海底管线水下封堵高压管卡的设计.pdf

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1、第32卷第2期2015年4月江苏船舶JIANGSUSHIPV01．32No．2Apr．2015海底管线水下封堵高压管卡的设计传建，马月聪(天津市海王星海上工程技术股份有限公司，天津300384)摘要：以设计压力为14MPa的304．8mm(12in)管卡的设计为例，简述了水下高压管卡从材料选择、结构和密封形式确定到结构分析以及密封设计校核的整个设计方法，且本设计经样机的打压试验验证，结构强度和密封性能均达到了预期的设计效果，对后续的高压管卡设计具有参考价值。关键词：海底；管线；高压管卡；封堵；密封设计；密封圈中图分类号：U66

2、4．84文献标志码：AO引言在海底管线设计寿命内，由于腐蚀或者其他机械损伤等因素导致管线泄漏的事故时有发生，管线一旦泄漏将污染海洋环境，造成巨大经济损失。当前国内的大量管线泄漏事故推动国内封堵技术的发展，但大多集中在压力不超过6MPa的情况，在设计压力高于6MPa的高压管卡研制技术上还缺乏实践经验。因此，本文以设计压力为14MPa的304．8mm(12in)管卡为设计实例进行了高压管卡的设计阐述，以推动国内海管抢修中高压管卡技术的发展。1管卡结构设计1．1材料选择1．1．1结构材料本高压管卡的设计压力等级达到14MPa，材料宜

3、考虑锻件或铸件。吊耳、合页等附件采用GB／T700Q235B材料，铸件采用GB／T1352ZG200---400级材料。1．1．2密封材料管卡常用的密封材料有密封胶和橡胶条。带压堵漏用的密封胶产品在市场上种类比较多，封堵压力大多能达到58MPa以上。注胶密封形式在当前封堵抢修市场上积累了大量成功经验。橡胶密封是采用橡胶条，通过对橡胶条的挤压实现密封堵漏。在以往常规管卡(不超过6MPa)的设计中，基本上均采用了丁腈橡胶材质，无论是在打压试验或是安装后均没有出现泄漏问题，考虑到高收稿日期：2015-01·13作者简介：传建(198

4、4一)，男，工程硕士，工程师，主要从事海洋工程结构物的研究和设计工作。压管卡(不小于14MPa)的要求，本项目采用了性能更好的氟橡胶材质。橡胶通过浇铸模具铸成设计的橡胶圈／条尺寸，在管卡安装前可以提前将密封条放置在设计位置，缩减了水下安装过程中的工艺过程。1．1．3紧固件结合以往安装经验，采用双头螺柱，但强度级别和验收标准均参照钢结构用高强度大六角头螺栓标准执行。1．2结构选型常用的管卡结构形式主要有不带翼缘型和带翼缘型2种。带翼缘型管卡如图1所示。图1带翼缘型管卡带翼缘管卡的优点是结构形式简单，易于加工制造，可以采用铸件直接

5、加工而成，结构重量轻，方便安装。该结构形式的缺点是材料选择和加工工艺单一，只能采用铸钢件加工。该形式管卡适用于压力较高且对安装重量要求较高的情况。1．3管卡的密封形式选型采用橡胶条密封的管卡主要有常规密封和机械式密封2种密封形式。常规密封结构形式简单，重量轻，在水下安装过程中的施工工作量相对较小。常规的橡胶条密封如图2所示。12江苏船舶第32卷俐2再j’舰的像胶杀攒封机械式密封构造相对复杂一些，主要体现在端部径向密封位置，需要增加顶紧法兰，同时也增加了水下安装过程中的施工工作量。考虑到方便潜水员水下安装的要求，本文采用常规密封

6、形式。2结构强度分析2．1基本参数高压管卡的主体部分由铸钢浇铸而成，材质为GB／T11352ZG200，屈服强度为200MPa。连接用螺柱选用12．9级M36×350，弹性模量为2．1×10¨N／m2，泊松比为0．3。2．2螺柱连接的强度分析上下管卡靠螺柱提供的预紧力来保持密封条的紧密贴合，保证密封性。螺柱的个数为16个，屈服强度为1080MPa，许用应力为360MPa，试验压力为14MPa，安全系数为3，有效面积A，为816．7mm2。管卡的内压为14MPa，密封圈内的最大长度为600mm，最大宽度为357mm。密封槽内与密

7、封圈接触处的面积为27812mm2，压力按28MPa计算。管卡所受的垂直凸缘法兰面的力为：F总=3777536N单个螺柱的受力为：F=F总／16=236096N则螺柱的应力为：盯=F／A。=289．09MPa螺柱的应力小于其许用应力360MPa，因此螺柱的强度满足要求。2．3管卡的强度分析2．3．1计算模型由于上下管卡的模型和受力情况相同，为此选取其中1个的1／2进行强度校核。采用Solid45单元进行模拟，对管卡进行有限元分析计算，管卡的计算模型如图3所示。2．3．2载荷及约束条件根据模型的对称性，选取了管卡的1／4进行计算

8、。对管卡与螺母的接触圆环面进行3个方向自由度的约束，在对称平面处施加对称约束，其他位置未作约束。将管卡的内压14MPa施加在管卡内部对应的受力位置上。2．3．3计算结果计算结果的应力云图如图4所示。Ⅲ--⋯㈣

9、≯～一。。一～一图4管卡的应力云图管卡的最大位移很小，仅为0．30