深水水下連接器的對比與選擇

董衍輝，段夢蘭，王金龍，郭 宏

（1.中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2.復旦大學力學與工程科學系，上海200433；3.中海石油研究總院，北京100027） ①

深水水下連接器的對比與選擇

董衍輝1，段夢蘭1，王金龍2，郭 宏3

（1.中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2.復旦大學力學與工程科學系，上海200433；3.中海石油研究總院，北京100027）①

水下連接器的選擇是水下生產(chǎn)系統(tǒng)設計的關(guān)鍵技術(shù)。把國外深水水下連接器產(chǎn)品分為3類，對比分析得到每一類連接器的特點和適用性。指出在水下連接器的選擇中需要考慮的要點。介紹了Gemini氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)中連接器的選擇過程。

深水；水下連接器；分類；選擇

水下生產(chǎn)系統(tǒng)是深水油氣開發(fā)技術(shù)中不可缺少的一部分。它包括水下井口、采油樹、管匯、PLET、PLEM等，這些設備可以將從各個井口產(chǎn)出的油氣進行匯集，通過立管輸送到平臺。一些水下生產(chǎn)系統(tǒng)還具有油氣處理設備，可以對油氣進行簡單的除砂、水分離等，使油氣的輸送更容易。水下生產(chǎn)系統(tǒng)的所有設備都要通過跨接管或海底管線連接在一起。

水下連接器用于跨接管與水下設備（管匯、采油樹、PLET、PLEM等）的連接。淺水油氣田水下設備的連接通常采用螺栓和法蘭，并由潛水員進行連接。對于潛水員難以到達的深水油氣田，只能依靠ROV（Remotely Operated Vehicle）。螺栓法蘭的連接操作比較復雜，而且連接前的管道對中比較困難，ROV難以完成，因此需要專用的深水水下連接器。目前，國外已有多家公司具備了水下連接器的設計和制造技術(shù)，而且產(chǎn)品呈現(xiàn)多樣化。由于我國深水油氣的開發(fā)起步較晚，大多數(shù)的水下生產(chǎn)設備仍然需要進口，這其中就包括水下連接器。在當前大力發(fā)展深水油氣的背景下，對水下連接器的深入調(diào)查研究是非常必要的。

1 水下連接器的特點及其適用性

國外水下連接器的生產(chǎn)公司包括FMC、Cameron、GE、Aker Solution和Oil States。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，水下連接器可以從3個方面來分類：根據(jù)連接原理上，水下連接器可以分為套筒式連接器和卡箍式連接器2類；從連接方向分類，水下連接器可以分為垂直連接器和水平連接器2種；對于套筒式連接器，又可以根據(jù)驅(qū)動方法將其分為液壓式和機械式2類。表1是對各生產(chǎn)商產(chǎn)品類型的調(diào)查整理結(jié)果。每一種分類方法中的2類水下連接器在功能特點和適用性上都有一定的差別，本文將詳細地對比研究這些差別。

表1 水下連接器供應商產(chǎn)品類型調(diào)查結(jié)果

1.1 套筒式連接器與卡箍式連接器

套筒式連接器是目前應用比較廣泛的水下連接器。圖1a是一種典型的套筒式連接器，其連接原理是：將需要連接的跨接管端部（稱之為上轂座）和采油樹或管匯的接口（稱之為下轂座）的凸緣用10～20個相同的卡爪（Collet Segments）扣在一起，采用液壓動力驅(qū)動套筒（也叫驅(qū)動鎖環(huán)Actuator Ring）沿卡爪外側(cè)下滑，將圍成1個圓周的所有卡爪箍緊，安裝過程如圖1b所示。

圖1 垂直套筒式連接器

另一種是卡箍式連接器，應用相對較少。圖2是比較典型的兩瓣卡箍式連接器和三瓣卡箍式連接器。它的主體結(jié)構(gòu)由相互鉸接的兩瓣或三瓣卡鉗組成，并通過液壓螺栓鎖閉。液壓螺栓可以由ROV攜帶相應的扭矩工具擰緊或開啟。其連接原理是：上下轂座的凸緣對好之后，卡鉗開始鉗緊，卡住凸緣的2端，實現(xiàn)鎖緊。

圖2 卡箍式連接器

2種類型的連接器在工程上都具有超過20a的使用歷史，而且都被證明是可靠的。從原理上分析，卡箍式連接器連接方法更簡易，結(jié)構(gòu)更簡單。但結(jié)構(gòu)的簡單是以安裝的復雜化為代價的。通常，卡箍式連接器經(jīng)濟性較套筒式連接器要好，但安裝更費時。另外，在生產(chǎn)過程中如果需要給連接器增加保溫層，選擇卡箍式連接器可方便實施。北海的Gullfaks油田因為對承載能力的特殊需求，墨西哥灣的Gemini氣田由于時間的緊迫性均選擇了套筒式連接器；菲律賓的Malampaya氣田由于可靠性和壽命的需要，墨西哥灣的Troika油田由于保溫的需要都采用了卡箍式連接器［1］。

