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深水钢悬链立管钛合金锥形应力接头发展综述

2024-08-30 160 上传者：管理员

摘要：钢悬链立管(SCR)是深水油气开发的重要立管形式，为提供钢悬链立管多种海上平台悬挂解决方案。主要综述了深水钢悬链立管钛合金应力接头的发展和研究现状，从结构设计、制造工艺等方面阐述应力接头的设计及制造研究概况，讨论钛合金应力接头的研究水平，指出应力接头结构设计研究和制造技术研究为钢悬链立管钛合金应力接头国产化的研究方向。

关键词：
油气开发
环境载荷
钛合金
钢悬链立管
锥形应力接头
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钢悬链立管(SCR)是深水油气开发的重要立管形式[1]，SCR立管的顶端需要使用悬挂系统来承受恒定立管张力，适应在环境载荷作用下的长期摆动作用。SCR立管悬挂系统主要有柔性接头和应力接头。由钢和弹性体组成的柔性接头已在我国首座10万t级深水半潜式生产平台上使用[2，3]。立管悬挂系统的另一种方案是应力接头，应力接头结构简单可近似为圆柱形锥形悬臂梁，由单一金属制造，只要其结构性能得到验证，就可以提供长时间稳定的服务。应力接头多选用钛合金材料，钛合金与钢和铝合金相比，重量轻，强度高，模量低，耐腐蚀性和耐疲劳性能更加优异，钛合金应力接头(TSJ)已在国外投入使用多年，由于其材料特殊、设计理论复杂，制造难度大，导致我国深海石油开发中需要的SCR应力接头只能依赖进口。

1、SCR应力接头设计

1.1结构形式

图1为钛合金应力接头产品示意图，钛合金应力接头的结构组成为平台连接法兰、悬挂套筒、锥形变形主体和立管连接法兰四个部分。其中锥形变形主体是SCR应力接头系统的核心，承受海浪载荷引起的立管摆动和平台的晃动，允许其在一定弹性范围内变形，从而减少传递到平台的弯矩。应力接头通过悬挂套筒结构悬挂在平台的固定托篮中，应力接头上部通过上法兰与平台管系法兰连接；应力接头下端通过下法兰与钢悬链立管连接。

图1钛合金应力接头产品示意

1.2设计方法

应力接头固定在平台侧部，立管自身质量使应力接头长期承受竖向拉力，同时风、浪、涌、流和潮汐等影响因素会使得立管产生360°各向摆动，对应力接头的结构合理性以及性能稳定性均提出了严苛的要求。TSJ工作时的受力分析如图2所示，在底部与立管的连接处，存在轴向张力、弯曲力矩和剪切力(图中的T、M和F)[4]。应力接头结构设计的关键是变形锥形段结构参数的确定，包括总长度、内径、锥形轮廓、锥形顶部和底部直径。

图2 TSJ典型受力和力矩分布

在Cormack C.Gordon等[5]人的研究中，提出了直锥形式和套管式两种应力接头结构(如图3所示)，来建立钻井隔水管顶部安装锥形应力接头设计模型，以使在可接受的应力水平内沿应力接头的长度方向上平衡应力。给出了配置直锥形应力接头的方法。该方法有助于进行应力接头的初步设计，以进行静态和动态分析。

在中海油研究中心申请的发明专利[6]中涉及一种基于顶部张紧式立管的应力接头及其优化设计方法，该应力接头的设计方法特征在于：应力接头呈锥体形，其内径恒定不变，外径由顶端到底端逐渐变大，壁厚逐渐增加，应力接头的顶端与立管连接，底端连接水下井头系统。郑文青和杨和振[7]通过有限元模拟研究发现，优化锥形应力接头设计几何参数可以有效降低最大应力值并提高疲劳寿命。

在有限的资料中，钢悬链立管顶部安装的应力接头设计研究未见公开报道。以上设计方法主要是针对钻井隔水管和顶部张紧式立管中锥形应力接头，钢悬链立管由于悬挂和受力状况有所不同，因此，上述文献介绍的方法不能直接用于钢悬链立管应力接头的设计，需要研究建立适合于钢悬链立管应力接头的模型，并开发相应的设计计算方法。

图3锥形和套管应力接头简化模型

2、钛合金应力接头制造

2.1材料要求

根据标准DNV-RP-F201[8]钛合金立管的设计，列出了在立管中推荐使用的钛合金牌号，国际上钛合金应力接头材料通常选用损伤容限Gr.23钛合金[9]、Gr.23钛合金属于损伤容限型钛合金，是具有高断裂韧性和慢裂纹扩展速率的中强钛合金，该类合金的合金元素特征是间隙元素C、N、O和杂质元素Fe的含量显著降低，成为强度、塑性、断裂韧性、抗裂纹扩展速率等综合力学性能匹配较佳的高强韧钛合金。若最高使用温度超过75℃，并且对缝隙腐蚀和局部腐蚀的抵抗力有严格要求，则使用添加贵金属Ru的Gr.29钛合金，提高盐水环境中的应力腐蚀开裂抵抗力。

2.2加工制造

基于锥形应力接头结构设计，应力接头制造工艺采用锻造挤压成型制造工艺。工艺路线：钛合金铸锭→锻成锥形钛棒→热穿孔或挤压成管坯→两相区热轧→退火热处理→机械加工。

通常在下法兰上方的锥形部分底部留下一段立管段使制造更加容易，并且能够在必要时切断和重新焊接下法兰。延伸部分还使法兰和焊缝远离高弯矩区域。一般假设超长厚壁锥形无缝管都是通过分段预制造后，使用焊接对接。制造完成后，应力接头通常都是通过车床车削对焊缝、孔径和外径进行精加工和表面光洁度改进。由于钛合金的导热系数很小，且弹性模量低。在切削过程中，会产生较小的切削变形和较大的弹性回复，切削时产生的热量不易传出，切削温度很高，加剧刀具磨损，降低使用寿命，目前已有大量的研究致力于改善钛合金的切削加工性能[10-11]。在应力接头的无损检测方面，由于Ti无磁性，除磁粉探伤外，大多数常规无损检测方法，如超声检测、荧光渗透检测，射线探伤均可用于钛合金应力接头的检验。

3、结束语

通过SCR应力接头国内外研究现状调研，充分获取的技术信息基础上，提出国内外目前锥形应力接头的理论性不能完全符合钢悬链立管顶部安装锥形应力接头的力学模型，需进一步研究提出SCR应力接头结构设计优化方法。同时为实现钛合金应力接头的自主国产化制造和应用，还需进一步研究和探索钛合金应力接头的制造工艺和工程试验方法，并在长期的工程实践中不断完善。

参考文献:

[1]侯静,黄兆力,胡平,等.深水钢悬链立管的开发[J].宝钢技术,2021(6):61-67.

[2]尤学刚,黎世龙,张燕飞,等.深水立管柔性接头有限元分析研究[J].中国石油和化工标准与质量,2022,42(7):118-122.

[3]冯雅奇,贾栓孝,王韦琪,等.深潜器载人舱用TC4 ELI钛合金半球壳的研制[J].钛工业进展,2016,33(1):19-22.

[6]贾旭,张崎,矫滨田,等.一种基于顶张紧式立管的应力接头及其优化设计方法:中国,102278075 B[P].2014.01-29.

[7]郑文青,杨和振.深海钢悬链立管应力接头的多轴疲劳分析[J].哈尔滨工程大学学报,2011,32(11):1422-1427.

文章来源:刘新宇,武永锋,宾志湘,等.深水钢悬链立管钛合金锥形应力接头发展综述[J].石化技术,2024,31(08):135-137.