钢悬链立管用柔性接头性能测试研究 (1).pdf

应用与开发第46卷 第8期2023年8月Vol.46 No.8Aug.2023HAN GUAN 焊管WELDED PIPE AND TUBE钢悬链立管用柔性接头性能测试研究李华军，杜卫锋，高光军，吴泽，吕永超，李云帅，王磊，朱少林（西安向阳航天材料股份有限公司，西安 710025）摘 要：为了验证钢悬链立管用柔性接头的各项性能是否满足设计要求，对304.8 mm钢悬链立管用柔性接头进行了最大转动角度、电气连续性、低压氮气、背部密封压力、静水压完整性、带压转动刚度及最大静水压力等各项测试。结果表明，304.8 mm 钢悬链立管用柔性接头的各项性能符合设计要求，满足柔性接头结构完整性、功能性及规范技术要求，可应用于实际工程作业。同时依据钢悬链立管柔性接头工作状态，提出了钢悬链立管柔性接头验收测试方法，解决了柔性接头验收测试问题。关键词：钢悬链立管；柔性接头；工厂验收测试；转动刚度；摆动角度中图分类号：TG113.25 文献标识码：B DOI:10.19291/ki.1001-3938.2023.08.009Study on Performance Test of Flexible Joints for Steel Catenary RiserLI Huajun,DU Weifeng,GAO Guangjun,WU Ze,LYU Yongchao,LI Yunshuai,WANG Lei,ZHU Shaolin(Xian Sunward Aerospace Material Co.,Ltd.,Xian 710025,China)Abstract:In order to verify whether the performance of the flexible joints for steel catenary riser meets the design requirements,the maximum rotation angle test,electrical continuity test,lowpressure nitrogen gas test,back sealing pressure test,hydrostatic integrity test,pressurized rotational stiffness test,and maximum hydrostatic pressure test of flexible joints for 304.8mm steel suspension chain risers have been conducted.The results show that the performance of the flexible joint used for 304.8 mm steel catenary riser meets the design requirements,the integrity,functionality,and specification technical requirements of the flexible joints,and can be fully applied to the operations.Meanwhile,according to the working state of steel catenary riser(SCR)flexible joints,the test method of steel catenary riser(SCR)flexible joints acceptance testing was successfully developed,and the problem of flexible joint acceptance testing was solved.Key words:steel catenary riser;flexible joint;factory acceptance test;rotational stiffness;swing angle0前 言随着海洋油气开采逐渐向深海延伸，海上浮式油气生产平台应用越来越广泛1。而浮式结构在风、浪、流等作用下，往往会产生较大的运动响应2。立管系统作为连接海面浮式平台和海底设备的通道，是输送各种介质的重要环节3。