深海油氣井口連接器水下鎖緊及自鎖緊研究及應用

楊壯春，孫　維，張鵬舉，施　佳，李曼迪，夏　欣

(1.中海石油深海開發有限公司，廣東 珠海 519000；2.美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200000)

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深海油氣井口連接器水下鎖緊及自鎖緊研究及應用

楊壯春1，孫維1，張鵬舉2，施佳2，李曼迪2，夏欣2

(1.中海石油深海開發有限公司，廣東 珠海 519000；2.美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200000)

摘要：水下采油樹的井口連接器的規范等級為PSL 3G，設計壓力為69 MPa(10 000 psi)，溫度范圍為-46～121 ℃。分析了機械獨立式井口連接器，其具有結構簡單、緊湊、操作方便和可靠性高等優點，可以實現機械鎖緊與解鎖功能，同時具備自鎖能力，能滿足大通徑、高壓金屬密封要求。根據API Spec 17D第2版標準要求，對連接器進行了理論分析，并應用SolidWorks軟件對連接器的卡牙做了有限元計算。

關鍵詞：井口連接器；機械鎖緊與解鎖；摩擦自鎖；大通徑；高壓金屬密封

近年來，隨著世界各國對海洋油氣資源的大力勘探和發展，水下采油樹得到了廣泛應用。水下采油樹井口連接器為采油樹的重要部件，它可以和采油樹本體設計為一個整體，也可以獨立設計，因此，按結構形式劃分，井口連接器包括整體式和獨立式；但按驅動方式劃分，井口連接器又分為機械式和液壓式[1]。

圖1　　　液壓整體式井口連接　　　器安裝示意圖

在國外，水下井口連接器已有成熟的類似產品；但在國內，仍然屬于發展初期。目前，MSP-drilex公司已開發并應用的井口連接器有2類(見圖1和圖2)：液壓整體式井口連接器和機械獨立式井口連接器。本文所分析的水下采油樹井口連接器為機械獨立式井口連接器。

圖2　機械獨立式井口連接器安裝示意圖

液壓整體式井口連接器結構復雜，精度要求高，為了保證解鎖功能，一般應配備二次機械式解鎖機構[2]。液壓整體式井口連接器可通過液壓遠程控制井口連接器的解鎖與鎖緊，由于液壓密封的需要，連接器的加工精度相對要求較高。機械獨立式井口連接器結構簡單，動作單一，僅需通過專用工具對井口連接器的提拉桿進行操作，即可實現連接器的鎖緊與解鎖，且加工精度要求相對較低。

1方案設計

井口連接器的主要功能為實現采油樹本體與井口頭的對接鎖緊和解鎖，在鎖緊時保證預密封，并且具備自鎖功能。本文所討論的井口連接器為機械獨立式井口連接器(以下簡稱“井口連接器”)，其總體設計方案圖如圖3所示。

圖3　井口連接器總體設計方案圖

井口連接器與樹本體是通過螺紋聯接的，螺紋為特殊螺紋，具有良好的承壓能力。連接盤上設有喇叭口，在安裝時起到一定的導向作用。采油樹與井口連接通過8塊卡牙進行鎖緊與解鎖，8塊卡牙安裝于連接器本體中，圍繞中軸呈輻射狀均布(見圖4)。通過提拉桿下壓下壓環，使得8塊卡牙整體向中軸線移動，從而達到對井口頭的鎖緊；提拉桿向上移動，下壓環不再壓緊8塊卡牙，下壓環與卡牙間存在間隙，當使用專用工具收回采油樹時，8塊卡牙同時往回退，從而實現解鎖。在8塊卡牙鎖緊的過程中，可以調節下壓環的行程，從而達到調節采油樹本體與井口頭間的金屬密封預密封力；同時，當外力撤去時，由于下壓環與卡牙接觸面的特殊結構，保證解鎖力始終在當量摩擦錐內，從而達到自鎖的目的[3]。