由于連接原理的差異，2種連接器有許多細節(jié)上的不同。表2對比了2種連接器的優(yōu)缺點，其中的每項特點都可能影響油田選擇連接器。

除了上面提到的2種原理的連接器外，F(xiàn)MC公司還開發(fā)了Torus連接器［3］，其原理類似于套筒式連接器；已被GE并購的VetcoGray公司設計了Mandrel連接器［4］，也是在套筒式連接器的基礎(chǔ)上進行了一定的改進后得到的。

表2 套筒式連接器和卡箍式連接器對比

1.2 機械式連接器與液壓式連接器

套筒式連接器分為機械式和液壓式2種。其主要區(qū)別是驅(qū)動套筒的液壓缸的位置不同，液壓缸在連接器本體上，則稱為液壓式連接器（也被稱為集成連接器）（如圖3）；液壓缸不在連接器上而是在安裝工具上，則稱為機械式連接器（也被稱為非集成式連接器）（如圖1a）。

圖3 Oil States公司液壓式套筒連接器

液壓式連接器安裝更快速，也免除了復雜的安裝工具。但這是以可靠性的降低和單個連接器成本的升高為代價的。機械式連接器在連接安裝完成后沒有液壓裝置留在水下，可靠性更高，連接器本身的成本也較低。2種連接器的區(qū)別如表3。

1.3 垂直連接與水平連接

大多數(shù)類型的連接器都既能用作垂直連接，也能用作水平連接。某種特定形式的連接器的垂直和水平類型并沒有顯著區(qū)別，甚至是相同的，不同的是安裝工具以及安裝過程的難易程度和安裝成本。垂直連接器的對中過程較簡單，因而安裝也更容易。

但是，連接器方向的選擇不是孤立進行的，而是要和跨接管形式的選擇一起來考慮。在某個工程開發(fā)中，要綜合考慮海底地貌、安裝復雜程度和成本等因素來決定跨接管、連接器的方向（水平或垂直）。由于垂直連接比水平連接更簡單，業(yè)界習慣采用垂直剛性跨接管和垂直套筒式連接器連接2個水下設備，這是墨西哥灣工程實踐的經(jīng)驗［5］。但這種經(jīng)驗并不一定適用于任何油氣田。表4對比了垂直連接和水平連接的優(yōu)缺點［6］。

表3 液壓式連接器和機械式連接器的對比

表4 垂直連接和水平連接的比較

垂直連接和水平連接的安裝過程最主要的不同是對中方法的差異。對于垂直連接，對中分為粗對中和精對中2步。粗對中的方法是：通過安裝工具上的對中喇叭口，使安裝工具的圓環(huán)（對中喇叭口的上方）套入下轂座的對中機構(gòu)。精對中的方法是：利用止口結(jié)構(gòu)的配合使上下轂座同軸，從而保證密封成功（如圖4b）。垂直連接器的安裝工具如圖4a。

圖4 垂直連接器安裝工具與精對中結(jié)構(gòu)

對于水平連接，通常有3種方法進行導向?qū)χ小?/p>

1） ROVCON，這種方法采用導向繩對中，也就是利用ROV慢慢收緊導向繩（另一端掛在轂座的兩側(cè)），使連接器漸漸靠近轂座并對中，如圖5a。

2） STABCON，這種方法先進行垂直導向，通過垂直導向機構(gòu)（一般為導向錐）使連接器對接到轂座的垂直接收裝置上，然后利用ROV橫向推進連接器實現(xiàn)對中，如圖5b。

3） FMC公司最新設計的UCON連接系統(tǒng)。UCON相對其他的2種方法都更簡易，它類似于STABCON，也是先通過垂直導向（采用一種導引槽）落在轂座總成的固定裝置上，然后利用液壓缸對連接器進行推進，如圖6。

圖5 FMC傳統(tǒng)水平連接器安裝方法

圖6 FMC新型UCON水平連接器安裝方法

2 水下連接器選擇的影響因素及基本原則

水下連接器在整個水下生產(chǎn)系統(tǒng)投資中僅占了很小的一部分，但它的選擇對生產(chǎn)系統(tǒng)的安裝進度和總投資有很大的影響。因此，選擇水下連接器首先考慮的不是連接器本身的成本，而是怎樣使連接器更好地適合水下生產(chǎn)系統(tǒng)的其他設備并適應安裝時間的要求。如果連接器的選擇不合適，導致水下生產(chǎn)系統(tǒng)開始運行時無法正常生產(chǎn)，那么修復的成本是巨大的。

