細長型井口回接連接器設計

高 攀，段夢蘭，董 楠，潘曉東，曹 靜，何 楊

（1.復旦大學力學與工程科學系，上海200433；2.中國石油大學海洋油氣研究中心，北京102249；3.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；4.中海油研究總院，北京100027） ①

細長型井口回接連接器設計

高 攀1，段夢蘭2，董 楠2，潘曉東3，曹 靜4，何 楊3

（1.復旦大學力學與工程科學系，上海200433；2.中國石油大學海洋油氣研究中心，北京102249；3.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；4.中海油研究總院，北京100027）①

井口回接連接器是頂部張緊立管的重要組成部分，對維持垂直通道的完整性有重要作用。介紹了細長型井口回接連接器的結構、工作原理、主要技術參數和原理樣機的制造；計算了鎖緊力和關鍵部件的強度。設計的細長型井口回接連接器用于連接頂部張緊立管和水下井口，具有尺寸小、安裝方便、操作安全可靠等優點，適用于多種浮式平臺，尤其是SPAR平臺。

浮式開采平臺；井口連接器；結構；技術指標

頂部張緊立管是目前深水油氣開發中最常用的立管之一，其對平臺穩定性要求較高，在深水中通常只能用于半潛式平臺、張力腿平臺和SPAR平臺。頂部張緊立管包括張緊器系統、標準單根、特殊單根（龍骨單根、錐形應力單根等）和回接連接器等。回接連接器是頂部張緊立管系統的重要組成部分，用于連接頂部張緊立管和水下井口，同時承受巨大的壓力、彎矩和拉伸載荷。回接連接器連接在錐形應

細長型井口回接連接器結構細長，可以順利地通過平臺下放，克服了傳統井口回接連接器的缺點；可以承受較大的壓力、彎矩和拉伸載荷，確保鉆采生產的安全。隨著我國對深水及超深水海域的鉆探開發，越來越多的頂部張緊立管和井口回接連接器會被應用于半潛式鉆井平臺、張力腿平臺和SPAR平臺［1－2］。

1 總體方案及主體結構

1.1 總體方案

井口回接連接器主要用于連接頂部張緊立管和水下井口，維持垂直通道的完整性。井口回接連接器上端與頂部張緊立管通過法蘭連接，通過平臺上的垂直通道下放至海底與井口連接，在工作中承受巨大的壓力、彎矩和拉伸載荷。頂部張緊立管對平臺的運動性能要求較高，通常只適用于張力腿平臺和SPAR平臺。受自身尺寸限制，張力腿平臺和SPAR平臺的垂直通道尺寸有限，外徑較大的回接連接器無法通過［3］。本文設計的細長型井口回接連接器外徑更小，能夠很好地適用于張力腿平臺和SPAR平臺。

設計的連接器主要結構均為圓柱筒狀結構，如圖1。連接器最內部是本體結構，本體上端的法蘭盤與頂部張緊立管下端連接，內部與立管中空部分相通。連接器最外層為外殼結構，可以抵御海水的壓力，下端設有喇叭口，在安裝時起到一定的導向作用。外殼和本體之間為活塞筒，它與本體和密封環分別圍成2個液壓腔室，分別用于鎖緊和解鎖。位于活塞筒之下的是鎖緊環，它是一個C形的開口環，是連接器的關鍵部件；鎖緊環內壁加工有凹凸的槽，與井口外壁上的凹凸槽配合。本體下部配合有支撐環和支撐腿，用于支撐整個連接器，連接器和井口之間由金屬密封環密封。

連接器上有2個液壓通道，分別用于鎖緊和解鎖，如圖1。當液壓管1通入液壓油，液壓管2流出液壓油時，活塞筒向下運動，驅動鎖緊環向內收縮，卡在井口外壁上；反之，活塞筒向上運動，鎖緊環向外彈開，解除鎖定。除液壓解鎖外，解鎖盤還可以實現機械式解鎖，當解鎖盤在ROV操作下向上運動時，可以通過螺栓帶動活塞筒向上運動，從而進行解鎖。

