0 引言
我国现役的2000型海洋压裂橇机组由中国石油海洋工程公司投资开发研制,填补了我国在海洋压裂橇装设备技术方面的空白[1-3]。但这艘作业船上的快速脱离装置是从国外引进的先进设备。
快速脱离装置是一种工作可靠且不需要借助外界的工具,通过网络控制便能迅速实现管路断开的自动化管接头。当遇到紧急情况时,它能保证压裂作业船载设备与平台的管路连接装置快速有效地脱离[4-5]。但海洋压裂作业船超高压快速脱离装置技术仍被国外垄断,这已成为制约我国深水油气开采的瓶颈[6]。为此,笔者设计了一种压裂作业船超高压快速脱离装置,对该装置的技术要求如下:①最高工作压力140 MPa,压裂作业时不发生泄漏,连接可靠稳定;②短时间内完成管路连接的断开,可靠度高;③一键操作,简单方便,自动化程度高;④具有断开后封闭管路功能,防止压裂液溢出而造成毁坏与污染。
1 技术分析 1.1 总体方案海洋压裂作业船工作时,其排出管汇通过高压软管与平台井口连接。当需要紧急撤离时,首先停泵,然后启动快速脱离装置,将高压软管与船载排出管汇的管路连接断开,压裂船快速离开平台[7-8]。如图 1所示,快速接头主要由外接头与内接头组成,快速接头安装连接平台高压软管和船载排出管汇,被固定在压裂船甲板设备橇装中。
1.2 主要技术参数
最高工作压力140 MPa(排量0.56 m3/min),最大排量2.8 m3/min(对应压力83 MPa),高压管汇内径75.0 mm,高压软管内径76.2 mm(3 in),压裂液流速低于30 m/s,断开时间1~3 s。
1.3 工作原理当需要紧急撤离时,启动快速脱离装置液压控制系统,控制内接头结构中的液压缸动作,使快速接头分离,快速接头工作原理如下。
1.3.1 连接状态该状态为出厂及压裂作业时状态,活塞在活塞回位弹簧的作用下位于行程左极限,弹性限位块因活塞的径向定位,失去变形能力,卡住接头体,快速接头连接并锁紧,如图 2a所示,图中箭头表示压裂液流动方向。
1.3.2 解除连接锁紧
压裂泵停止,启动液压控制系统,液压泵工作,活塞在液压油的作用下向右移动,位置指示器反映活塞运动位置。当活塞到达行程右极限时,液压泵停止工作。指示器完全进入内接头内,活塞对限位块的径向定位失效,外接头挣脱限位块,如图 2b所示。
1.3.3 接头分离过程船移动时,在拖拽力的作用下,插头体向内接头外移动,使限位块径向弯曲变形,松开插头体,接头随着船的移动逐渐分离。内接头固定在压裂橇中随船离开,外接头连接在高压软管上留在平台,如图 2c所示。
1.3.4 防止压裂液泄漏接头分离过程中,推套在其弹簧的作用下与插头体端面紧密连接,阀芯在弹簧的作用下与内接头体端面紧密连接,当接头内流路关闭时,两接触端面依然保持接触,保证无压裂液溢出,如图 2d所示。
2 主要部件设计 2.1 液压执行机构液压执行机构是实现快速脱离装置自动分离的核心,是联系控制系统与快速接头的纽带,其结构如图 3所示。液压泵连接在液压执行机构的油口上。不工作时,液压缸内无油压,活塞在活塞回位弹簧的作用下处在行程左极限位置,即活塞左端面与缸体接触,此时活塞内表面与限位块外表面贴合,限制限位块径向弯曲,限位块卡块部分锁紧外接头,快速接头无法分离,压裂作业可靠进行;当液压泵开始工作时,活塞在油压的作用下克服回位弹簧的弹簧力向右移动,直到活塞右端面接触到定位基座轴肩,停止运动,液压泵停泵保压,使活塞停留在行程右极限位置,此时活塞失去了对限位块变形的限制,且为限位块弯曲变形提供了足够的空间,加以拖拽力,外接头便可以脱离限位块的锁紧。在活塞向右运动的过程中,活塞回位弹簧起到缓冲作用,可减轻活塞停靠时引起的碰撞。
活塞与缸体之间具有相对运动,且要求液压缸2腔之间不漏油,需单独设计活塞密封机构,因此选用O形密封圈密封[10]。
2.2 内接头内接头主要由内接头体、推套、限位块、活塞、缸体、活塞回位弹簧、推套弹簧、螺栓和密封圈等组成,如图 4所示。
内接头体作为压裂液流道,在整个内接头结构中起着搭载配合其他重要零部件的作用,因此选用高强度的42CrMo锻件毛坯加工制造而成,其抗冲击能力强[9]。
