(中石化勝利油田分公司 海洋采油廠，山東 東營(yíng) 257237)①

進(jìn)行深海油氣資源的開(kāi)采已經(jīng)成為當(dāng)今世界石油發(fā)展的一個(gè)主要趨勢(shì)[1-3]。海洋柔性立管與傳統(tǒng)的鋼制管道相比具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、柔性好等優(yōu)點(diǎn)，正逐步成為未來(lái)深海石油管道發(fā)展的主要方向[4-6]。海洋柔性立管接頭作為整個(gè)海洋柔性立管系統(tǒng)中的核心裝備，具有連接海洋柔性立管與海上浮式結(jié)構(gòu)和防止管內(nèi)外流體相互泄漏的作用，因此接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比海洋柔性立管管體本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。此外，海洋柔性立管作為復(fù)合材料管，與一般的鋼制管道不同，復(fù)合材料管與接頭的連接界面為非金屬-金屬的復(fù)雜界面，由于這兩種材料的力學(xué)性能和熱力學(xué)屬性相差較大，在海洋柔性立管服役期間，當(dāng)受到外載荷作用時(shí)，兩種材料會(huì)出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力和應(yīng)變，因此極易導(dǎo)致在接頭與海洋柔性立管結(jié)構(gòu)的連接處出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效或者泄漏等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了海洋柔性立管接頭的承載能力和使用壽命。

目前，掌握海洋柔性立管接頭結(jié)構(gòu)核心設(shè)計(jì)技術(shù)的只有國(guó)外幾家大型海洋柔性立管制造商，例如NKT Flexibles公司、Technip公司、Wellstream公司和Magma等公司，他們?cè)诮宇^研制方面具有豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和獨(dú)立的制造能力，且生產(chǎn)出的接頭產(chǎn)品服役時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)品性能穩(wěn)定。國(guó)內(nèi)在海洋柔性立管研制方面起步較晚，特別是在接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工制造方面與國(guó)外公司存在較大的差距，目前只有河北的恒安泰公司和天津的海王星公司正在進(jìn)行非粘結(jié)性海洋柔性立管接頭的初步試制，已經(jīng)取得了一定的成果，但尚未研制出能夠?qū)嶋H應(yīng)用于海上的接頭產(chǎn)品。通過(guò)調(diào)查國(guó)內(nèi)有關(guān)海洋柔性管接頭的文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)學(xué)者仍然還是主要以非粘結(jié)性海洋柔性立管為研究對(duì)象進(jìn)行接頭結(jié)構(gòu)的研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)，例如李翔云通過(guò)查閱國(guó)外文獻(xiàn)制定了非粘結(jié)性海洋柔性立管接頭的設(shè)計(jì)流程，同時(shí)又利用有限元分析了接頭中局部密封結(jié)構(gòu)的可靠性[7]；田闊研究了非粘結(jié)性海洋柔性立管接頭制造和加工工藝流程[8]；張亮利用有限元軟件對(duì)非粘結(jié)性海洋柔性立管的接頭密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了敏感性、自緊性和密封性進(jìn)行了分析[9]；毛慶凱通過(guò)解剖國(guó)外某一公司的非粘結(jié)性海洋柔性立管接頭產(chǎn)品，對(duì)接頭結(jié)構(gòu)里面的關(guān)鍵零部件尺寸、材料及工藝進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并總結(jié)歸納了一套接頭設(shè)計(jì)流程[10]。由于非粘結(jié)性海洋柔性立管在服役期間，其增強(qiáng)層的鋼帶會(huì)出現(xiàn)經(jīng)常性的滑移現(xiàn)象，因此整體耐疲勞性較差。粘結(jié)性海洋柔性立管卻可以較好地解決這個(gè)問(wèn)題，因此也必將成為未來(lái)深海柔性管發(fā)展的主要方向[11]。由于粘結(jié)性海洋柔性立管的增強(qiáng)層結(jié)構(gòu)與非粘結(jié)性海洋柔性立管不同，因此兩者的接頭結(jié)構(gòu)也必存在較大差異。針對(duì)粘結(jié)性海洋柔性立管接頭結(jié)構(gòu)的研究國(guó)內(nèi)尚處于空白，目前能查閱到的相關(guān)研究資料和綜述非常少，嚴(yán)重影響了我國(guó)粘結(jié)性海洋柔性立管接頭國(guó)產(chǎn)化制備進(jìn)程。本文將通過(guò)對(duì)國(guó)外同類(lèi)粘結(jié)性柔性立管產(chǎn)品的長(zhǎng)期調(diào)研和資料搜集，詳細(xì)綜述了TrapLock型接頭、Swaged型接頭和Magam型接頭的結(jié)構(gòu)和連接方式，對(duì)后續(xù)粘結(jié)性海洋柔性立管接頭國(guó)產(chǎn)化研制具有一定的參考價(jià)值。

