深水套筒式連接器合格性測(cè)試

趙三軍,李 博,林建國(guó),羅 俊,劉彥君,劉亞磊,段夢(mèng)蘭

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京 102249；2.中海油研究總院，北京 100027）

深水套筒式連接器合格性測(cè)試

趙三軍1,李 博2,林建國(guó)1,羅 俊1,劉彥君1,劉亞磊1,段夢(mèng)蘭1

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京 102249；2.中海油研究總院，北京 100027）

深水套筒式連接器，作為主要水下生產(chǎn)設(shè)施的連接，是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分。為檢測(cè)連接器的性能，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在分析連接器所處的環(huán)境和所受各種復(fù)雜載荷的基礎(chǔ)上，提出深水套筒式連接器進(jìn)行合格性測(cè)試的步驟，包括連接器外壓測(cè)試、內(nèi)壓測(cè)試、彎曲測(cè)試和扭轉(zhuǎn)測(cè)試等。合格性測(cè)試對(duì)進(jìn)一步研究連接器的測(cè)試具有一定的參考價(jià)值。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)；連接器；性能；合格性測(cè)試

0 引 言

陸地新增油氣儲(chǔ)量對(duì)全球油氣儲(chǔ)量增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)逐年降低，而海洋油氣資源有巨大的潛力，吸引了眾多的國(guó)家和石油公司。水下生產(chǎn)系統(tǒng)在深水油氣田開發(fā)中有著廣泛的應(yīng)用，深水套筒式連接器是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用是連接水下生產(chǎn)設(shè)施，包括水下采油樹與水下管匯的連接跨接管與水下采油樹的連接、PLET（管道終端）與PLEM（管道終端管匯）的連接等[1-3]。國(guó)外的一些公司（如FMC、Oil States、Cameron）已經(jīng)掌握了深水連接器在設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、安裝等方面的關(guān)鍵技術(shù)。此外，Marc Bonnissel[4]、P.E.Hadfield[5]和Jostein Aleksandersen[6]等專家和學(xué)者也對(duì)連接器進(jìn)行了大量的研究工作。

國(guó)外的連接器產(chǎn)品已經(jīng)非常成熟，但國(guó)內(nèi)對(duì)連接器的研究尚處于起步階段，如哈爾濱工程大學(xué)、中國(guó)石油大學(xué)和中海油研究總院等單位對(duì)連接器進(jìn)行了相關(guān)研究工作[7-8]。為了推動(dòng)連接器和其他水下生產(chǎn)設(shè)施的研究，我國(guó)設(shè)立了兩個(gè)國(guó)家科技重大專項(xiàng)，隨著南海“荔灣3-1”油氣田的成功開發(fā)，我國(guó)將進(jìn)一步推進(jìn)深水連接器等深水水下設(shè)施的研究與國(guó)產(chǎn)化。

深水套筒式連接器的合格性測(cè)試是連接器研制過程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，但我國(guó)目前的研究主要側(cè)重于連接器功能的實(shí)現(xiàn)[9-10]，對(duì)連接器的合格性測(cè)試研究亟待開展。

1 連接器結(jié)構(gòu)及其工作環(huán)境

連接器主要功能是連接海底設(shè)備，防止油氣泄漏，建立并維持密封環(huán)境，抵抗外部載荷（包括內(nèi)壓、彎矩、拉力、扭矩等）。連接器應(yīng)具有耐腐蝕、鎖緊與解鎖方便、密封安全穩(wěn)定、抗壓、抗拉、抗彎、抗扭等性能。本文以“荔灣3-1”為目標(biāo)油氣田，根據(jù)連接器應(yīng)具有的功能和性能，設(shè)計(jì)了如圖1所示的深水套筒式連接器。