钢悬链立管（SCR）作为一种新型的海上石油开采装置，由于其具有成本低、适用于高温高压环境等特点，目前得到广泛应用4。钢悬链立管一端连接井口，另一端连接浮式结构，集海底管线与立管于一身5。立管顶部的疲劳设计是立管设计的关键问题之一，而柔性节点连接方案是解决这一问题的成熟技术6。钢悬链立管柔性接头广泛应用在深水立管系统中，在连接立管和上部浮体的同时还可以增强连接部位的强度，抵抗浮体运动7。柔性接头是连接钢悬链立管系 592023年 第 46 卷焊 管统与浮式平台的关键部件8，它能够显著降低浮式平台与钢悬链立管之间的运动动力，可适应不同的连接方式。随着我国深海开发战略的实施，深水钢悬链立管系统在深海油气田开发中得到了越来越多的应用，如“陵水 17-2”项目、“荔湾3-1”项目等9。由于柔性接头的设计理论及制造工艺等技术门槛较高，且涉及技术垄断10，我 国 一 直 被 迫 依 赖 高 价 进 口，属 于“卡脖子”高端深海装备的典型代表。基于我国海洋深水资源开发的迫切需求，西安向阳航天材料股份有限公司（以下简称西安向阳航材公司）依托航天军工技术，将固体火箭发动机的柔性喷管军用技术进行了民用转化11，成功研制开发了钢悬链立管柔性接头产品。由于钢悬链立管柔性接头特殊的海洋使用环境，柔性接头一旦失效，其更换成本非常高，同时会对环境造成极大的污染，因此出厂前对钢悬链立管柔性接头性能的检测至关重要。本研究借鉴固体火箭发动机柔性喷管摆动实验原理，根据钢悬链立管柔性接头工作状态，提出了钢悬链立管柔性接头工厂验收试验方法，解决了柔性接头出厂前验收测试问题。1柔性接头结构和设计参数1.1柔性接头结构钢悬链立管用柔性接头结构如图 1 所示，主要包括连接法兰、主体、弹性体、延伸管等组件。连接法兰用于连接海洋采油气平台；主体为承压部件，用于悬挂固定柔性接头；弹性体是柔性转动部件，能够实现柔性转动；延伸管用于连接海底采油气立管。柔性接头的核心部件为弹性体，弹性体由 n 层高强度金属增强钢板和（n+1）层橡胶层组成；高强度金属增强钢板为薄壁双球面环状，n层高强度金属增强钢板通过等壁厚的橡胶层粘接而成，且回转中心为同一球心；柔性接头依靠（n+1）层橡胶层的超强弹性和延展性，使立管围绕回转球心实现空间柔性摆动。1.2柔性接头的设计参数由于每个海洋浮式平台所在的海洋环境工况不一样，因此钢悬链立管系统用柔性接头需要根据具体的海洋工况载荷进行设计。柔 性 接 头 设 计 可 以 参 考 的 标 准 有 API RP 2RD12、API RP 2A-WSD13，DNV-RP-F20614和 API 17D15等。根据“陵水 17-2”项目的工程设计要求，制造了 304.8 mm 深水钢悬链立管用柔性接头产品，柔性接头的设计参数见表 1。2验收测试及要求依据西安向阳航材公司的柔性接头验收规范（FAT），对该柔性接头产品进行工厂验收测试，柔性接头的工厂验收测试项目和要求如下。2.1最大转动角度测试测试柔性接头延伸件的摆动角度，要求延伸件的旋转角度 25，达到目标旋转角度后，图1钢悬链立管用柔性接头结构示意图表1304.8 mm钢悬链立管柔性接头的设计参数外径连接尺寸/mm304.8水深/m1 500工作温度/-1065 最大转动角度/（）25设计工作压力/MPa38小角度转动刚度（0.35）/（kN m/（）3342最大设计轴向载荷/kN5 000使用寿命/a30 60第8期李华军等：钢悬链立管用柔性接头测试研究HAN GUAN 目测弹性体是否完好。2.2电气连续性测试该测试的目的是通过接地带测量延伸件和连接法兰之间的电气连续性。检查应在安装好连接法兰和柔性接头，并与测试设备电气隔离后进行。测量柔性接头延伸件和连接法兰之间的电阻，电气连续性使用毫欧表进行测试，电阻值 10 m。2.3低压氮气完整性测试对柔性接头进行气体压力测试，以检测是否泄漏并确保结构的完整性。低气压测试压力值为0.200.27 MPa，测试介质为氮气，保压30 min，目视监测，并采用皂液检查所有接头，以确认测试期间没有外部气体泄漏。2.4背部密封压力测试该测试的目的是测试密封圈的密封效果，压力测试压力值为（1.40.07）MPa，测试介质为氮气，保压30 min，在保压期间，压力应保持在测试压力的5%以内。如果压力不符合要求，应立即检查并及时处理。2.5静水压完整性测试静水压完整性测试压力值为（160.83）MPa，保压 30 min，当压力变化率不超过每小时测试压力的 5%时，视为稳定压力，压力稳定后，API 6A16要求压力变化保持在测试压力的 5%以内。