圖4　卡牙

2關鍵技術

鎖緊機構的設計是保證采油樹與井口連接的關鍵。它既要承受由環空高壓引起的軸向分離力，同時還要保證足夠的密封力，且要求整個服役期間可靠自鎖。卡牙的卡齒面為特殊的卡齒，卡齒面分布于2α的錐角的錐面上；下壓環和卡牙的接觸面也處于2α的錐角的錐面上.卡牙徑向截面圖如圖5所示。卡牙與下壓環接觸面受力分析圖如圖6所示。圖6中，沒有體現連接器本體對卡牙的摩擦力和支承力，卡牙所受的徑向分離力和下壓環斜面的支持力及摩擦力是確保自鎖的關鍵因素。對卡牙的徑向分離力沿斜面做正交分解，正壓力為垂直斜面向左，下滑力為沿斜面向下。設卡牙與下壓環的滑動摩擦因數(靜摩擦因數稍大，此處認為相等)為μ，則最大允許的靜摩擦力Fμ=μFn。

圖5　卡牙徑向截面圖　　　　　　圖6　卡牙受力圖

在實際生產中，井內的壓力并不穩定，由于井內的壓力存在波動，必然會對井口設備產生振動，這種載荷長期的作用，仍然可能使得卡牙松動，導致密封力減小，引起金屬密封失效；因此，為了確保整個服役期間可靠自鎖，防止下壓環軸向的緩慢地微觀竄動，應在提拉桿上端安裝防松裝置(見圖7)。

圖7　帶有放松裝置的機械獨立式井口連接器安裝示意圖

提拉桿上端有多道環齒結構，防松裝置通過鎖緊卡塊(類似圖5中卡牙的卡齒)嵌入提拉桿的環齒結構，防松裝置安裝于頂板上，頂板安裝于采油樹本體頂部，可以起到防提拉桿軸向竄動的作用。為了使下壓環與卡牙在自鎖時具備一定的預緊力，通常使卡牙與下壓環處于過盈配合，這在保證密封力的同時，也能延長井口連接器的防松壽命[4]。

3理論分析

通常保證自鎖的方式有2種：1)在摩擦因數一定的情況下，盡量減小接觸面的角度；2)在接觸面角度一定的情況下，盡量增大摩擦因數。水下設備通常應考慮防腐，一方面通過犧牲陽極陰極保護的方法對設備進行保護；另一方面通過防腐涂層進行保護。根據API SPEC 17D，PTFE涂層的摩擦因數為μ=0.07，摩擦角φ=arctanμ=4°15′，因此，當卡牙和下壓環采用PTFE做涂層時，斜面接觸角度應≤4°。

在卡牙鎖緊到位后，如果繼續下壓下壓環，則卡牙與下壓環間將過盈預緊(見圖8)。圖8中，假設卡牙與下壓環間可調過盈量為Δδ，下壓環調節位移為ΔL=Δδ/sinα。取Δδ=1 mm，α=4°，則調節位移ΔL=19.11 mm；當α=3°時，則調節位移ΔL=28.65 mm。顯然，隨著接觸面角度的降低，調節位移迅速增大。卡牙與下壓環位置關系如圖9所示，考慮到加工制造引起的接觸面偏差，實際上卡牙與下壓環的鎖緊先由線接觸，逐漸變為面接觸，預緊力不斷增大。由于空間結構的限制，調節位移不宜過大，在可調節過盈量一定的情況下，只能增大接觸面角度；因此，為了保證滿足具有一定調節空間的預緊力的要求，接觸面角度只能在不大于摩擦角的情況下做小幅度改變[5]。

圖8　過盈與位移　　　圖9　卡牙與下壓環位置關系圖

將下壓環近似看作剛體，變形完全來自卡牙，忽略卡牙的結構影響，將卡牙看作方塊，則卡牙所受側向預緊力可近似表達為FΔδ=kΔδ。k為剛度系數，k=EA/L。其中，彈性模量E=206 GPa，接觸面積A=2.165×104mm2，卡牙徑向厚度L=154 mm，則k=2.896×1013N/mm。下壓環的下壓力為FY=4FΔδ/sinα。函數μ(Δδ)表示摩擦因數隨過盈量增加的變化情況。當接觸面接觸距離小到一定程度時，摩擦因數會明顯增大，但卡牙與下壓環材料間有涂層，因此，摩擦因數≤1，說明下壓力計算方法是合適的。由此，下壓力可改寫為FY=4kΔδ/sinα，取Δδ=1 mm，α=4°，則FY=1.660×1013N，顯然，該力是十分巨大的，實際不會產生如此巨大的松動力，提供如此巨大的力對驅動裝置來說也是無法達到的。井口連接器的設計壓力為Pw=69.0 MPa，金屬密封圈的最大冗余直徑(見圖10)G=526.33 mm，則中心分離力FF=4πG·2Pw=1.501×107N。中心分離力即為最大可能的軸向松動力。

