深水水下連接器制造國產化展望

尤學剛，杜夏英，孔令海

（中海石油（中國）有限公司，北京 100010）

深水水下連接器制造國產化展望

尤學剛，杜夏英，孔令海

（中海石油（中國）有限公司，北京 100010）

簡要闡述了深水水下連接器的工作原理和組成部分，重點從制造、測試方面的技術工藝難點方面進行了研究探討，從而對深水水下連接器制造國產化可行性進行了展望。

深水水下連接器；制造測試；國產化

0 引言

水下生產系統已成為深水油氣開發中的一種主流模式，深水水下連接是構建完整的水下生產系統不可或缺的一個環節。在各種水下生產設施安裝到海底之后，只有借助于水下連接技術和裝備，才能將水下井口、水下采油樹、水下管匯、水下油氣處理設施以及海底管線終端等水下生產設施連接起來，形成一套完整的水下生產系統。因此，深水水下連接器（以下簡稱水下連接器）是深水油氣資源開發中的一項核心關鍵裝備[1]。

近年來，隨著全球深水油氣開發持續大幅增長，水下連接器的應用愈趨廣泛。根據Subsea Engineering Inc等國外權威機構統計，全球每年新增水下生產系統約450套。以一套含6口叢式井的水下生產系統為例，僅采油樹與管匯之間的連接就需要多達12套水下連接器。除此之外，采油樹與井口之間、管匯與海底管線終端之間都需要連接器。因此，全球每年新增水下連接器需求數量巨大，市場容量高達數十億人民幣。

中國的南海海域是世界四大油氣富集地之一，南海深水油氣資源的開發將是中國海洋石油工業未來發展的焦點和重點。目前中國南海已有近100套水下連接器，未來的兩年內可預見的國內承攬項目中，還將有約120套水下連接器投入使用。可見，水下連接器的國內市場需求量同樣很大。

本文將以水下連接器作為切入點，展開討論水下連接器國產化生產之可行性。

1 水下連接器介紹

水下連接器主要有三種形式：卡爪式連接器、卡箍式連接器、螺栓法蘭式連接器，這三種連接器各有優缺點，可根據具體的應用場合選擇不同的連接形式，詳細介紹如下。

1.1 卡爪式連接器

卡爪式連接器是應用最廣泛的水下連接器，尤其是立式連接和超深水連接，如圖1所示。卡爪式連接器的工作原理是采用特殊設計制造的卡爪，周向均勻的抓合在對正的管端法蘭上，實現管道之間的緊密連接。分為水平卡爪式和垂直卡爪式兩種結構。卡爪式連接器具備以下優點：連接可靠、連接速度快；ROV操作友好，可用的ROV工具多；對中誤差容忍度高。

國際上多家廠商如FMC、Cameron、Aker Solutions、Vetcogray以及Oil States等均可提供相關產品，壓力等級可達 15000psi，連接管徑 4″-64″，實際應用水深已超過2000m。他們的產品有著幾十年的技術積累，安全性和穩定性能夠得到保證，而且在整個安裝、運行、維護過程中有著豐富的經驗。

圖1 卡爪式連接器

1.2 卡箍式連接器

如圖 2所示的卡箍式連接器在水下連接中也得到了較多的應用。卡箍式連接器的工作原理是利用活動的卡箍，周向夾緊在兩個法蘭端，實現管道的緊固與密封。

卡箍式連接器結構簡單、安裝方便、連接可靠，適應管徑范圍廣（2″-48″），既可用于單管連接也可用于多管束的連接，因此既可用于海底管道的連接，也可用于海底電纜的連接。另外，卡箍式連接既可用于水平管道的連接也可用于垂直管道的連接。

目前，卡箍式連接系統主要有FMC、Aker Solutions等公司的產品，最大應用水深已達1500m，最大壓力等級達到15000psi。

圖2 卡箍式連接器

1.3 螺栓法蘭式連接器

圖3所示的螺栓法蘭式連接主要應用于淺水管道之間的連接，在潛水員的協助下完成安裝，法蘭之間的連接通常采用螺栓連接的方式，但在深水中通過螺栓螺母連接的方式進行管道間的連接，就要涉及到很多問題，比如如何定位、如何實現擰緊、如何預緊、以及螺母的安裝、拆卸、存放等諸多因素，使得結構變得復雜，對于人不能直接連接的環境惡劣的深海，實現起來就更顯困難，尤其它不能保證快速的維修要求，因此法蘭式水下連接器在深水環境下應用并不多。