1 Traplock型接頭

Traplock型接頭又稱(chēng)為卡鎖型接頭，也是最早應(yīng)用于柔性管連接的一種接頭結(jié)構(gòu)形式。Traplock型接頭與復(fù)合材料柔性管是通過(guò)纖維增強(qiáng)材料直接纏繞在金屬接頭表面齒型輪廓上的方式，實(shí)現(xiàn)柔性管管體與金屬接頭的固接，接頭的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 Traplock 型接頭結(jié)構(gòu)示意

從圖1知，Traplock型接頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，圖中黑色部分為復(fù)合材料柔性立管，白色部分為帶有齒型輪廓的金屬接頭，兩者通過(guò)金屬接頭表面的齒型結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。由于Traplock型接頭的抗拉能力和密封性能均由齒型結(jié)構(gòu)處的增強(qiáng)纖維所決定，因此進(jìn)行接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)對(duì)接頭與復(fù)合材料管連接處的纖維纏繞角度和纏繞層數(shù)進(jìn)行合理強(qiáng)度分析設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)金屬接頭齒型結(jié)構(gòu)處的纖維纏繞工藝提出了較高的要求。由于Traplock型接頭整體抗拉能力和密封性能較差，因此該類(lèi)接頭目前只能應(yīng)用于陸地或者淺海海域的中低壓柔性管道。

2 Swaged型接頭

Swaged型接頭的結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，主要由金屬內(nèi)套筒和金屬外套筒這兩種結(jié)構(gòu)組成，是一種非常典型的扣壓型連接的復(fù)合材料柔性管接頭，接頭結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 Swaged型接頭的結(jié)構(gòu)示意

從圖2知，Swaged型接頭的金屬內(nèi)套筒和金屬外套筒通過(guò)自身端部的螺紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行緊密連接，且金屬內(nèi)套筒的外腔表面帶有許多細(xì)小的齒型結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料柔性管首先被插入到這兩個(gè)金屬套筒之中，即形成了所謂的“三明治結(jié)構(gòu)”，然后再通過(guò)扣壓的方式增大了復(fù)合材料柔性管與金屬內(nèi)外套筒表面的靜摩擦力，從而保證了復(fù)合材料柔性管和金屬接頭的固定連接。由于Swaged型接頭的結(jié)構(gòu)形式不需要像Traplock型接頭一樣對(duì)復(fù)合材料柔性管的端部進(jìn)行特殊纏繞或增厚處理，因此整體制造和加工方便，且接頭安裝形式簡(jiǎn)單，便于拆卸。