圖1 細長型井口回接連接器結構

1.2 主體結構

主體結構包括本體和外殼2部分，本體是連接器的中心部分，提供立管到井口之間的通道，外殼保護連接器內部，抵御外部水壓。

1.2.1 本體

連接器本體（如圖2）上部有與立管連接的法蘭，中部有帶有通孔的大凸臺，下部有凹槽與支撐環配合，下端部有與金屬密封圈配合的內錐面。為與外殼配合，本體中部大凸臺外表面加工螺紋（或加工螺紋孔，采用螺栓連接）。大凸臺上有多個通孔，供解鎖螺栓和液壓管通過。本體中部的大凸臺之下還有1個小凸臺，用于和活塞筒構造液壓腔，小凸臺上加工有密封槽。

圖2 連接器本體

1.2.2 外殼

外殼呈薄圓筒狀，外徑比本體稍大，上部有內螺紋與本體配合，下部有內凸臺，下端呈喇叭口狀。外殼承受巨大靜水壓力和拉伸載荷，需采用優質鋼材制造。

1.3 鎖緊和解鎖機構

鎖緊和解鎖機構主要由活塞筒、鎖緊環和解鎖盤組成，用于實現連接器與井口之間的連接和斷開。

1.3.1 活塞筒

活塞筒（如圖3）呈空心筒狀，主要用于驅動鎖緊環收縮。活塞筒上端加工有多個螺紋孔，其中2個螺紋孔內加工有液壓通道，其余螺紋孔與解鎖螺栓連接。活塞筒內部中上部位有1個凸臺，可與本體和密封環分別構建2個液壓腔，凸臺內壁加工有密封槽。活塞筒內部中下部位有1個內錐面，當活塞筒向下運動到一定位置后，此錐面能坐接于支撐腿外側，起到限位作用。活塞筒下端還有1個錐面，此錐面能夠與鎖緊環外錐面配合，驅動鎖緊環收縮。

圖3 活塞筒

1.3.2 鎖緊環

鎖緊環（如圖4）是一個C形的開口圓環，內壁加工有與井口外壁配合的凹凸槽，外壁分為上、下2段，中間斜面過渡，斜面與活塞筒下端內錐面配合。當活塞筒向下運動時，活塞筒下端錐面沿鎖緊環外壁錐面運動，從而推動鎖緊環向內收縮，使鎖緊環的內壁卡入井口的外表面，實現與井口連接。當活塞筒向上移動，鎖緊環外壁不再受到限制時，鎖緊環自動彈開，實現與井口的斷開。鎖緊環必須具有良好的彈性，因此采用優質彈簧鋼制造［4］。

圖4 鎖緊環

1.3.3 解鎖盤

解鎖盤（如圖5）呈圓環狀，為便于裝配，由2個半圓環拼成。解鎖盤分為上、下2部分，直徑上部大、下部小，上部和下部之間形成1個臺肩，以供ROV進行操作。解鎖盤上有多個通孔，供解鎖螺栓和液壓管通過，液壓管和解鎖螺栓的下端與活塞筒連接。當液壓解鎖失效時，可利用ROV操作解鎖盤向上運動，從而帶動活塞筒向上運動，斷開與井口的連接。

圖5 解鎖盤

2 初步計算與技術參數

主要包括鎖緊力計算和關鍵部件的強度計算。井口回接連接器既承受上部立管對它的拉力，又承受內部壓力、海水靜載和海流的作用［5－6］。初步計算使用ABAQUS軟件，考慮外部水壓17MPa、內部壓力34.5MPa（5 000psi）和拉伸載荷1 000kN。

在鎖緊過程中，活塞筒所受作用力的變化如圖6所示。由圖6可見，鎖緊過程最大作用力約為55 kN，由活塞筒內液壓作用面積可換算出最大液壓壓力約為2.3MPa。正常工作時，在所有載荷的作用下，連接器的危險點位于鎖緊環上，如圖7。因此，鎖緊環必須采用優質彈簧鋼制造。

