海上压裂作业船紧急脱离装置的设计

荀永明

(中石化四机石油机械有限公司，湖北 荆州 434024)

海上作业环境复杂多变，气候影响大，在海上进行压裂作业时，压裂设备固定在作业船上，船上的压裂设备与钻井平台之间通过高压管汇连接[1-2]，在遇到复杂天气和紧急情况下需要快速脱离，以便作业船能在最短的时间内离开，从而保证设备和人员安全，因此，作业船与钻井平台和压裂管汇之间必须要安装紧急脱离装置。紧急脱离装置是一种工作可靠且操作简单的工具。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。但目前海洋压裂作业船超高压紧急脱离装置技术仍被国外垄断，因而，开发具有自主知识产权的海洋装备技术迫在眉睫[3-4]。为此，针对现有紧急脱离装置的特点和所存在的缺陷，设计了一种压裂作业船超高压紧急脱离装置[5-6]，希望为类似结构的设计提供借鉴。

1 整体方案设计

1.1 方案设计

压裂作业是海洋油气田开发和增产的一种重要措施，海洋压裂作业时，通过高压软管将排出管汇和海洋平台上的井口装置相连。为了避免出现台风和其他紧急情况时，压裂作业船与平台碰撞，需要在压裂作业船与平台井口间连接紧急脱离装置，以便实现紧急脱离。紧急撤离时，通过远程网络控制启动液压控制系统，快速脱离装置母接头与公接头迅速分离，压裂船快速驶离平台。如图1所示，紧急脱离装置主要由母接头与公接头组成，母接头与公接头相连组成装置的内部流道[7]。

1.2 主要技术参数

工作压力：105 MPa 公称通径：3″ (69.7 mm)

接口型式：3″Fig1502 工作温度：-29～121℃(P～U)

材料级别：EE-0.5 产品性能等级：PR1

产品规范等级：PSL3

1.3 工作原理

1.3.1 锁定状态

启动液压控制系统，液压泵通过油口向液压缸内供油，活塞在液压油的驱动下向右移动，当活塞行程达到右极限，液压泵停止工作，此时，限位卡瓦在活塞的作用下将公接头锁死在缸体内，此时公、母接头连接形成装置的内部通道，压裂液经母接头端流入，途经母接头右端面附近方形孔流入公接头内部流道，最终由公接头流出，通往平台井口。其流向如图2a)所示，此状态为出厂及压裂作业时状态。

1.3.2 解锁状态

启动液压控制系统，液压泵通过油口开始向液压缸内供油，活塞在液压油的驱动下向左移动，当活塞行程达到一定位置时失去对限位卡瓦的径向定位作用，此时，公接头便可以挣脱限位卡瓦的作用，船便可以离开平台，如图2b)所示。当公接头脱离本体后，密封环在弹簧预紧力作用下立即向右滑动，达到右极限位置，此时密封环内壁与母接头外壁在密封圈的作用下阻止流体向外泄漏。

2 关键部件设计与分析

采用GB 50253-2003输油管道壁厚设计方法和ASME B31.1-2004压力管道的壁厚设计方法两种常规方法对紧急脱离装置的关键部件进行校核。

2.1 强度校核公式

上接头，内径50 mm，外径80 mm，承压105 MPa，以材料为42CrMo为例。

下接头，内径94 mm，外径114 mm，承压105 MPa，以材料为42CrMo为例。

1)GB 50253-2003输油管道直管段的壁厚计算公式：

(1)

式中：S为直管段钢管计算壁厚，mm；P为设计内压力，MPa；D为钢管外直径，mm；[σ]为钢管许用应力，MPa。

[σ]=KφσS

(2)

式中：K为设计系数，取0.6；σS为钢管的最低屈服强度，MPa；φ为焊缝系数，取值为1.0。

2)ASME B31.1-2004压力管道(动力管道)设计计算方法：

弯头进行弯曲和加工完成后的最小需要壁厚应按公式(3)来确定

(3)