連接器主要由公輪轂、母輪轂、驅(qū)動(dòng)環(huán)、卡爪、密封件等組成。公輪轂是在連接器安裝之前隨水下設(shè)施一起下放至海底，母輪轂是與管道焊接在一起的，連接器主體由螺栓固定于母轂座，卡爪在驅(qū)動(dòng)環(huán)的帶動(dòng)下張開和鎖緊，驅(qū)動(dòng)環(huán)是在液壓系統(tǒng)的作用下進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，連接器采用金屬密封。套筒式連接器需要特定的安裝工具進(jìn)行安裝。在安裝時(shí)安裝工具首先推動(dòng)連接器使公輪轂與母輪轂對(duì)接，然后帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)環(huán)沿軸向運(yùn)動(dòng)，壓迫卡爪旋轉(zhuǎn)，卡爪內(nèi)側(cè)的兩斜面分別與公母輪轂的外斜面貼合接觸。驅(qū)動(dòng)環(huán)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，卡爪與公母輪轂的接觸面發(fā)生滑動(dòng)并傳遞給輪轂軸向力，母輪轂向公輪轂運(yùn)動(dòng)。同時(shí)輪轂內(nèi)部密封面擠壓密封件，使其產(chǎn)生形變，形成有效密封。

根據(jù)目標(biāo)油氣田的環(huán)境條件，連接器應(yīng)適應(yīng)1 500m水深、5 000 psi（1psi=6.895 kPa）內(nèi)壓及-18～121℃溫度的深海環(huán)境條件，且要耐海水及內(nèi)部油氣的腐蝕。由于與連接器連接的管線受到海流等作用，這些載荷也會(huì)傳遞到連接器上，使連接器受到彎矩、扭矩等復(fù)雜載荷，測(cè)試時(shí)要考慮到這些復(fù)雜載荷的影響。

目前，國(guó)際上有一些水下生產(chǎn)系統(tǒng)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但是還沒有專門針對(duì)水下連接器合格性測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，而這不能滿足連接器合格性測(cè)試的要求，亟需開展對(duì)連接器合格性測(cè)試的研究。參照美國(guó)石油學(xué)會(huì)的API 6A和API 17D，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO 13628和ISO 10423，挪威石油工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化組織的NORSOK等水下生產(chǎn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[11-13]，以及對(duì)深水套筒式連接器功能和性能的分析，提出了深水套筒式連接器合格性測(cè)試簡(jiǎn)單的測(cè)試步驟，包括外壓測(cè)試、內(nèi)壓測(cè)試、彎曲測(cè)試和扭轉(zhuǎn)測(cè)試，這對(duì)進(jìn)一步規(guī)范連接器的測(cè)試具有一定的參考價(jià)值。

2 外壓測(cè)試

根據(jù)API 17D的規(guī)定，進(jìn)行外壓測(cè)試和內(nèi)壓測(cè)試時(shí)，本體靜水壓試驗(yàn)壓力最低應(yīng)為額定工作壓力的1.5倍，初始?jí)毫Σ粦?yīng)高出規(guī)定試驗(yàn)壓力的5%[12]。為了查看連接器各個(gè)部件的應(yīng)力應(yīng)變情況，需要在連接器上貼應(yīng)變片，預(yù)先用有限元軟件Abaqus對(duì)連接器進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了連接器應(yīng)力分布情況，如圖2所示。由于測(cè)試時(shí)連接器兩端需要封堵打壓，不能在內(nèi)部貼片，外部貼片時(shí)要防止應(yīng)變片被擠壓；此外，為了便于布線，綜合考慮后，應(yīng)變片貼在如圖3所示的黑點(diǎn)位置。

2.1 外壓測(cè)試的目的

外壓測(cè)試的目的是檢驗(yàn)連接器能否承受所處工作環(huán)境的外壓。本文研究的連接器是適用于1500m水深的，所要承受的外壓為15MPa。

2.2 測(cè)試設(shè)備

由于測(cè)試時(shí)要制造外部高壓環(huán)境并需要采集貼

片點(diǎn)的數(shù)據(jù)，所以需要的設(shè)備主要有高壓試驗(yàn)艙、智能數(shù)控試壓系統(tǒng)和靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.3 測(cè)試步驟

（1）按圖紙、技術(shù)文件要求，將連接器組裝完整，在設(shè)定的測(cè)點(diǎn)位置貼好應(yīng)變片，確保每個(gè)應(yīng)變片完好無損，正常工作，并連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。用盲板將連接器兩端封堵，保證密封可靠。然后，將連接器放入高壓艙中，連接好測(cè)試管線，如圖4所示。

