元器件清单
程子云;张玉;张玉龙;尚丽军;段梦兰
【摘 要】Clamp connectors are widely used in the connection and locking of subsea tree throttle valves, to prevent oil and gas from leaking, support seals and bear complex loads.The strength analysis of clamp connector is of great significance for ensuring the safety and reliability of subsea tree.Taking a recoverable throttle valve connector of 3 000 msubsea tree valve element as an example, a connector strength analysis method combining theoretical analysis and finite element method was proposed:Firstly, in view of the tripiece clamp connector of the throttle valve under typical conditions, key parameters of strength analysis such as pretension and locking force were derived;Then the ABAQUS finite element method was used to establish the 3Dmodeling of connector for studying the strength of clamp under the condition of locking force, and the stress distribution of the whole connector was obtained;Finally, by changing the angle of flange locking profile, the relationship between such angle and the maximum Mises stress of connector was analyzed,
and the optimal angel was defined to be 10°～15°.The research results in this paper can provide reference for the design of clamp connector of underwater tree throttle valve.%卡箍式连接器被广泛用于水下采油树节流阀的连接锁紧, 起到防止油气泄漏、支撑密封圈和承载复杂载荷的作用, 研究其强度性能对确保水下采油树平稳运行具有重要意义.以一种应用于3 000m水深的采油树阀芯可回收式节流阀连接器为例, 提出了理论分析与有限元方法相结合的卡箍式连接器强度分析方法:首先针对典型工况下水下采油树节流阀采用的三瓣式卡箍式连接器, 推导其强度分析关键参数计算公式, 得出连接器预紧力和锁紧力;然后运用ABAQUS有限元方法对卡箍式连接器进行三维建模, 研究锁紧力状况下卡箍强度, 得到连接器整体的应力分布情况;最后通过改变法兰锁紧型面角度, 分析法兰型面角度与连接器最大Mises应力的关系, 得出法兰最佳锁紧型面角度为10°～15°.本文研究成果可为水下采油树节流阀卡箍式连接器的设计提供参考. 【期刊名称】《中国海上油气》
【年(卷),期】2019(031)001
【总页数】7页(P169-175)
【关键词】采油树节流阀;卡箍式连接器;连接性能;Mises应力;型面角度
【作 者】程子云;张玉;张玉龙;尚丽军;段梦兰冲压滤网
【作者单位】中国石油大学(北京)海洋工程研究院 北京 102249;中国石油大学(北京)海洋工程研究院 北京 102249;中国石油大学(北京)海洋工程研究院 北京 102249;中国石油大学(北京)海洋工程研究院 北京 102249;中国石油大学(北京)海洋工程研究院 北京 102249
【正文语种】中 文
【中图分类】TE931+.1
水下生产系统作为一种海上油气开发技术，已在世界水下油气田开采方面得到广泛应用。水下生产系统包括水下井口、水下采油树、管汇、跨接管、水下控制系统、脐带缆和海底管线等[1],水下生产系统中不同部件之间的连接主要通过水下连接器实现。水下连接器从原理上可以分为套筒式连接器和卡箍式连接器，其中卡箍式连接器被广泛用于水下采油树节流阀的连接锁紧，起到防止节流阀内油气泄漏、支撑密封圈和承载复杂载荷的作用[2]。前人在卡箍式连接器研究方面有一些进展[3-7]，但在卡箍式连接器强度分析方面未见报道。
