深水套筒式連接器性能測試方法研究

李 博，周 游，郭 宏，朱言順，段夢蘭，徐曉磊

（1.中海油研究總院，北京100027；2.中國石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；3.南陽二機石油裝備（集團）有限公司，河南 南陽473006） ①

深水套筒式連接器是水下跨接管與水下生產(chǎn)設(shè)施（例如采油樹、管匯、PLET與PLEM等）的連接部件，因具有機械接連可靠、連接處不要求管線撓度來補償、偏心誤差小、下放工具完全獨立、可回收、成本低等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)［1］。目前，我國深水套筒式連接器的研制還處于起步階段，國外Cameron、FMC、Oil States等公司掌握了連接器成熟的設(shè)計、安裝、測試等關(guān)鍵技術(shù)［2］，但對外界進行技術(shù)封鎖。深水套筒式連接器的測試技術(shù)是連接器樣機研制中的關(guān)鍵技術(shù)，其主要目的是檢測連接器的材料性能、力學(xué)性能、安裝性能、連接性能、密封性能及其他性能是否能夠達到安全、穩(wěn)定以及長壽命的要求，對連接器的研究與制造具有重大意義。

1 連接器工作環(huán)境和性能分析

水平套筒式連接器的結(jié)構(gòu)主要由卡爪、轂座、金屬密封、驅(qū)動環(huán)、連接器本體等組成，如圖1所示。在工作過程中，驅(qū)動環(huán)向前運動帶動卡爪旋轉(zhuǎn)，抓牢轂面，使連接器本體和轂座對接、鎖緊，同時輪轂內(nèi)部的金屬密封圈因受擠壓而產(chǎn)生彈性變形，在管道和轂座連接處形成密封。

圖1 套筒式連接器

目前，套筒式連接器已經(jīng)應(yīng)用于水深1～3km海域，工作環(huán)境極其惡劣，連接器面臨著安裝困難、內(nèi)外壓、溫度適應(yīng)范圍廣、內(nèi)外腐蝕、跨接管傳遞載荷復(fù)雜等問題。在深水環(huán)境，潛水員無法到達此區(qū)域工作，套筒式連接器的安裝只能依靠水下機器人輔助操作，海底轂座的尺寸偏差影響著連接器的安裝性能，因此應(yīng)用于深水的套筒式連接器要具有較好的可安裝性能。在水深1～3km處，套筒式連接器要同時承受10～30MPa的外部水壓和14～70 MPa的內(nèi)部油氣壓力，對連接器的密封性能要求非常高，一般采用雙重密封設(shè)計，即金屬密封（主密封）＋非金屬密封（二次密封）［3］。連接器可能在有限的時段內(nèi)直接接觸低溫，工作時內(nèi)部的油氣溫度較高，所以連接器要適應(yīng)溫度等級U（－18～＋121℃）。連接器同時承受著外部的海水腐蝕和內(nèi)部油氣（可能含有CO2、H2S）的腐蝕，其結(jié)構(gòu)要具有耐腐蝕性。在連接器工作時，跨接管傳遞給連接器的載荷非常復(fù)雜（例如拉力、壓力、彎距、扭距等），連接器要能承受這些復(fù)雜載荷［4］。

2 連接器性能測試方法

連接器的性能測試是測試連接器的強度、剛度、抗彎、抗扭性能以及關(guān)鍵部件（例如鎖緊機構(gòu)與密封結(jié)構(gòu)）的性能，對保證連接器安全、穩(wěn)定、有效具有決定性的意義。在研究中綜合考慮了海底環(huán)境及各種工況，按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)及工作條件制定了水下連接器合格性測試方法，包括外壓測試、內(nèi)壓／彎曲／扭轉(zhuǎn)測試、鎖定與解鎖測試、安裝及密封測試和密封件更換工具測試。

2.1 外壓測試

在施加外壓的條件下，檢測連接器及其安裝工具強度是否滿足要求。將應(yīng)變片貼在連接器及安裝工具應(yīng)力較大區(qū)域，連接器端部使用盲板封堵，再將連接器置于高壓試驗艙內(nèi)［5］。模擬水下1 500m的靜水壓力，應(yīng)按15MPa壓力進行試驗，保壓無泄漏后，再增壓至22.5MPa（模擬1 500m水深壓力1.5倍）壓力進行試驗，保壓期間壓力變化小于試驗壓力的5%或者3.45MPa。同時通過應(yīng)力采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，并對采集數(shù)據(jù)進行分析。測試需要的設(shè)備為高壓試驗艙（如圖2所示）、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、智能數(shù)控試壓系統(tǒng)等。