在進(jìn)行復(fù)合材料柔性管與Swaged型金屬接頭安裝固定時(shí)，金屬內(nèi)套筒的外腔與復(fù)合材料柔性管的內(nèi)襯層為過(guò)盈配合，金屬外套筒的內(nèi)腔與復(fù)合材料柔性管的外保護(hù)層為間隙配合。因?yàn)榻饘賰?nèi)套筒的外腔表面有許多細(xì)小的齒型結(jié)構(gòu)，所以當(dāng)利用液壓工具將金屬內(nèi)套筒插入到柔性管內(nèi)襯層中時(shí)，由于內(nèi)襯層塑料具有較好的彈性變形能力，因此內(nèi)襯層中的塑料將會(huì)嵌入到金屬內(nèi)套筒外腔表面凹凸不平的齒型結(jié)構(gòu)中去，從而實(shí)現(xiàn)了接頭的內(nèi)密封功能。待接頭安裝完畢后，再利用扣壓工具將金屬外套筒進(jìn)行徑向扣壓，通過(guò)這種扣壓的方式增大了復(fù)合材料柔性管內(nèi)襯層與金屬內(nèi)套層、復(fù)合材料柔性管外保護(hù)層與金屬外套層之間的靜摩擦力，從而保證了Swaged型接頭的較強(qiáng)抗拉能力。Swaged型接頭主要依靠徑向扣壓力進(jìn)行復(fù)合材料柔性管與金屬接頭的緊密連接，因此合適的徑向扣壓力至關(guān)重要，扣壓力過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)影響接頭的使用性能。由于復(fù)合材料柔性管的內(nèi)徑越大，安裝過(guò)程中所需要施加的徑向扣壓力也越大，因此很容易造成柔性管與接頭連接處的局部應(yīng)力集中，目前這種形式的接頭只能適用于管徑較小且海洋服役環(huán)境較好的復(fù)合材料柔性管。此外，在扣壓過(guò)程中，還要避免金屬內(nèi)套筒外腔表面凹凸不平的齒型結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料柔性管內(nèi)襯層造成的機(jī)械物理破壞。

3 Magma型接頭

Magma型接頭是由世界著名的海上非金屬粘結(jié)性柔性立管制造商Magma公司自主研發(fā)而成，與其它同類(lèi)型的接頭相比該種接頭具有非常好的抗拉能力和密封性能，且安裝、拆卸方便，能夠較好地應(yīng)用于深海柔性立管系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Magma型接頭的結(jié)構(gòu)示意

從圖3知，黑色部分為經(jīng)過(guò)端部增厚處理的復(fù)合材料柔性管，白色部分為Magma型金屬接頭。為了增強(qiáng)金屬接頭與復(fù)合材料柔性管連接處的抗拉強(qiáng)度，需要對(duì)復(fù)合材料柔性管端部進(jìn)行2次增厚處理，由于目前只有熱塑性管材能夠?qū)崿F(xiàn)這種二次增厚工藝，因此Magma型金屬接頭不能應(yīng)用于熱固性管材，且增強(qiáng)層材料必須為高強(qiáng)度的碳纖維和力學(xué)性能較好的PEEK聚合物組成。

Magma型金屬接頭最大創(chuàng)新點(diǎn)主要在于設(shè)計(jì)者將接頭結(jié)構(gòu)的承載功能和密封功能分開(kāi)獨(dú)立設(shè)計(jì)，即在抗拉功能實(shí)現(xiàn)方面，通過(guò)對(duì)熱塑性管壁的二次增厚區(qū)域進(jìn)行纖維纏繞厚度、纏繞角度的設(shè)計(jì)以及增厚角的優(yōu)化，確保在較大的拉伸工況下，接頭與復(fù)合材料柔性管連接區(qū)域的強(qiáng)度滿足要求；在密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，為保證在復(fù)合材料柔性管與金屬接頭端面接觸處不發(fā)生泄漏，采用了常規(guī)的密封圈進(jìn)行密封，基于密封圈良好的彈性變形能力，將密封圈放置在接頭和柔性管端部界面形成的初始孔隙處，如圖4所示。最后再利用金屬接頭外套頸與鎖緊環(huán)螺紋連接的方式施加軸向預(yù)緊力，實(shí)現(xiàn)了密封圈的彈性密封，從而保證了內(nèi)部流體不會(huì)通過(guò)接頭和柔性管連接處的間隙進(jìn)行泄漏。