國外的螺栓法蘭式連接器，主要有Sonsub公司開發的Brutus系統、Acergy公司研制的Matis系統，能夠在無潛水員的條件下實現深水管道對接，設計的最大工作水深為3000m，最大連接管徑為24″。

圖3 螺栓法蘭式連接器

2 制造、測試工藝研究探討

卡爪式連接器是深水應用最廣泛的連接器，也是各大公司研究最為深入的連接器，下文主要以卡爪式連接器為主體，對制造、測試的諸多技術難點展開研究探討。

2.1 技術難點之一：關鍵部件制造工藝

針對卡爪式連接系統，研究卡爪、驅動環、上下接頭（hub）、密封元件等水下連接器關鍵零部件的加工制造工藝，要選擇配套機械加工裝備，并研制卡爪式連接系統關鍵零部件制造專用工裝夾具。制造工藝主要針對以下開展研究：1）結構件焊接變形控制技術研究；2）法蘭耐蝕合金堆焊技術研究；3）防腐工藝研究；4）關鍵部件機加工精度控制技術研究；5）關鍵部件機加工裝備選配研究；6）關鍵部件機加工工裝研制

2.2 技術難點之二：總裝技術研究

卡爪式連接系統結構復雜，裝配精度要求高，需要研究卡爪式連接系統的裝配技術、研制卡爪式連接系統裝配專用工裝夾具。總裝技術主要針對以下開展研究：1）裝配工藝研究；2）裝配工裝研制；3）裝配精度控制技術研究

2.3 技術難點之三：測試技術及裝備研究

根據國際API 6A、API 17D等標準中的強制規定，必須對產品樣機進行一系列嚴格的性能鑒定試驗，以檢驗其性能。測試技術主要針對以下開展研究：

1）立式卡爪式連接系統實驗技術研究。

實驗測試項目包括：壓力試驗/溫度試驗/壓力溫度循環試驗、外載荷試驗、裝配和拆卸試驗、操作試驗、電連續性試驗、疲勞試驗、高壓艙試驗等。

2）立式卡爪式連接系統產品 FAT（出廠測試）測試技術研究。

根據API、ISO 等標準規范中對水下生產設施的測試要求，研究卡爪式連接系統產品 FAT的測試內容、測試方法、驗收標準以及所需的測試裝備。深水 FAT測試主要包括：壓力測試（液壓系統壓力測試、靜水壓測試及氣壓測試）、溫度測試、密封測試、功能性測試以及陰極保護電位測試等。

3）立式卡爪式連接系統 SIT（系統集成測試）測試技術研究。

卡爪式連接系統SIT測試，主要是配合跨接管、清管回路、管匯等水下生產設施進行系統測試和集成測試，包括跨接管或清管回路與管匯之間的連接和拆除，跨接管、清管回路、管匯的壓力試驗等[2,3]。

3 結論

如要達到水下連接器的國產化制造程度，除了要掌握精密機加工、特殊材料焊接技術、測試技術等，還要配套相關制造設備、測試設備，配套資金數目比較龐大。由此不難看出，水下連接器是屬于高投入、高產值的行業。

當前，國外FMC、Cameron、Aker Solutions、Vetcogray等幾家大型石油設備公司憑借雄厚的技術實力占據了全球90%以上的市場份額。國內正有一些公司正在緊鑼密鼓地開展研發，努力在未來搶占市場份額。

面對著國外公司的技術壟斷和技術封鎖，許多技術對于我們而言都是全新的挑戰，但是隨著研究的繼續深化，技術難點將會被逐一突破，國產水下連接器將在國際市場上暫露頭角。

[1] 周燦豐, 焦向東, 曹靜, 等. 水下跨接管連接器選型設計研究[J]. 石油化工高等學校學報, 2011, 24(3):75-78.

[2] 國家高技術研究發展計劃(863計劃)課題實施方案[R].天津: 海洋石油工程股份有限公司, 2012.

[3] 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.

Prospect of Domestic Manufacturing of Deep Underwater Connector

YOU Xue-gang, DU Xa-ying, KONG Ling-hai
(CNOOC (China) Co., Ltd, Beijing 100010, China)

This paper briefly describes the working principle of subsea connectors and components. The key technical difficulties are discussed from the aspects of manufacturing and testing. The feasibility of domestic manufacturing of deep underwater connector manufacturing are then discussed.

deep underwater connector; manufacturing testing; domestic manufacturing

TE

A

尤學剛（1966-）男，高級工程師。主要從事海洋石油工程建設工作。