水下管匯水平連接器結構及安裝方案分析

劉彥君，羅曉蘭，張長智，2，段夢蘭，趙三軍

（1.中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京 102249；2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067）

水下管匯水平連接器結構及安裝方案分析

劉彥君1，羅曉蘭1，張長智1，2，段夢蘭1，趙三軍1

（1.中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京 102249；2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067）

水下連接器作為水下跨接管與水下生產設施的連接部件，是連接系統的重要組成部分。設計了2種不同的水下管匯水平連接器方案，第1種方案選用定位錐式安裝方式，定位準確；第2種方案選用支撐臂式安裝方式，操作快速。分析了這2種方案的結構組成和安裝過程。在連接器及其安裝工具、液壓系統的結構方面，定位和對中功能的準確性，二次鎖緊功能的可靠性等方面進行了對比。提出了改進建議。

水下連接器；結構；安裝；方案

水下生產技術是經濟、高效開發邊際油田、深海油田的關鍵技術之一，隨著海上油氣田開發深度的不斷增加，該技術以其顯著的技術優勢、可觀的經濟效益得到各大石油公司的廣泛關注。目前國外水下生產技術已較為成熟［1］，我國水下生產系統的設計、建造和安裝尚處于起步階段，工程經驗缺乏，技術儲備較少，同國外相比差距很大。盡快開展深水油氣田水下生產系統工程技術研究，突破水下生產系統設備國產化的關鍵技術，逐步縮小與發達國家之間的差距，為促進我國深水大型油氣田的規模開發和逐步形成深水工程技術產業鏈具有深遠的意義。

水下生產系統一般包括采油樹、跨接管、管匯、海底管線、控制系統、臍帶纜、連接器等設施，有的還包括計量、增壓、分離等裝置［2-5］。

其中，水下連接系統主要用于水下生產設施之間的連接，例如水下采油樹與水下管匯、水下管線與水下采油樹等，是深水油氣安全生產的重要保證。一套完整的水下管線連接系統主要由水下跨接管、水下連接器和PLET／PLEM組成，而水下連接器作為水下跨接管與水下生產設施的連接部件，是連接系統的重要組成部分［6］。

1 水下管匯水平式連接器方案一

1.1 結構組成

方案一設計的水下管匯水平式連接器系統可以分為連接器總成、安裝工具和轂座總成3部分。連接器總成結構由主體、卡爪、驅動環等組成（如圖1a）。安裝工具由定位板、控制面板、四組液壓缸等組成（如圖1b）。轂座總成部分由輪轂、導向定位錐、矩形錐槽等組成（如圖1c）。

圖1 水平式連接器方案一結構組成

1.2 安裝過程

方案一設計的水下管匯水平式連接器系統采用非綁定式的安裝方案，連接器的安裝分為6個過程：下放連接器、下放安裝工具、綁定安裝工具與連接器、安裝連接器、解除安裝工具與連接器的綁定、收回安裝工具。

1） 下放連接器

在水平連接器的安裝過程中首先進行連接器的下放，用跨接管兩端連著水平連接器，通過均布梁下放到海底（如圖2a）。

待水平連接器下放到海底后，通過底部的矩形定位錐和底座上的矩形錐槽來進行定位。矩形錐完全落入矩形錐槽后，收回均布梁和下放纜繩（如圖2b）。

圖2 下放連接器

2） 下放安裝工具

在安裝工具的下放過程中，ROV［7-9］抓住工具后部的把手，將工具送到V型滑軌，安裝工具通過重力作用落入V型滑軌槽中，底部的導向定位錐會進一步調整安裝工具的位置（如圖3a）。