圖6 連接器鎖緊過程作用力

圖7 C形鎖緊環應力分析結果（MPa）

根據細長型井口回接連接器的設計和初步計算結果，確定其主要技術參數為：

安全工作載荷 1 000kN＋2.5MN·m

工作水深 1 700m

操作壓力 5MPa

鎖緊液量 1.1L

解鎖液量 1.2L

最大外徑 825.5mm（32.5英寸）

3 樣機制造

以1∶2的比例制造的樣機如圖8。樣機能夠順利地實現連接器的鎖緊和解鎖。在樣機制造、試驗過程中遇到了一些問題，但都得到解決，據此總結出了一些經驗和教訓。

1） 樣機的筒狀結構、單個零部件較重以及各個零部件之間的過渡、過盈配合使得裝配過程耗時較長。

2） 樣機活塞上的液壓通道是由鉆床鉆通孔，之后焊接外部的工藝加工而成，其焊接質量極其重要。

3） 現場試驗結果表明：C形環的鎖緊效果明顯，但是在解鎖后回接連接器不能順利地從井口上移除，經過拆卸發現C形環發生了輕微的塑性變形。分析表明：對C形環的材料選擇以及熱處理要求較高，若選擇不當則不會達到預計的設計效果。

圖8 細長型井口回接連接器原理樣機

4 結論

1） 設計的細長型井口回接連接器結構細長，采用液壓驅動，具有備用機械解鎖裝置。

2） 該連接器具有尺寸小、安裝方便、操作安全可靠等優點，特別適用于垂直通道空間較小的平臺。

3） 在后續工作中，應該對該井口回接連接器的密封性能進行深入的研究，提高其可靠性。

［1］ 趙洪山，劉新華，白立業.深水海洋石油鉆井裝備發展現狀［J］.石油礦場機械，2010，39（5）：68－74.

［2］ O’Sullivan E J，Shilling R B，Conair A D，et al.Horn Mountain Spar Risers——Evaluation of Tension and Installation Requirements for Deepwater Dry Tree Risers［C］／／Houston：Offshore Technology Conference，2003.

［3］ Skeels H B，Johnson J B，Koleilat B M，et al.Development of a Novel Tieback Connector with High Mechanical Strength Capacity for Spar Floating Production Facilities and Their Production Risers［C］／／Houston：Offshore Technology Conference，1997.

［4］ 鋼鐵材料手冊總編輯委員會.鋼鐵材料手冊：第8卷［K］.北京：中國標準出版社，2004.

［5］ 蘭洪波，張玉霖，菅志軍，等.深水鉆井隔水管的應用及發展趨勢［J］.石油礦場機械，2008，37（3）：96－98.

［6］ 張宗峰，袁姍姍，張立平.隔水管快速接頭有限元分析［J］.石油礦場機械，2009，38（6）：42－46.

Design of Slim Wellhead Tieback Connector

GAO Pan1，DUAN Meng－lan2，DONG Nan2，PAN Xiao－dong3，CAO Jing4，HE Yang3
（1.Department of Mechanics and Engineering，Fudan University，Shanghai 200433，China；2.Offshore Oil ＆Gas Research Center，China University of Petroleum，Beijing102249，China；3.Offshore Oil Engineering Company，Ltd.，Tianjin300451，China；4.CNOOC Research Institute，Beijing100027，China）

Wellhead connector is an important part of a top tensioned riser and plays a very important role in maintaining the integrity of the vertical access.In this paper，the general design and main components of the slim wellhead connector are provided；the working principle and technical parameters of the connector are introduced；the development of prototype is presented；the primary analysis and calculation are made；and the characteristics of the connector are discussed.The slim wellhead tieback connector provided is used for connecting a top tensioned riser and a subsea wellhead.The connector provided，which has many advantages like small size，convenient installation and reliable operation and so on，can be used for TTRs on several kinds of platforms，especially the SPAR platform.

floating production platform；wellhead connector；structure；technical index

1001－3482（2011）12－0029－04

TE952

A

2011－06－14

國家高技術研究發展計劃（863計劃）專項經費資助（2008AA09A105－01）

高 攀（1989－），男，河南南陽人，博士研究生，主要從事海洋石油裝備力學方面的研究，E－mail：gaopan1989＠yahoo.cn。力單根下部（或制作為一個整體），由平臺上的垂直通道下放至井口。由于平臺整體尺寸限制，張力腿平臺和SPAR平臺的垂直通道尺寸較小。傳統的井口回接連接器尺寸較大，難以適用于大尺寸的井口和立管。