在水下連接器的選擇中，沒有明確的步驟可以遵循，但是在連接器選型時需要考慮對選型有影響的因素，并遵循一些基本原則。在實際選型中，一些油氣田可能因為對某一項條件有特殊嚴格的要求，這一項就成為連接器選擇的決定性因素。

2.1 影響因素

由于不同類型的水下連接器適用于不同性質(zhì)和特點的油氣田，所以在進行水下連接器的選擇時，要充分考慮油氣田的這些參數(shù)。影響水下連接器的油氣田主要參數(shù)有：

1） 跨接管的設計 跨接管的形式?jīng)Q定了水下連接器的形式。如果跨接管設計為垂直形式，那么水下連接器必須選擇垂直形式。如果跨接管為水平膨脹彎形式，那么水下連接器必須選擇水平形式。另外，跨接管的內(nèi)徑影響套筒式連接器或卡箍式連接器的選擇。如果內(nèi)徑較?。ɡ?101.6mm），那么需要使用套筒式連接器。

2） 水深 水深越深，對連接器可靠性的要求越高。套筒式連接器在原理上比卡箍式連接器更可靠，所以在大水深的條件下應選擇套筒式連接器。

3） 操作方經(jīng)驗 操作方更習慣使用其成功安裝過的連接器類型。如果某個項目的操作方是不能改變的，那么操作方經(jīng)驗是需要考慮的重要方面。選用操作方有成功經(jīng)驗的連接器類型可以降低安裝失敗的風險。

4） 安裝時間 液壓式連接器比機械式連接器更省時，但其可靠性相對更低。如果安裝時間要求不高，盡量選用機械式連接器。

5） 統(tǒng)一性 同一個工程項目最好使用同一類連接器。這樣可以共享同一套工具，而且可以降低對工程人員經(jīng)驗的要求。

2.2 基本原則

根據(jù)上述對水下連接器影響因素的分析，本文總結(jié)了水下連接器選擇的一些基本原則。

2.2.1 連接器連接方向（水平／垂直）的確定

1） 如果跨接管的方向必須是水平或垂直的，那么連接器的連接方向要與其一致。

2） 如果操作方對縮短安裝時間有強烈的要求，那么盡量選擇垂直連接器。

3） 如果跨接管管徑比較大，例如＞304.8mm（12英寸），最好選用水平連接器。

4） 如果操作方?jīng)]有任何特殊的要求，選擇垂直連接器成本更低。

2.2.2 連接器原理類型（套筒／卡箍）的確定

1） 對于跨接管管徑較小，例如101.6mm（4英寸）的情況，選擇套筒式連接器更合理。

2） 對于水深過大（＞1 000m）的情況，選擇套筒式連接器可靠性更高。

3） 如果成本控制嚴格，可以在條件允許的情況下選擇卡箍式連接器。

2.2.3 液壓／機械式連接器的選擇

1） 如果同一個油氣田需要的水下連接器很多（例如超過10個），那么選擇機械式連接器能夠大幅降低成本。

2） 如果需要的連接器不多，但要求安裝時間要短，則可選擇液壓式連接器。

2.3 Gemini氣田的連接器選擇

2.3.1 Gemini氣田基本信息和介紹

Gemini氣田的基本信息如表5。

表5 Gemini氣田的基本信息

Gemini氣田位于墨西哥灣，水深1 036m。該氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)安裝工期安排緊張，要求水下連接器安裝要快速。前期跨接管的設計要求決定了連接器必須采用垂直連接形式。Gemini的水下生產(chǎn)系統(tǒng)具有4個101.6mm（4英寸）柔性跨接管和2個304.8mm（12英寸）剛性跨接管，共需要8個101.6mm（4英寸）管徑連接器和4個304.8mm（12英寸）管徑連接器［7］。

2.3.2 Cameron公司對Gemini氣田連接器的選擇過程

Cameron公司根據(jù)工程操作方的要求，選擇了垂直套筒式連接器（機械式）。該選擇是綜合考慮本文第2.1節(jié)提出的幾個影響因素的結(jié)果。

1） 跨接管的內(nèi)徑和形式?jīng)Q定了其選擇套筒式連接器：對于101.6mm（4英寸）管徑的跨接管，由于管徑太小，不適合采用卡箍式連接器，只能采用套筒式連接器?？缃庸転榇怪笔?，所以連接器也選用垂直式。

2） 考慮操作方的經(jīng)驗：從表1可以看出，Cameron公司沒有液壓式連接器的制造和安裝經(jīng)驗，所以盡量選擇機械式連接器。

3） 考慮水深：Gemini氣田屬于深水油氣田，盡量選用套筒式連接器，這樣可靠性更高。

4） 考慮安裝時間：該工程的安裝工期比較緊迫，理應選用垂直液壓式連接器。但由于上一條提到的Cameron在這方面經(jīng)驗的缺乏，該工程選用了垂直機械式連接器。