2.3 外接头外接头终端充当3 in Fig1502由壬凸接头,配由壬翼形螺母,与平台高压软管连接,它主要由外接头体、插头体、阀芯、密封托架、导向体和密封圈等组成,如图 5所示。
外接头内的阀芯在快速接头断开后,起到封闭外接头流路的作用,它与阀芯弹簧组成单向阀。
3 关键零部件的有限元分析限位块、插头体和阀芯是快速接头在压裂作业及断开时主要的受力部件,需进行有限元分析。其材料及其力学性能如表 1所示。
零件 | 材料 | 屈服极 限/MPa |
泊松比 | 密度/ (kg·m-3) |
弹性模 量/GPa |
插头体和阀芯 | 42CrMo | 950 | 0.279 | 7 850 | 212 |
限位块 | 60Si2Mn | 1 200 | 0.280 | 7 820 | 206 |
选择材料安全系数为3,计算得到插头体和阀芯的许用应力为316 MPa、许用挤压应力为573 MPa;限位块的许用应力为400 MPa、许用挤压应力为680 MPa。
3.1 限位块与插头受力分析采用Solid95单元,以限位块与插头体的装配体组合为基础建立有限元模型,细化弹簧瓣和插头体模型的网格以提高计算精度。限位块有限元分析模型如图 6所示。将弹簧瓣与插头体卡槽建立的接触面定义为摩擦接触,钢对钢的摩擦因数设为0.15。添加模型边界条件,并对插头体断面施加载荷进行计算。
限位块等效应力云图如图 7所示。由图可以看出,脱离过程中限位块最大应力为298MPa,从限位块最小内径处运动到插头体头部最大外径处,小于所选材料许用应力,因此整体结构设计安全;应力多集中在限位块弹簧瓣端处,由于此处受到弯矩的作用,所以限位块发生变形,其变形云图如图 8所示。
在接头脱离过程中,限位块不仅受到剪切力,而且在插头体接触面处受到挤压力。通过分析相对位移的6个子步,得到挤压应力的大小与相对位移的关系,如图 9所示。
由图 9可知,随着相对位移的增大,挤压应力经历了1个缓增急增急减急增的过程,最大挤压应力为20 MPa,远小于许用挤压应力。因此认为限位块卡块在挤压状态下安全。
3.2 阀芯受力分析快速接头脱离后,阀芯受到弹簧力与外接头腔内高压液体的压力。弹簧弹力较小,可以忽略不计。当压裂液压力达到140 MPa时,阀芯受到的载荷最大。
采用Solid95单元,以阀芯与插头体的装配体组合为基础建立有限元模型,细化阀芯及插头体接触面的网格,以提高计算精度。模型网格划分结果如图 10所示。
将阀芯与插头体孔内部建立接触面,定义接触类型为摩擦接触,钢对钢的摩擦因数设为0.15;添加对称与无摩擦约束,模拟阀芯与插头体所建有限元模型的对称边界;对插头体断面建立固定约束。添加约束完成后,对阀芯左端面受力作用面施加140 MPa压力, 完成加载,然后进行计算。阀芯等效应力云图如图 11所示。
由图 11可知,阀芯最大应力发生在与插头体接触啮合的轴肩根部,其值为312 MPa,小于所选材料的许用应力,所以整体结构设计安全。
阀芯变形云图如图 12所示。由图可知,最大变形量发生在卡爪最底部,其值约为0.26 mm,变形量较小,满足刚度要求。
阀芯轴肩与插头体内孔配合,在受液体压力的过程中,轴肩除了受剪切应力之外,其表面还承受挤压应力。阀芯接触应力云图如图 13所示。由图可知,最大应力为561MPa,小于许用挤压应力,因此认为阀芯轴肩在挤压状态下安全。
4 结论
(1)压裂作业船超高压快速脱离装置在接头分离过程中几乎无泄漏,可减少油液损失,保持环境的清洁和安全,防止污染物进入装置内部;该装置还可保证分离和对接时夹气量最少,以增强整个管道流路的稳定性。
(2)在压裂作业时对限位块进行有限元分析,得到插头体卡槽的应力,验证了压裂作业时快速接头连接的可靠性,限位块结构满足强度要求。
(3)对接头脱离后阀芯的受力状况进行分析,找出了危险面为插头体内部拐角处,对危险断面倒圆角可增加插头体强度。分析结果表明阀芯结构满足强度要求。
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