等环境下的钻井作业要求 ，具有 良好 的经济性和很高的市场推广价值。 2 采用 A N S Y S软件对 H一5 0 X型接头进行 多体接触分析 ，研究接头的应力分布规律，并进行 强度校核 ，验证 了设计 的正确性和合理性。 3 建议 在我 国南 海等 深水 、超深水 领域 ， 尽快实现 H一5 0 X型隔水管快速接头_ 的工业应用 ， 减少非生产作业时间和连接操作成本 ，提高隔水管 管串连接速度和效率。 参考文献 I S O 1 3 6 2 41 2 0 0 9 E ． D e s i g n a n d O p e r a t i o n o f M a r i n e D ri l l i n g R i s e r E q u i p m e n t[ S ]． 2 0 0 9 1 7 ． F r a s e r T A，Ne s l o n J E． Ri s e r j o i n t c o u l p l i n gUS， 2 0 0 7 ／ 0 0 4 4 9 7 3 AI 『 P1 ． 2 0 0 70 30 1 ． ． Wa t k i n B J ． R i s e r c o n n e c t o r U S ，5 6 3 4 6 7 1[ p ]． 1 9 9 7 0 60 3 ． ． W a t k i n B J ． C o n n e c t o r w i t h o p p o s i t e mo v i n g c a m r i n g s US，5 4 4 1 3 1 l 『 P1 ． 1 9 9 50 81 5 ． G u e s n o n J ， P a p o n G， P e r s e n t E， e t a 1 ． C o n n e c t o r f o r h i g hp r e s s u r e ri s e r U S ，7 3 4 1 2 8 1 B 2 [ P ]． 2 0 0 8一 O 3一l1 ． 王进全，王定亚 ．国外海洋钻井隔水管与国产化研 究建议 [ J ]．石油机械，2 0 0 9 ，3 7 9 1 4 7 1 5 0 ． 阂永宏 ，王定亚 ，邓平 ，等 ．钻井 隔水管接 头技 术现状 与 发 展 建 议[ J ]．石 油 机 械 ，2 0 0 8 ，3 6 9 1 5 91 6 2 ． 畅元江 ，陈 国明 ，鞠少栋 ．国外深水钻 井隔水管 系 统产品技术现状与进展 [ J ]．石油机械，2 0 0 8 ，3 6 92 0 52 0 9 ． A S ME锅炉与压力容器 第二册 [ M]． 3版 ．北 京 中国石化 出版社 ，2 0 0 4 2 1 2 2 2 0 ． 第一作者简介 陈才虎 ，工程师 ，生于 1 9 7 7年 ，2 0 0 1 年毕业于陕西工学院 ，现从事海 洋石 油装备研究 工作。地 址 6 1 0 0 9 1 四川省 成 都 市 。电话 0 2 8 6 1 6 7 0 2 2 7 。E ma i l c h e ng ca i h u 1 6 3．t o mo 收稿 日期2 0 1 l一 0 8～l 9 本文编辑谢守平 j ] ] ] ] ] ] 1 2 3 4 5 5 6 7 8 9 O 鳃 如 拍 m 7 ＼ R趟