待安裝工具下放完畢時，松弛下放纜繩，定位板上的吊起機構順勢落下，帶動徑向鎖緊機構完成安裝工具的鎖定（如圖3b）。

圖3 下放安裝工具

3） 綁定安裝工具與連接器

驅動板回撤時帶動驅動環靠緊連接器主體，使卡爪呈完全張開狀態（如圖4a）。

ROV開啟對中液壓缸組，對中液壓缸組將連接器頂到與轂座同軸線的位置，配合管匯脫離承重環（如圖4b）。

ROV開啟驅動板上的驅動液壓缸組，鎖緊液壓缸端部的卡鉗結構將驅動環鎖緊（如圖4c）。

圖4 綁定安裝工具與連接器

4） 安裝連接器

ROV開啟對接液壓缸組，推動對中板向前運動，帶動著綁定好的連接器與轂座進行對接（如圖5a）。

ROV開啟驅動液壓缸，推動驅動板和與之鎖緊的驅動環向前運動，壓動卡爪完成鎖緊過程（如圖5b）。

ROV開啟鎖緊液壓缸，鎖緊液壓缸端部的卡鉗結構脫離驅動環，驅動環解除鎖定（如圖5c）。

驅動環解除鎖定完成后，ROV開啟驅動液壓缸，在驅動板回撤的過程中其上的齒條與帶對中板上二次鎖緊工具的齒輪嚙合，帶動二次鎖緊工具工作，完成二次鎖緊，（如圖5d）。

圖5 安裝連接器

5） 對中液壓缸 連接器安裝完畢后，ROV開啟對中液壓缸，對中液壓缸端部的對中轉頭收回到對中板的槽內，解除安裝工具與連接器的綁定，如圖6。

圖6 對中液壓缸局部示意圖

收緊下放纜繩，安裝工具的前吊桿結構由水平轉變為豎直方向，卡扣桿在彈簧作用下向上運動脫離卡扣，解除安裝的徑向鎖定（如圖7a）。

提起下放纜繩，安裝工具進行撤離。待安裝工具完全收回后，留在水下的結構如圖7b。

圖7 收回安裝工具

2 水下管匯水平連接器方案二

2.1 結構組成

方案二設計的水下管匯水平式連接器系統可以分為連接器總成、安裝工具和轂座總成3部分。連接器總成由卡爪、驅動環、定位錐等組成（如圖8a）。安裝工具由對接液壓缸、驅動板卡塊、對接液壓缸固定架等組成（如圖8b）。輪轂總成部分由輪轂、安裝工具定位柱、定位錐槽等組成（如圖8c）。

圖8 水平式連接器方案二結構組成

2.2 安裝過程

方案二設計的水下管匯水平連接器系統采用非綁定式的安裝方案，連接器的安裝分為6個過程：下放定位連接器、解除連接器的鎖定、下放定位安裝工具、安裝連接器、收回安裝工具、二次鎖緊和密封測試。

1） 下放連接器 在水平連接器的安裝過程中首先通過吊繩下放連接器至海底轂座上方，待連接器的導向柱進入到轂座的導向槽中，繼續下放連接器。連接器底部定位錐進一步調整連接器的位置（如圖9）。

圖9 下放連接器

2） 解除連接器的鎖定 ROV解開吊繩，將其收回海面，并移去連接器上部的保護帽。然后ROV使用二次鎖緊工具解除連接器的鎖定（如圖10）。

圖10 解除連接器的鎖定

3） 下放定位安裝工具 ROV從工具籃中取出安裝工具，之后通過導向套筒和導向柱的配合完成安裝工具的定位，最后ROV釋放安裝工具，通過滑軌-滑塊機構，鎖緊液壓缸在重力作用下落入到連接器的接收板上（如圖11）。

圖11 下放定位安裝工具

4） 安裝連接器 啟動對接液壓缸，進行連接器的對接，之后啟動鎖緊液壓缸，進行連接器的鎖緊（如圖12）。

圖12 安裝連接器

5） 收回安裝工具 ROV提起安裝工具（如圖13a），鎖緊液壓缸首先脫離連接器的接收板，之后對接液壓缸定位套筒脫離導向柱，安裝工具收回到工具籃中（如圖13b）。

圖13 收回安裝工具

6） 二次鎖緊 ROV利用二次鎖緊工具對連接器二次鎖緊（如圖14），之后ROV對連接器進行密封測試，連接器安裝完畢。

3 對比分析

水下管匯水平連接器方案一和方案二的對比分析如表1所示。

表1 兩種方案對比

1） 方案一 采用獨特的連接器分離式吊裝方案設計，可以克服連接器擺動不利于定位的問題；三重保障機構確保連接器精確對中；采用自動式二次鎖緊方案，不需要ROV輔助操作即可進行二次鎖緊。但是方案一的安裝工具結構復雜［6］、液壓缸組數目較多。