圖4 Magma型接頭的密封結(jié)構(gòu)局部放大圖

Magma型接頭主要缺點(diǎn)是在安裝過(guò)程中對(duì)預(yù)緊力要求非常高，預(yù)緊力直接影響了整個(gè)接頭的密封和抗拉能力，因此設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該需要通過(guò)有限元計(jì)算確定合適的預(yù)緊力大小。此外，接頭結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要針對(duì)其局部關(guān)鍵部位進(jìn)行嚴(yán)格的有限元分析，確定接頭關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)國(guó)外粘結(jié)性海洋柔性立管接頭使用情況的長(zhǎng)期調(diào)研和相關(guān)資料搜集，詳細(xì)綜述了Traplock型接頭、Swaged型接頭、Magma型接頭這3種國(guó)外常用于粘結(jié)性柔性管的接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)、連接方式以及各自結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。

1) Traplock型接頭由于其抗拉能力和密封性能較差，一般只能應(yīng)用于陸地或者淺海海域的中低壓力柔性管道。

2) Swaged型接頭結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，應(yīng)用要求較高，徑向扣壓力的大小直接影響了整個(gè)接頭的承載能力和密封性能，且在扣壓過(guò)程中容易使柔性管內(nèi)襯層發(fā)生機(jī)械破壞，一般應(yīng)用于管徑較小的海洋柔性立管。

3) Magma型接頭繼承了前面2種傳統(tǒng)型柔性管接頭的優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)新性地將接頭承載能力結(jié)構(gòu)和密封性能結(jié)構(gòu)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)承載能力設(shè)計(jì)方面基于碳纖維高強(qiáng)度和剛度特性，通過(guò)端部管壁二次增厚的方式保證了接頭與復(fù)合材料柔性管連接處的抗拉能力；在密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面利用密封圈在螺紋預(yù)緊力作用下的彈性變形實(shí)現(xiàn)了接頭密封。由于Magma型接頭具有很好的抗拉和密封性能，目前廣泛的應(yīng)用于深海所使用的粘結(jié)性海洋柔性立管中。但是，Magma型接頭結(jié)構(gòu)較為特殊，需要針對(duì)與其配套使用的粘結(jié)性海洋柔性立管端部進(jìn)行多次增厚處理，因此這種接頭只能安裝于熱塑性管材。

：

[1] HZ Yang,W Zheng Q. Metamodel approach for reliability-based design optimization of a steel catenary riser[J].Journal of Marine Science and Technology, 2011,16(2):202-213.

[2] 趙洪山,劉新華,白立業(yè). 深水海洋石油鉆井裝備發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械, 2010,39(5): 68-74.

[3] 江懷友,趙文智,閆存章, 等. 世界海洋油氣資源勘探現(xiàn)狀與展望[J]. 世界石油工業(yè), 2007(6):24-32.

[4] 潛凌,李培江,張文燕. 海洋復(fù)合柔性管發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械,2012,41(2): 90-92.

[5] 陳海. 國(guó)產(chǎn)海底軟管在海上油氣田的應(yīng)用[J]. 石油機(jī)械,2016,44(5):61-65.

[6] 劉昊. 深海復(fù)合材料立管力學(xué)特性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D]. 上海:上海交通大學(xué)，2013.

[7] 李翔云. 海洋非粘結(jié)柔性管道接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析研究[D].大連:大連理工大學(xué)，2014.

[8] 田闊. 海洋柔性管道接頭數(shù)字化設(shè)計(jì)及制造技術(shù)[D].大連:大連理工大學(xué)，2014.

[9] 張亮. 海洋非粘接柔性管接頭密封系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[D].大連:大連理工大學(xué)，2016.

[10] 毛慶凱. 海洋柔性管接頭設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題研究[D].大連:大連理工大學(xué)，2013.

[11] 陳耕. 海洋非粘結(jié)柔性管線的橫截面力學(xué)性能分析[D]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2011.