2.6带压转动刚度测试柔性接头在压力（20.50.83）MPa 的条件下进行转动刚度测试，测试的基准角度包括0、1、2、3四个角度。柔性接头的强度和疲劳与转动刚度曲线如图 2 所示，测试结果应位于柔性接头强度曲线和疲劳曲线之间。应注意，单一的离散值并不能够判定该接头不符合要求。2.7最大静水压力测试最大静水压测试压力值为（572.8）MPa，无轴线载荷，介质为水，保压 480 min，当压力变化率不超过每小时测试压力的 5%时，应视为稳定压力。压力稳定后，API 6A 要求压力变化保持在测试压力的 5%以内或3.45 MPa以内，以较低者为准。3测试过程和结果3.1最大转动角度测试将柔性接头夹持在试验台上，用两个工程油缸接力推动延伸件摆动极限转动角度。期间实时测量转动的角度（精度0.1），形成时间-角度曲线。转动角度测试曲线如图3所示。测试结果表明，延伸件的最大转动角度为25.6，在测试过程未发现泄漏等异常情况，且目测弹性体完好，满足验收标准要求。3.2电气连续性测试将延伸件与测试试验设备电隔离，在连接法兰的螺栓处接导线，导线的另一端连接直流低电阻计的黑线夹，直流低电阻计的红线夹接触延伸件的下端。测试结果表明，直流低电阻计有电阻显示，连接法兰与延伸件之间为电导通状态，且直流低电阻计显示的电阻值为0.137 m，满足验收标准要求。3.3低压氮气完整性测试试验选择量程为 1.6 MPa 的压力表和量程为 3 MPa 的压力变送器，连接打压设备与测试图3转动角度测试曲线图2柔性接头的强度和疲劳与转动刚度曲线 612023年 第 46 卷焊 管柔性接头，使用氮气作为测试气体。向柔性接头内通入 0.27 MPa的氮气，压力调整减低至0.23 MPa 开始保压，保压 30 min，保压期间用皂液检查所有接头，保压结束的压力值为0.23 MPa，记录压力-时间曲线。低压氮气测试曲线如图4所示。结果表明，压力保持期间，目视监测所有接头，未发现漏气冒泡现象，保压期间压力值一直保持为 0.23 MPa，没有压力降低，可以确认在测试期间没有外部气体泄漏，满足验收标准要求。3.4背部密封压力测试选择量程为2.5 MPa的压力表和量程为3 MPa的压力变送器，连接打压设备与测试柔性接头，使用氮气作为测试气体，打压至1.47 MPa开始保压，保持30 min，保压结束的压力值为1.42 MPa，测试中记录压力-时间曲线。背部密封压力测试曲线如图5所示。测试结果表明，压力保持期间，压力值降低为3.4%的测试压力，满足验收标准要求。3.5静水压完整性测试选择量程为25 MPa的压力表和量程为80 MPa的压力变送器，连接打压设备与测试柔性接头，打压至 16.83 MPa 开始保压，保压 50 min，保压结束的压力值为 16.5 MPa，测试中记录压力-时间曲线。静水压完整性测试曲线如图 6所示。测试结果表明，在压力保持期间，压力值降低为2%的测试压力，满足验收标准要求。3.6带压转动刚度测试连接打压设备与测试柔性接头，打压至20.5 MPa 开始保压，保压期间进行转动刚度测试，将延伸件分别推动 0、1、2、3四个角度，在这四个角度基础上再来回分别摆动0.5、0.75、1三个角度，每个角度摆动5次，取最后一次数据。转动刚度测试结果见表2，测试结果表明柔性的转动刚度符合设计要求。不同测试角度转动刚度曲线如图7所示。其中，0.75时力矩与角度曲线如图8所示。表2带压转动刚度实测结果序号1234基准角度/（）0123摆动角度/（）0.500.751.000.500.751.000.500.751.000.500.751.00测试角度/（）0.520.761.020.540.741.000.500.760.980.520.740.9824 刚度测试值/（kN m/（）44.2343.4241.1841.1142.1639.5048.0044.6140.8251.5449.0540.62折算23 刚度值/（kN m/（）46.1545.3142.9742.9043.9941.2250.0946.5542.5953.7851.1842.39图4低压氮气测试曲线图5背部密封压力测试曲线图6静水压完整性测试曲线 62第8期李华军等：钢悬链立管用柔性接头测试研究HAN GUAN 3.7最大静水压力测试选择量程 100 MPa 的压力表和量程 80 MPa的压力变送器，连接打压设备与测试柔性接头，设置压力值 58.5 MPa，打压至 58.5 MPa，保压670 min，保压结束的压力值为57.87 MPa，测试中记录压力-时间曲线，如图9所示。