圖2 外壓試驗裝置

2.2 內(nèi)壓／彎曲／扭轉(zhuǎn)測試

內(nèi)壓／彎曲／扭轉(zhuǎn)測試用于檢驗連接器在內(nèi)壓作用下整體強度是否滿足要求，并在內(nèi)壓條件下檢驗連接器抗彎曲、抗扭轉(zhuǎn)能力。

首先將連接器兩端采用盲板封堵，將連接器固定牢靠，將應(yīng)變片貼在預(yù)計應(yīng)力較大位置；然后將連接器內(nèi)部空腔加滿水，在34.5MPa（5 000psi）內(nèi)壓下測試，收集各應(yīng)變片點應(yīng)力數(shù)據(jù)，并進行分析。測試設(shè)備為智能數(shù)控試壓系統(tǒng)、內(nèi)壓試驗裝置（如圖3所示）、靜態(tài)（應(yīng)力）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

圖3 內(nèi)壓試驗裝置

將連接器內(nèi)部壓力升至34.5MPa（5 000psi），保壓30min，無泄漏現(xiàn)象。分別在彎曲試驗臺（如圖4）和扭轉(zhuǎn)試驗臺（如圖5）上進行彎曲和扭轉(zhuǎn)操作，使用靜態(tài)應(yīng)力采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。彎矩試驗臺通過單液壓缸對連接器施加彎矩，雙液壓缸對連接器施加扭轉(zhuǎn)。試驗臺包括底座、雙作用液壓缸、液壓站、液壓控制系統(tǒng)、應(yīng)力采集系統(tǒng)、操作臺、力矩表及壓力傳感器等，通過液壓控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)對連接器施加反復(fù)力矩。

圖4 彎曲試驗裝置

圖5 扭轉(zhuǎn)試驗裝置

2.3 鎖定與解鎖測試

鎖定／解鎖測試是檢測安裝工具鎖定、二次機械釋放及二次機械鎖定能力，并檢測連接器是否會因沖擊載荷、振動、熱力或其他意外載荷導(dǎo)致意外解鎖。

首先將應(yīng)變片貼在轂座和連接器測量位置，應(yīng)力傳感器安裝在卡爪上，將轂座放置在6自由度振動試驗臺底部。然后下放安裝工具，模擬連接器軟著陸過程，記錄數(shù)據(jù)。然后連接器鎖緊，人工操作連接器，進行二次機械鎖定，通過其他設(shè)備及試驗臺施加沖擊及振動載荷至少30次，無意外解鎖則視為合格。測試設(shè)施為6自由度振動試驗臺（如圖6所示）、靜態(tài)（應(yīng)力）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

圖6 6自由度振動試驗臺

2.4 安裝及密封測試

安裝及密封測試是檢驗轂座和連接器之間存在角度偏差（±2°）時，安裝工具的操作能力及保證密封的可靠性。將可調(diào)節(jié)底座固定在地面上，使用吊車吊裝連接器進行安裝，傳感器安裝在卡爪和轂座上。使用盲板密封連接器，并注入染色液體，加壓保持3h，壓降不大于測試壓力的2%。同時讀取應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)，判斷是否達到設(shè)計的預(yù)緊力及密封是否可靠，保證在試驗過程中無可見泄漏。測試設(shè)備為吊車、可傾斜底座（如圖7所示）、密封加壓系統(tǒng)（能夠提供34.5MPa試驗壓力）、靜態(tài)（應(yīng)力）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

圖7 可傾斜底座

2.5 密封件更換工具測試

密封件更換測試是檢驗密封件更換工具是否能夠?qū)崿F(xiàn)密封件的快速更換。測試設(shè)施為吊車、可傾斜底座、ROV模擬手臂、密封件更換工具。分別將可傾斜底座調(diào)至0、0.5、1.0、1.5、2.0°傾斜角度，檢測是否能夠完成密封件更換操作。

3 連接器無損檢測和驗收測試方法研究

3.1 無損檢測與載荷測試

無損檢測是在不損傷連接器性能和完整性的前提下，檢測連接器金屬的某些物理性能和組織狀態(tài)，以及查明連接器金屬表面和焊接處內(nèi)部各種缺陷［6］。測試設(shè)備為X光射線探傷機、半自動濕式熒光磁粉探傷機、數(shù)字超聲波探傷儀等。

材料載荷測試意在測試連接器材料的強度、低溫性能等性質(zhì)。吊裝設(shè)備非破壞性載荷測試是檢測吊裝設(shè)備的提升和下降能力，保證吊裝設(shè)備在連接器安裝過程中不會產(chǎn)生破壞性損壞，測試時對吊裝設(shè)備施加額定載荷的1.33倍載荷（配重），5min后進行損傷檢驗。

