海底管道修复连接器的设计及特性研究

作     者：林庆东 

作者单位：中国石油大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：赵宏林;于超

授予年度：2022年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 082003[工学-油气储运工程] 

主      题：海底管道修复连接器 锚定分析 正交优化 密封特性 振动特性 

摘      要：海底管道是海洋油气开发生产系统的主要组成部分,而海底管道一旦发生失效泄漏,不仅造成输送中断停产,还将破坏海洋生态环境。目前,我国在海底管道修复领域严重依赖于国外的技术和装备。因此,本文以深水管道修复技术为内容进行研究,设计了一种针对水深1500 m、12 in管径的新型海底管道修复连接器。根据海底管道修复连接器的技术指标,结合深水环境特点,提出适用于深水管道更换维修工艺的新型海底管道修复连接器整体结构方案,完成了连接器锚定机构、密封机构以及驱动锁紧机构的设计。在静力学分析的基础上,建立了驱动力与锚定压力之间的特定关系,基于弹塑性力学理论推导出锚定卡齿的嵌入深度h的计算公式;针对连接器特殊的工作环境,引入当量摩擦系数,进行最大外载条件下的强度校核;使用正交试验法对锚定机构进行关键参数优化,得到最优的参数组合,齿尖咬合处管道最大等效应力相较于优化前降低了16.5%。根据连接器特殊的工作环境和密封性能要求,选择丁腈橡胶作为密封圈材料,并对密封圈结构进行设计;基于弹性力学理论,建立密封胶圈自由变形与约束变形阶段的力学模型,获得密封驱动力与密封接触应力的关系;提出了倒斜角和倒圆角两种组合式密封圈改进方案,均能有效改善密封性能,其中倒圆角组合式密封结构具有更好的综合特性。基于流体力学理论探究管道内外流体流态变化而形成的涡激现象,通过分析确定其流态状态,计算得到管道内外流体的漩涡脱落频率f和f;利用ANSYS软件对连接器连接的悬跨管段整体进行模态分析,结果表明:连接器修复的整体管段不会与外界激励发生共振,连接器具有优越的工作性能。研发的新型海底管道修复连接器,可在深水无潜式安装,具有安全高效的特点,可以满足特定的使用条件,对后续开发成系列化海底管道修复连接器具有指导作用。