式中：A为腐蚀、冲蚀和机械裕量的总和，参照ASME B31.1-2004标准中102.4；T为设计壁厚，mm；P为设计内压，MPa；D为管道的外径，mm；S为材料的最低屈服强度，MPa；E为焊缝接头系数，参照ASME B13.1-2004；Y为系数，参照ASME B13.1-2004；I为弯头内壁，用公式(4)计算。

(4)

式中：r为弯头的曲率半径，mm;d为弯头的外径,mm。

2.2 应力分析

紧急脱离装置的关键部件主要包括液压执行机构、公接头、母接头和弹性卡瓦。由于在工作过程中公接头和母接头主要承受内部高压流体的作用，液压执行机构和弹性卡瓦主要受到内部液压油和其部件的综合作用，受力情况相对复杂，故采用SOLIDWORKS对公接头、母接头进行力学分析，对液压执行结构和弹性卡瓦将在第三部分的室内强度试验和密封性试验中进行检验[8-9]。

2.2.1 公接头

在进行压裂作业及紧急脱离时公接头主要的受高压流体内压作用，故采用SOLIDWORKS对其进行有限元分析，由于公接头结构模型较为简单且有规律，采用扫描法进行网格划分，划分的单元以六面体网格为主，图3为公接头有限元分析模型。公接头材料为结构钢，弹性模量为212 GPa，泊松比为0.28。在公接头一端施加沿X方向的约束，另一端施加沿-X方向的约束，在公接头的内部施加150 MPa均匀的压力载荷，其分析结果如图4所示，从图4中可以看出公接头各部位的受力远小于屈服应力930 MPa,因为该设计壁厚满足强度要求。

2.2.2 母接头

同样也采用扫描法对母接头进行网格划分，划分的单元以六面体网格为主，图5为母接头有限元分析模型。母接头材料为结构钢，弹性模量为212 GPa，泊松比为0.28。在公接头一端施加沿X方向的约束，另一端施加沿-X方向的约束，在公接头的内部施加150 MPa均匀的压力载荷，其分析结果如图6所示，从图6中可以看出母接头右端面流道出口处受力较大，但也远小于屈服应力930 MPa,因此该设计壁厚满足强度要求。

其材料及其力学性能如表1所示。

表1 关键部件材料特性

关键部件材料屈服极限/MPa泊松比密度/(kg·m-3)弹性模量/GPa公接头42CrMo9300.287 850212母接头42CrMo9300.287 850212

3 室内试验

3.1 本体强度试验

2016年12月，在国家油气钻采设备质量监督检验中心内对该高压管线快速脱离装置进行性能试验。经现场调试后，依据GB/T 22513要求[10]，进行本体静水压强度试验，试验分两个阶段进行，第一个阶段，试验时间3 min，试验试压为157.5 MPa；第二个阶段，试验时间15 min，试验试压为157.5 MPa，稳压15 min，两个阶段均无明显压降，试验曲线如图7、图8所示。

3.2 功能性试验

将管线快速脱离装置装配好之后，调节液控箱，使装置处于锁紧状态，将公接头(带锤击环一端)用试压堵头堵死，另一端接进水压力,排尽试件内腔空气；进水压力逐渐升压达到105 MPa，稳压3 min后降压至0 MPa，通过试压堵头排掉装置内残余压力，再操作液控箱，将装置处于解锁状态，然后手动提拉下接头，确认下接头可以顺利从装置本体上脱开。重复以上两个步骤，进行3次锁紧和解锁循环。通过3次锁紧和解锁试验，很好地验证了液压执行机构装置的可靠性。

4 结论

1)该装置的设计与现有紧急脱离装置相比，增加了分离密封装置，减少了分离过程中油液泄漏，保持环境的清洁和安全；2)对紧急脱离装置的承压件进行有限元分析以及进行压力试验，均较好地验证了该装置的可靠性；3)面对费用高且技术被国外垄断的特点，研制具有自主知识产权的海上压裂作业船紧急脱离装置具有很高的战略价值。