【摘要】：隨著海洋油氣資源開(kāi)發(fā)向深海發(fā)展的必然性，水下生產(chǎn)系統(tǒng)成為必須掌握的技術(shù)。采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)完成深水油氣資源的開(kāi)采、輸送是該領(lǐng)域的主要方向。海底管道是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，水下回接技術(shù)是將新開(kāi)發(fā)的、邊際和衛(wèi)星油氣田的海底管道接入已建海底設(shè)施，使海洋油氣開(kāi)發(fā)變得經(jīng)濟(jì)有效。目前深水海底管道連接技術(shù)都掌握在國(guó)外海洋石油工程公司，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)安裝，不能滿足我國(guó)自主開(kāi)發(fā)深海油氣資源的需求。套筒連接器用于深水海底管道末端連接，采用遠(yuǎn)程操作工具遙控安裝，需要解決高壓密封和安裝的問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，論文對(duì)套筒連接器系統(tǒng)整體方案和密封接觸特性進(jìn)行了研究。 從水下回接技術(shù)所需連接器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理入手，給出了非整體式套筒連接器系統(tǒng)的整體方案。非整體式連接系統(tǒng)由安裝工具和套筒連接器組成，通過(guò)遙控操作潛水器控制安裝工具動(dòng)作實(shí)現(xiàn)套筒連接器的安裝，安裝完成后，安裝工具可從海底回收，重復(fù)使用。 提出了套筒連接器的整體密封結(jié)構(gòu)，采用套筒、卡爪、高頸和透鏡墊組合的連接結(jié)構(gòu)，利用套筒的軸向直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)卡爪徑向預(yù)緊高頸，實(shí)現(xiàn)透鏡墊與高頸的高壓密封。金屬透鏡墊與高頸的錐形密封面相互配合，自動(dòng)對(duì)中性好，有效接觸面積小，可以實(shí)現(xiàn)高壓密封，并減小套筒連接器的整體尺寸。套筒與卡爪的錐面配合具有自鎖功能，可以增加連接器抵抗壓力波動(dòng)的能力，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)組成。利用液壓缸直線運(yùn)動(dòng)完成連接器的安裝和卸載，操作可靠快速。 建立了套筒連接器的力學(xué)模型，分析了預(yù)緊狀態(tài)和操作狀態(tài)時(shí)，套筒、卡爪、高頸和透鏡墊之間的力學(xué)接觸，提出了基于管道設(shè)計(jì)壓力的套筒連接器預(yù)緊載荷和安裝載荷計(jì)算公式，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式，為套筒連接器的工程應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。 對(duì)由卡爪、高頸、透鏡墊組成的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行接觸分析，得到了密封接觸特性和應(yīng)力分布規(guī)律。研究表明卡爪和高頸相配合的連接結(jié)構(gòu)比直接軸向預(yù)緊可以獲得更大的軸向預(yù)緊力，具有放大軸向預(yù)緊載荷的特性。研究表明透鏡墊在流體壓力作用下具有自緊特性，壓力自緊特性與墊片的結(jié)構(gòu)型式、幾何尺寸和材料有關(guān)。應(yīng)用分析設(shè)計(jì)原理，采用最大變形能理論對(duì)高頸失效模式進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，結(jié)果表明根據(jù)論文提出的載荷計(jì)算公式及在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式所確定的高頸結(jié)構(gòu)安全可靠，不會(huì)發(fā)生塑性垮塌和局部失效。 對(duì)套筒連接器的臨界狀態(tài)進(jìn)行分析，研究表明密封狀態(tài)在50Mpa內(nèi)安全可靠，說(shuō)明論文推導(dǎo)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)校核公式正確有效，能反映出套筒連接器的臨界失效狀態(tài)。 對(duì)高頸和透鏡墊進(jìn)行密封液壓試驗(yàn)，最高可以實(shí)現(xiàn)65MPa密封。套筒連接器樣機(jī)的液壓試驗(yàn)，在50MPa時(shí)安全穩(wěn)定，表明套筒連接器的密封性能安全可靠，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，驗(yàn)證了套筒連接器載荷計(jì)算及強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式的正確有效性。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類(lèi)號(hào)】：TH136
【圖文】：