在压力下对柔性接头进行了检查，查看是否有渗漏和结构损坏的迹象。压力与轴线位移曲线如图10所示。从图10可知，随着柔性接头内部压力的升高，柔性接头的轴线位移随之增加，但增加趋势减缓。在压力保持期间，未发现泄漏或损坏的迹象，满足验收标准要求。4结 论（1）针对“陵水 17-2”项目的工程设计要求17-18，设计制造出 304.8 mm 深水钢悬链立管柔性接头产品，实现了柔性接头产品的国产化。（2）通过304.8 mm深水钢悬链立管柔性接头最大转动角度、电气连续性、低压氮气完整性、背部密封压力、静水压完整性、带压转动刚度及最大静水压力等各项指标验收测试，结果完全符合设计要求，满足柔性接头结构的完整性、功能性和规范要求。（3）借鉴固体火箭发动机柔性喷管摆动实验原理，根据钢悬链立管柔性接头工作状态，成功开发了钢悬链立管柔性接头工厂验收测试方法，解决了柔性接头工厂验收测试问题。同时建立了深水钢悬链立管柔性接头产品的制造和测试验收体系，解决了我国自主设计建造海洋平台的“卡脖子”难题，对我国海洋资源的自主开发起到关键作用。参考文献：1 侯静，黎世龙，吴泽，等.钢悬链立管柔性接头国际专利布局以及技术特点分析 J.中国石油和化工标准与质量，2022，42（1）：180-183.2 李传凯.钢悬链线立管静力及波激疲劳分析 D.大连：大连理工大学，2008.3 刘培林，金鑫，段梦兰，等.深水立管顶端柔性节点设计及非线性分析 J.中国海洋平台，2012，27（5）：12-15，26.4 黎世龙，侯静，张燕飞，等.基于FMECA的钢悬链立管（SCR）柔性接头可靠性分析 J.中国金属通报，2022（1）：187-189.5 BAI Y，BAI Q.Subsea pipelines and risersM.Amsterdam：Elsevier Science，2005.图10压力与轴线位移曲线图80.75时的力矩与角度曲线图7实测转动刚度值图9最大静水压力测试曲线（下转第68页）632023年 第 46 卷焊 管参考文献：1 任润卯，马陈勇，高学明.海南24平台导管架管节点焊接质量控制 C/第十三届中国海洋（岸）工程学术讨论会.南京：中国海洋工程学会，2007：85-87.2 邢树宏.从UT检验结果分析T、K、Y形管节点焊前根部间隙对焊接质量的影响 J.中国海上油气（工程），1989，1（5）：35-38.3 朱斌，齐伟.打桩船桩架管节点焊接研究 J.金属加工（热加工），2013（22）：36-38.4 周振丰.焊接冶金学与金属焊接性（修订本）M.北京：机械工业出版社，1988.5 闵祥军，王文贵.海洋钢结构 TKY管节点的焊接工艺 C/2010全国钢结构学术年会论文集.北京：中国钢结构协会，2010：542-544.6 宋金虎.焊接方法与设备 M.大连：大连理工大学出版社，2010.7 DNV.Fabrication and testing of offshore structures：DNV GL-OS-C401 S.Oslo，Norway：DNV，2018.8 DNV.Metallic materials：DNV GL-OS-B101 S.Oslo，Norway：DNV，2018.9 BSI.Execution of steel structures and aluminium structures-Part 2：technical requirements for steel structures：BS/EN 10902：2018 S.London：BSI，2018.10 BSI.WeldingFusion-welded joints in steel，nickel，titanium and their alloys（beam welding excluded）Quality levels for imperfections：BS/EN ISO 5817：2014 S.London：BSI，2014.11 BSI.Destructive tests on welds in metallic materialshardness testing：BS EN ISO 9015-1：2011 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