2） 方案二 安裝工具的結構非常簡單、液壓控制系統簡單可靠、安裝快速、ROV操作較少，但是方案二對液壓缸性能要求高、實際應用還有待驗證。

4 改進建議

經過對比可以發現，采用方案一作為主體，結合方案二的優點，得出優化方案的設計結果更有利于實際應用當中。優化方案的結構組成也可以分為連接器總成、安裝工具和轂座總成3部分，如圖15。

圖15 水平式連接器優化方案結構組成

本方案綜合了之前2種方案的優點，使得安裝可靠，使用方便，主要具有2個優點：

1） 定位準確的連接器定位方案設計。兩級導向定位錐易于定位，軸向調整栓調整定位結構軸向偏差，吊起環確保連接器軸向位置。

2） 三重保障的連接器對中方案設計。連接器的支撐結構保證連接器軸心位置，對中液壓缸調整連接器軸向偏差，止口結構進一步保證對中精確。

5 結論

1） 通過對2種水下管匯水平連接器方案的結構組成和安裝過程的討論研究，為后續詳細設計奠定了基礎。

2） 我國水下管匯水平連接器的設計、建造和安裝尚處于起步階段，最終的優化方案在設計階段結合了前2種方案的優點，制定出適合實際應用的方案。

3） 設計的水平連接器方案正在相關試驗，制造，施工方面都還沒有進行詳細研究。

4） 隨著我國海上油氣田的不斷開發，水下管匯水平連接器作為水下生產系統的關鍵部件，國內還沒有獨立自主設計的水平連接器，未來可以取代國外連接器產品應用于海上油氣田的開發。

5） 今后的研究方向包括：對連接器設計的各部分結構進行整合，針對連接器的需要，得到符合要求的設計，最后繪制出連接器的圖紙；以連接器功能設計為出發點，對連接器的制造過程提出合理的要求，包括加工精度、表面處理、材料處理等。

［1］ Thomas Bernt，Hydro，and Endre Smedsrud.Ormen Lange Subsea Production System［C］.OTC18965，2007.

［2］ Herdiro M A N，da Cunha C H G，Motta B R F.Development Of the Barracuda and Caratinga Subsea Production System-An Overview［C］.OTC17054，2005.

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

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

［5］ 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.

［6］ McKeehan D S，Freet T G.Deepwater Flowline Tie-Ins and Jumpers：What works best？［C］.OTC7269，1993.

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［8］ Picard D，The bault J.The Dalia Development Challenges and Achievements［C］.OTC18538，2007.

［9］ Lafitte J L，Perrot M，Lesgent J，et al.Dalia Subsea Production System，Presentation and Challenges［C］. OTC18541，2007.

Design and Research of Subsea Horizontal Connector for Manifolds

Subsea connector，as a component for connecting subsea jumper and other subsea production facilities，is an important part of the subsea connection system.Two different subsea horizontal connectors for manifold were designed.In the first scheme，positioning cone for positioning and installation with high location accuracy was chosen，and in second scheme support arm for fast operation was selected.The structure and installation process of this two subsea connector were introduced in detail.The structure of the connector and its installation tools with the hydraulic system，the accuracy of location and centering function，the reliability of the secondary locking function have been compared.Finally，a suggestion for improvement is put forward on the basis of these two schemes.

under water coupling；structure；mounting；project

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.10.010

1001-3482（2014）10-0045-07

2014-04-10

國家科技重大專項“水下管匯連接器樣機研制”（2011ZX05026-003-02；）國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）“深海柔性結構的非線性流固耦合振動與破壞機理”（2011CB013702）

劉彥君（1990-），女，遼寧調兵山人，碩士研究生，主要從事海洋石油工程設備設計及施工技術研究，E-mail：bjqe122510＠163.com。