（2）加載外壓，逐級(jí)加載到22.5MPa（1500m水深外壓的1.5倍）。初始外壓為1.125MPa（試驗(yàn)壓力的5%），每級(jí)保持15min，每隔3min記錄一次連接器內(nèi)部壓力數(shù)據(jù)。分別將外壓設(shè)定為7.5，10，12.5 MPa，按要求記錄各級(jí)數(shù)據(jù)。外壓加載到15MPa時(shí)，保壓30min，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，再逐級(jí)加壓到22.5MPa，保壓30min，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

（3）測(cè)試完成后，緩慢卸載高壓艙壓力，拆開連接器，然后對(duì)連接器進(jìn)行無損檢測(cè)。

2.4 接受準(zhǔn)則

連接器內(nèi)壓測(cè)試接受準(zhǔn)則為測(cè)試過程中沒有泄露。保壓時(shí)，壓力的變化不大于試驗(yàn)壓力的5%，則視為沒有泄露。

3 內(nèi)壓測(cè)試

3.1 內(nèi)壓測(cè)試的目的

由于內(nèi)部油氣的作用，連接器工作時(shí)會(huì)承受一定的內(nèi)壓，而內(nèi)壓會(huì)對(duì)連接器的密封效果產(chǎn)生較大影響。內(nèi)壓測(cè)試的目的是檢測(cè)連接器能否承受額定內(nèi)壓。本文研究的連接器應(yīng)能承受的額定內(nèi)壓為34.5MPa。

3.2 測(cè)試設(shè)備

由于連接器需要安裝到內(nèi)壓試驗(yàn)臺(tái)上并采集貼片點(diǎn)的數(shù)據(jù)，所以需要的設(shè)備主要有內(nèi)壓試驗(yàn)臺(tái)、智能數(shù)控試壓系統(tǒng)和靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3.3 測(cè)試步驟

（1）將裝配好的連接器安裝在內(nèi)壓試驗(yàn)臺(tái)上，連接好管線，如圖5所示。

（2）通過盲板上的孔進(jìn)行打壓，采用分級(jí)加壓的方式進(jìn)行，初始?jí)毫?.7 MPa，每級(jí)增長(zhǎng)3.4 MPa，每級(jí)保壓15min。從保壓開始時(shí)間開始采集應(yīng)力數(shù)據(jù)，每隔3min記錄一次。逐級(jí)加壓到額定工作壓力34.5MPa，保壓30min。然后再逐級(jí)加壓到51.7MPa，保壓30min。

（3）測(cè)試完成后，緩慢卸載內(nèi)壓，拆開連接器，然后對(duì)連接器進(jìn)行無損檢測(cè)。

3.4 接受準(zhǔn)則

連接器內(nèi)壓的接受準(zhǔn)則為測(cè)試過程中沒有泄露。

4 彎曲測(cè)試

4.1 彎曲測(cè)試目的

連接器在海底工作時(shí)要承受因海流和跨接管等作用產(chǎn)生的彎矩。彎曲測(cè)試是在額定壓力條件下，測(cè)試連接器抗彎曲能力。

4.2 測(cè)試設(shè)備

由于連接器要安裝到彎曲試驗(yàn)臺(tái)上，通過液壓系統(tǒng)來控制加載彎矩，還有采集貼片點(diǎn)的數(shù)據(jù)，所以需要的設(shè)備主要有彎曲試驗(yàn)臺(tái)、液壓控制系統(tǒng)、智能數(shù)控試壓系統(tǒng)和靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

4.3 測(cè)試步驟

（1）把連接器安裝到彎曲試驗(yàn)臺(tái)上，將彎曲試驗(yàn)臺(tái)上的液壓缸連接到連接器上，連接器兩端加盲板封堵后，打內(nèi)壓到額定工作壓力34.5 MPa，如圖6所示。

（2）啟動(dòng)液壓缸，調(diào)節(jié)節(jié)流閥，使液壓缸緩慢動(dòng)作，觀察內(nèi)壓壓力表是否有明顯壓降，若正常，則進(jìn)