5） 考慮連接器選用的統(tǒng)一性：根據(jù)上述幾條，確定8個101.6mm（4英寸）管徑跨接管使用垂直套筒式連接器，而4個304.8mm（12英寸）的跨接管可以采用套筒式或卡箍式，但是由于卡箍式安裝比較慢，而且如果同一個開發(fā)項目同時采用套筒式（101.6mm跨接管）和卡箍式（101.6mm跨接管）連接器，那么就需要2套安裝工具分開安裝。這樣不僅增加了安裝時間，并且增加了成本，所以統(tǒng)一采用套筒式連接器。之所以選擇機械式而不是液壓式，是因為連接器數(shù)量較多，且集中安裝，采用機械式連接器成本更低。

3 結(jié)論

1） 水下連接器的選擇在水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設計中十分關(guān)鍵。選擇的過程要根據(jù)油氣田的環(huán)境狀況和操作方的要求來進行，而且要基于對各種類型的水下連接器特點的深入了解。

2） 套筒式連接器的安裝過程更快，也更適用于超深水的油氣田。卡箍式連接器結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，而且特別適合在連接器需要進行保溫時應用，但它不適合小管徑跨接管的連接，用于超深水的也比較少。

3） 機械式和液壓式連接器的區(qū)別僅在于液壓缸是否在連接器本體上。這一區(qū)別影響到了安裝速度和成本，設計人員需要權(quán)衡對速度和成本的要求做出選擇。

4） 垂直和水平連接器的主要區(qū)別在于安裝的難易程度。但是，連接器的方向選擇水平還是垂直，不僅和連接器本身有關(guān)，還要考慮跨接管和采油樹等需要連接的設備所采用的輸出管線的形式。

［1］ Sanjay K Reddy.Oceaneering Intervention Engineering，B.Mark Paull，Kerr－McGee Corporation，Bjorn E.HaIs，Oceaneering International Services Ltd.Diverless Hard－Pipe Connection Systems for Subsea Pipelines and Flowlines［C］／／Offshore Technology Conference Proceedings，OTC Paper No.7269，May 1996.

［2］ FMC Technologies.Torus Tie－in System［EB／OL］.（2011－11－13）［2011－11－13］.http：／／www.fmctechnologies.com／en／SubseaSystems／Technologies／SubseaProductionSystems／TieInAndFlowlines／VerticalAndHorizontalTieIn－Systems／VerticalTieIn／TorusTie.aspx.

［3］ GE Energy.DG and DG－2mandrel connector system［EB／OL］.（2011－11－13）［2011－11－13］.http：／／www.ge－energy.com／products＿and＿services／products／subsea＿trees＿manifolds＿and＿connection＿systems／DG＿and＿DG－2＿Mandrel＿Connector＿System.jsp.

［4］ Peter M Roberts.Reducing Lost Time between Exploration and Production of Deepwater Oil ＆Gas Fields：The contribution from Diverless Connector Selection［Z］.

［5］ Giovanni Corbetta，David S Cox.Deepwater Tie－Ins of Rigid Lines：Horizontal Spool or Vertical Jumper［Z］.

［6］ McKeehan D S，F(xiàn)reet T G.DeeDwater Flowline Tie－ins and Jumpers：What works best［C］／／Offshore Technology Conference Proceedings，OTC Paper No.7269，May 1993.

［7］ Andrew Jefferies.Deep Sea Development Services Inc.Gemini Subsea System Design［C］／／Offshore Technology Conference Proceedings.OTC Paper No.11866，May 2000.

Comparison and Selection of Deepwater Subsea Connectors

DONG Yan－h(huán)ui1，DUAN Meng－lan1，WANG Jin－long2，GUO Hong3
（1.Offshore Oil and Gas Research Center，China University of Petroleum（Beijing），Beijing102249，China；2.Department of Mechanics and Engineering Science，F(xiàn)udan University，Shanghai 200433，China；3.CNOOC Research Center，Beijing100027，China）

Subsea connectors are one of the most important facilities in subsea production systems.The selection of their types is critical in the subsea production system design.Different types of subsea connectors from foreign companies were investigated，and were categorized into some groups.Based on these categorizations，the characteristics and application of each type was analyzed，resulting in some key points that should be considered in subsea connector selections.The Gemini gas field was taken as an example to illustrate the process of the connector selection in a subsea production system.

deep water；underwater coupling；classification；selection

1001－3482（2012）04－0006－07

TE952

A

2011－10－10

國家重大專項“水下管匯連接器樣機研制”（2011ZX05026－003－02）；國家重大專項“深水水下生產(chǎn)設施制造、測試裝備及技術(shù)”（2011ZX05027－004）

董衍輝（1988－），男，山東寧陽人，碩士研究生，主要從事海洋石油機械與安全方面的研究，E－mail：dongyanhwee＠qq.com。