圖 1.1 海底管道應(yīng)用Fig. 1.1 Use of subsea pipeline下回接技術(shù)下回接（Tie-in）是將新開(kāi)發(fā)的、邊際和衛(wèi)星油氣田的海底管道接入已建海洋油氣開(kāi)發(fā)變得經(jīng)濟(jì)有效[24-28]。水下回接技術(shù)主要采用水下焊接和機(jī)械[29-32]，在深水環(huán)境下，潛水員無(wú)法工作，使用機(jī)械連接方式可由ROV（Rted Vehicle，遙控操作潛水器）控制ROT（Remotely Operated Tool，遙控操作道連接器（Pipeline connector），更適于深水環(huán)境下的海底管道連接，管道于海底管道的維修[33-35]。970年，Cameron公司在墨西哥灣應(yīng)用水下回接技術(shù)。1983年，Cameron公亞海岸完成當(dāng)時(shí)世界最深的機(jī)械式水下回接，259m（850feet），使用一個(gè)個(gè)水下無(wú)人潛水連接[36]。1986年，F(xiàn)MC設(shè)計(jì)的水平連接無(wú)人潛水回接系統(tǒng)家石油公司北海gullfaks油田[37]。目前國(guó)際水下回接技術(shù)已超過(guò)3000m水深道連接器主要有三種，螺栓法蘭連接器、卡箍連接器和套筒連接器[38-39]，

圖 1.2 螺栓法蘭連接器Fig. 1.2 Bolted flange connector圖 1.3 卡箍連接器Fig. 1.3 Clamp connector圖 1.4 套筒連接器Fig. 1.4 Collet connector套筒連接器由液壓缸直線運(yùn)動(dòng)完成預(yù)緊和卸載，容易獲得大預(yù)緊力；無(wú)需螺栓拉伸預(yù)緊，連接前高頸無(wú)需貼緊，對(duì)中精度要求低；套筒和卡爪的接觸面可實(shí)現(xiàn)自鎖，結(jié)構(gòu)緊湊；裝拆方便，操作簡(jiǎn)便快速，海上作業(yè)工時(shí)少，節(jié)省安裝費(fèi)用。綜上所述，套筒連接器具有外形尺寸小，對(duì)中精度要求低，安裝快速，拆卸方便，結(jié)構(gòu)可自鎖，安裝費(fèi)用低的特點(diǎn)，可以節(jié)約海上作業(yè)工時(shí)用及減少搶修時(shí)間，具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。1.3 深水套筒連接器深水海底管道連接需要解決安裝、高壓密封和腐蝕難題，設(shè)計(jì)、安裝由國(guó)外大型海洋石油工程公司技術(shù)壟斷，國(guó)內(nèi)尚未掌握。國(guó)外大型海洋石油工程公司對(duì)套筒連接器深水連接技術(shù)已有幾十年的經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛。但是可以獲得的套筒連接器關(guān)鍵技術(shù)的研究資料并不多，在收集相關(guān)資料并進(jìn)行詳細(xì)分析以及綜合對(duì)比幾個(gè)代表性公司的產(chǎn)品之后，對(duì)套筒連接器的技術(shù)發(fā)展

圖 1.2 螺栓法蘭連接器Fig. 1.2 Bolted flange connector圖 1.3 卡箍連接器Fig. 1.3 Clamp connector圖 1.4 套筒連接器Fig. 1.4 Collet connector套筒連接器由液壓缸直線運(yùn)動(dòng)完成預(yù)緊和卸載，容易獲得大預(yù)緊力；無(wú)需螺栓拉伸預(yù)緊，連接前高頸無(wú)需貼緊，對(duì)中精度要求低；套筒和卡爪的接觸面可實(shí)現(xiàn)自鎖，結(jié)構(gòu)緊湊；裝拆方便，操作簡(jiǎn)便快速，海上作業(yè)工時(shí)少，節(jié)省安裝費(fèi)用。綜上所述，套筒連接器具有外形尺寸小，對(duì)中精度要求低，安裝快速，拆卸方便，結(jié)構(gòu)可自鎖，安裝費(fèi)用低的特點(diǎn)，可以節(jié)約海上作業(yè)工時(shí)用及減少搶修時(shí)間，具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。1.3 深水套筒連接器深水海底管道連接需要解決安裝、高壓密封和腐蝕難題，設(shè)計(jì)、安裝由國(guó)外大型海洋石油工程公司技術(shù)壟斷，國(guó)內(nèi)尚未掌握。國(guó)外大型海洋石油工程公司對(duì)套筒連接器深水連接技術(shù)已有幾十年的經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛。但是可以獲得的套筒連接器關(guān)鍵技術(shù)的研究資料并不多，在收集相關(guān)資料并進(jìn)行詳細(xì)分析以及綜合對(duì)比幾個(gè)代表性公司的產(chǎn)品之后，對(duì)套筒連接器的技術(shù)發(fā)展

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