行連續(xù)試驗(yàn)，使液壓缸保持施加額定彎矩15min。在保持施加彎矩的過程中，每隔3min記錄一次數(shù)據(jù)。

（3）測(cè)試完成后，緩慢卸載彎矩，然后再緩慢卸載內(nèi)壓，拆開連接器，然后對(duì)連接器進(jìn)行無損檢測(cè)。

4.4 接受準(zhǔn)則

連接器彎曲測(cè)試的接受準(zhǔn)則是在承受一定彎矩時(shí)不發(fā)生泄露。

5 扭轉(zhuǎn)測(cè)試

5.1 扭轉(zhuǎn)測(cè)試的目的

連接器在海底工作時(shí)要承受因海流和跨接管等作用產(chǎn)生的扭矩，扭轉(zhuǎn)測(cè)試的目的是檢測(cè)連接器能否承受因海流和跨接管作用產(chǎn)生的扭矩。

5.2 測(cè)試設(shè)備

由于連接器要安裝到扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)上，通過液壓系統(tǒng)來控制加載扭矩，還要采集貼片點(diǎn)的數(shù)據(jù)，所以需要的設(shè)備主要有扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)、液壓控制系統(tǒng)、智能數(shù)控試壓系統(tǒng)和靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

5.3 測(cè)試步驟

（1）把連接器安裝到扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)上，將彎曲試驗(yàn)臺(tái)上的液壓缸連接到連接器上，連接器兩端加盲板封堵后打內(nèi)壓到額定工作壓力34.5 MPa，如圖7所示。

（2）同步啟動(dòng)雙液壓缸，調(diào)節(jié)節(jié)流閥，使液壓缸緩慢動(dòng)作，觀察內(nèi)壓壓力表是否有明顯壓降，若正常，則進(jìn)行連續(xù)試驗(yàn)，雙液壓缸保持施加的額定扭矩15min，每隔3min記錄一次數(shù)據(jù)。

（3）測(cè)試完成后，緩慢卸載扭矩，然后再緩慢卸載內(nèi)壓，拆開連接器，然后對(duì)連接器進(jìn)行無損檢測(cè)。

5.4 接受準(zhǔn)則

連接器扭轉(zhuǎn)測(cè)試的接受準(zhǔn)則是在承受一定扭矩時(shí)不發(fā)生泄露。

6 結(jié)束語

本文對(duì)深水套筒式連接器的合格性測(cè)試方法進(jìn)行了初步探索：（1）分析了深水套筒式連接器的結(jié)構(gòu)和所處的工作環(huán)境，得出連接器在安裝與運(yùn)行過程中在內(nèi)壓、外壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜載荷的作用下需要測(cè)試的條件與測(cè)試要求；（2）對(duì)深水套筒式連接器合格性測(cè)試提出了簡(jiǎn)單的測(cè)試步驟，包括內(nèi)壓測(cè)試、外壓測(cè)試、彎曲測(cè)試和扭轉(zhuǎn)測(cè)試，這對(duì)進(jìn)一步規(guī)范連接器的測(cè)試具有一定的參考價(jià)值。

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[13]ANSI/API SPECIFICATION 6A.Specification for Wellhead and Christmas Tree Equipment[S].2011.

Qualification testing for deepwater collet connector

ZHAO San-jun1，LI Bo2，LIN Jian-guo1，LUO Jun1，LIU Yan-jun1，LIU Ya-lei1，DUAN Meng-lan1
（1.Offshore Oil and Gas Research Center，China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China；2.CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China）

Deepwater collet connector is one of the most important components in subsea production system.It is mainly used to connect the subsea production facilities.In order to detect the properties of the connector,reference to the relevant standards and based on the analysis of the environment and varieties of complex loads of the connector,qualification testing for deepwater collet connector were tentatively proposed,including external pressure testing,internal pressure testing,bending testing and torsion testing.The qualification testing can be referenced for further research on testing for connector.

subsea production system;connector;properties;qualification testing

TE952；TM930.12；TE927；TE54

：A

：1674-5124（2014）04-0026-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.007

2013-12-07；

：2014-02-20

國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2011ZX05026-003-02，2011ZX05027-004）

趙三軍（1987-），男，河北泊頭市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)楹Ｑ笫脱b備研究。