3.2 工廠驗收試驗（FAT）

工廠驗收測試包括制造數(shù)據(jù)審查、尺寸檢查、沖洗試驗以及壓力／泄漏試驗。

制造數(shù)據(jù)審查包括連接器本體數(shù)據(jù)、轂座制造數(shù)據(jù)、卡爪制造數(shù)據(jù)等。尺寸檢查測試連接器及其安裝工具各零部件尺寸是否滿足設(shè)計要求，加工尺寸是否在公差范圍之內(nèi)。

沖洗試驗?zāi)康脑谟谔岣咭簤涸肮芫€的清潔度，保證液壓系統(tǒng)的工作可靠性和元件的使用壽命。試驗設(shè)備為洗泵站、便攜式污染度測試儀。

壓力／泄漏試驗是檢驗在靜水壓力作用下，連接器的鎖緊機構(gòu)是否能夠保證密封，使用90%的乙二醇，所有承壓部件的水壓試驗壓力至少應(yīng)為額定工作壓力的1.5倍，時間至少3h，在全封閉的條件下進行。在壓力穩(wěn)定之后，應(yīng)無可見泄露，且壓力不得偏離并超過測試壓力的2%。

3.3 擴展工廠驗收試驗（EFAT）

此項試驗在完成各自的工廠驗收試驗后進行，該試驗的一部分是為了確認子系統(tǒng)（如連接器系統(tǒng)）的控制系統(tǒng)的功能正確性。在擴展工廠驗收試驗期間，對生產(chǎn)系統(tǒng)或者其部分進行模擬。根據(jù)子系統(tǒng)配置，擴展工廠驗收試驗還包括子系統(tǒng)關(guān)鍵界面的測試。試驗一般包括：操作功能測試；通過入扣板／電插座／其他界面的液壓和電氣連續(xù)性測試；界面檢查（例如入扣板、跨接線、下入工具和水下機器人工具），卸扣／墊板孔眼界面以及吊裝／重力測試以及驗證連接器的可替代性。

3.4 系統(tǒng)完整性試驗（SIT）

對全部系統(tǒng)（或者約定的部分系統(tǒng)）進行系統(tǒng)完整性試驗（包括業(yè)主免費發(fā)放的項目），作為界面、系統(tǒng)功能以及不同子系統(tǒng)之間相互作用的最終驗證。系統(tǒng)完整性試驗一般包括：驗證連接器系統(tǒng)界面（包括剛性跨接管）；一般功能、界面以及水下機器人可用性測試（例如水下機器人面板、水下機器人桿、水下機器人工具、下入工具和吊裝設(shè)備）；組裝驗證；連接界面的連續(xù)性測試；操作程序確認；標(biāo)識驗證；第三方供貨商界面（尤其是水下機器人作業(yè)者）；檢查整個系統(tǒng)的陰極保護等。

4 結(jié)論

1） 分析了深水套筒式連接器復(fù)雜的工作環(huán)境，即內(nèi)外壓差大、溫度變化范圍大、內(nèi)外腐蝕、跨接管傳遞載荷復(fù)雜等，并重點分析了連接器為適應(yīng)工作環(huán)境應(yīng)具有的性能。

2） 提出了一整套深水套筒式連接器的測試方法，包括合格性測試、無損檢測、載荷測試、工廠驗收試驗、擴展工廠驗收試驗及系統(tǒng)完整性試驗等，檢測連接器的剛度、強度、抗拉壓彎扭能力及其關(guān)鍵部件（例如鎖緊系統(tǒng)、密封系統(tǒng)）的材料及整體結(jié)構(gòu)性能。

3） 在設(shè)計測試方法時，充分考慮了海底環(huán)境、內(nèi)外壓力及連接器連接、解鎖、二次鎖緊、轂座傾斜等，以保證測試方法的全面性和準(zhǔn)確性。

［1］ 董衍輝，段夢蘭，王金龍，等.深水水下連接器的對比與選擇［J］.石油礦場機械，2012，41（4）：6-12.

［2］ 于芳芳，段夢蘭，郭 宏，等.深水管匯設(shè)計方法及其在荔灣3-1氣田中的應(yīng)用［J］.石油礦場機械，2012，41（1）：24-29.

［3］ 王 懿，段夢蘭，李麗娜，等.深水立管安裝技術(shù)進展［J］.石油礦場機械，2009，38（6）：4-8.

［4］ 鄭利軍，段夢蘭，劉軍鵬，等.水下生產(chǎn)系統(tǒng)選型影響因素研究［J］.石油礦場機械，2012，41（6）：67-71.

［5］ 王瑩瑩，段夢蘭，馮 瑋，等.西非深水油氣田典型開發(fā)模式分析［J］.石油礦場機械，2010，39（11）：1-8.

［6］ 高金國，王存義，王 玉.超聲波無損探傷檢測焊接質(zhì)量研究［J］.黑龍江科技信息，2011（3）：31.