本文以一种应用于3 000 m水深的采油树阀芯可回收式节流阀连接器为例，提出了理论分析与有限元方法相结合的卡箍式连接器强度分析方法：首先，推导卡箍式连接器强度分析关键参数计算公式；然后，根据关键参数计算结果建立有限元模型，得到在极限锁紧力下法兰型面周向应力分布曲线；最后，分析连接器最大Mises应力和锁紧型面角度相互变化规律，进一步得出法兰最佳锁紧型面角度为10°～15°。本文方法有助于建立准确的卡箍式连接器强度分析理论和有限元建模方法，可为卡箍式连接器的设计提供参考。
1 结构组成与工作原理
1.1 结构组成
本文主要研究了一种应用于3 000 m水深的采油树阀芯可回收式节流阀连接器。该连接器采用三瓣式弓形体结构，弓形体间的运动通过铰链实现，通过弓形体斜面压紧法兰实现夹紧功能。节流阀连接器主要结构组成(图1)如下：
1) 安装板，通过螺钉连接，使卡箍式连接器安装紧固；
2) 接口，ROV旋转扭矩接口，接口类型为ISO 13628-8 class 4[8]；
3) 螺杆，通过螺杆螺纹传动，实现卡箍锁紧或解锁操作； 4) 3个弓形体，是卡箍式连接器的主要锁紧机构，通过环向锁紧型面实现锁紧；
5) 2个传动枢轴，其中传动枢轴1为左旋枢轴，传动枢轴2为右旋枢轴，传动枢轴上有与螺杆对应的传动螺纹，传动枢轴2与指针固定进行位置指示；
6) 2个连接销，实现弓形体间的铰链传动；
图1 卡箍式连接器结构方案Fig.1 Structure of the clamp connector
7) 指针，用于位置指示，指向L为锁紧状态，指向U为解锁状态。
卡箍式连接器采用卡箍夹紧原理将节流阀阀体法兰与节流阀驱动器法兰紧固连接，并利用螺杆的螺纹进行自锁(图2)。ROV通过ROV扭矩接口顺时针旋转螺杆，左旋枢轴和右旋枢轴由螺杆传动分别朝螺杆中心水平移动，直到指示指针指向解锁位置L，即为长箍锁紧；反之，ROV通过旋转扭矩接口逆时针旋转螺杆，左旋枢轴和右旋枢轴由螺杆传动分别朝螺杆两端水平移动，直到指示指针指向锁紧位置U，即为卡箍解锁。
图2 卡箍式连接器锁紧过程Fig.2 Locking process of clamp connector
格子衬衫面料剖沟机1.2 工作原理
卡箍式连接器主要由3个卡箍弓形体铰接而成一条铰链机构，连接器功能实现结构主要有3个，即由三瓣弓形体组成的卡箍、传动转矩的传动螺杆以及操控的ROV扭矩接口。传动螺杆左右两侧设有左旋螺纹与右旋螺纹，螺杆与枢轴形成螺纹丝杆副机构，螺杆转动时左右两个枢轴沿螺杆方向反向(或相向)移动，使三瓣弓形体抱紧或张开。
由三瓣弓形体组成的卡箍设计有卡箍型面，用于长箍锁紧。当两个枢轴做合拢运动时，扭转传动螺杆形成的轴向拉力将卡箍拉紧，卡箍型面与法兰型面贴合；抱紧时沿法兰斜面的正压力产生沿法兰轴向的压紧力，使卡箍压紧上下法兰，并将上下法兰受到的轴向预紧力传给密封圈，使密封圈变形与上下法兰形成线接触，达到密封效果。
ROV扭矩接口可以通过水下机器人的机械手进行操控。同时，指示连接锁紧状态的指针安装在枢轴上，通过枢轴的移动来指示连接器的锁紧状态，且便于观察。
2 强度分析参数计算
2.1 主要性能指标
节流阀工作过程中主要承受内压作用，保证节流阀密封性能是卡箍式连接器正常工作的关键，因此密封压力是主要性能指标。本文用于3 000 m水深的采油树阀芯可回收式节流阀连接器测试内压为103.4 MPa。
2.2 预紧力计算
要保证法兰垫片密封良好，须施加足够的力压紧垫片，这个力称为预紧力，它是影响密封的一个重要因素。预紧力必须足够大才能使垫圈压紧并形成初始密封条件，但又不能大到将垫圈压坏或挤出。
为保证节流阀法兰在工作时法兰垫片依然具有良好密封性，经计算所得的静密封压力为
(1)
式(1)中：FG为静密封压力；p为测试内压；Sv为节流阀截面积； D为法兰公称直径。
在实际使用中，连接器会受到冲击和扰动作用而造成密封失效风险。取2倍的安全系数，根
据式(2)计算得到的预紧力为2 685.2 kN。hg(scn)2
T=nvFG
(2)
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式(2)中：T为预紧力；nv为节流阀工作安全系数。
2.3 锁紧力分析
锁紧力为工作压力下保证阀法兰密封性能而对传动螺杆施加的轴向拉力，只有对传动螺杆施加足够大的轴向拉力时，才能保证在工作压力下法兰垫片的密封性能。
通过对法兰斜面进行受力分析(图3)，将法兰锁紧所需的轴向预紧力转化为径向作用力，最后得出锁紧所需螺杆提供的轴向锁紧力。
注：θ1为锁紧型面摩擦角；α为合力F与x轴夹角;Fa为夹紧过程中斜面所受摩擦力；Fb为斜面所受正压力；F为斜面所受合力；Fx为合力径向分力；Fy为合力轴向分力，是锁紧所需的预紧力T，且锁紧过程中卡箍锁紧型面受到法兰斜面反向作用力，在锁紧型面上产生径
向向外推开的趋势(其值等于Fx)。
图3 弓形体夹紧型面受力分析Fig.3 Force analysis of clamp locking surface