圖10　金屬密封最大密封直徑示意圖

綜上所述，在設計時，考慮加工誤差，應保證自鎖及足夠的預緊力，取過盈量取Δδ=1 mm，接觸面角度取α=4°；但考慮到預緊困難，可以對卡牙和下壓環接觸面做相應的處理，使摩擦因數增大。

4關鍵件的有限元分析

卡牙的危險點在卡齒處，它受到井內壓力的軸向分離力作用。最大分離力為FFM=4πG·2PT=4πG×2×1.5PT=2.252×107N，每塊卡牙的軸向分離力為FKF=FFM/8=2.815×106N。卡牙材料性能見表1。

表1　卡牙材料性能

本文分析主要關注卡牙卡齒的強度。在鎖緊狀態下，近似將卡牙側面和地面接觸面看作無彈性位移，即可在該位置增添剛性約束。有限元分析如圖11所示。由圖11可以看出，最大應力強度σeq=455.4 MPa，許用應力σE=517 MPa，安全系數S.F=4σE/σeq=1.135，強度滿足設計要求。

圖11　卡牙應力云圖

5結語

通過上述分析，可以得出如下結論。

1)井口連接器的鎖緊型面為錐面；而液壓整體式井口連接器的鎖緊型面為柱面。因此，井口連接器預緊力可調節，其適應井內壓力變化的能力更強，在長時間工作之后，鎖緊型面松動時，可以通過下壓預緊，繼續維持良好的密封。

2)與液壓整體式井口連接器相比，井口連接器自身沒有液壓驅動裝置，因此，加工精度、表面粗糙度相對要求較低；同時，由于錐面鎖緊型面設計，其允許加工誤差能力更高。

3)井口連接器擁有防松機構，在預緊力不足的情況下，仍然可以依靠防松機構防止提拉桿后退。過盈量僅需0.01 mm，就可以維持自鎖。

4)MSP-drilex公司已完成對該井口連接器的壓力測試，井口連接器鎖緊并實現高壓(測試壓力為103.5 MPa)密封，驗證了井口連接器強度滿足要求，密封能力良好。

參考文獻

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[2] 高攀,段夢蘭,董楠,等.細長型井口回接連接器設計[J]. 石油礦場機械，2011,18(12)：120-124.

[3] 龔銘煊,劉再生,段夢蘭,等.深海水下采油樹下放安裝過程分析與研究[J]. 石油機械，2013,17(4)：151-156.

[4] 李婷婷,董楠,段夢蘭,等.深水管道裝置安裝方法研究[J]. 石油機械，2012,17(5)：178-182.

[5] 王瑩瑩,段夢蘭,馮瑋,等.深水管匯安裝方法及其在南海荔灣3-1氣田中應用研究[J]. 海洋工程，2011,16(3)：100-104.

責任編輯鄭練

Deep-sea Wellhead Connector Locking and Self-locking of Underwater Research and Application

YANG Zhuangchun1, SUN Wei1, ZHANG Pengju2, SHI Jia2, LI Mandi2, XIA Xin2

(1.CNOOC Deepwater Development Co., Ltd., Zhuhai 519000, China; 2.Meizuan Energy Technology (Shanghai)Co., Ltd., Shanghai 200000, China)

Abstract：For the subsea wellhead tree connector,the product specification level is PSL 3G, the design pressure is 69 MPa (10 000 psi), and the temperature range is -46-121 ℃. Connector involved is a mechanical type wellhead connector, which has a simple and compact structure, easy operation and high reliability.It can achieve mechanical locking and unlocking function, along with self-locking capabilities, to meet large diameter, high-pressure metal seal claim. According to API Spec. 17D of the second version of the standard requirements of the connector theoretical analysis, and apply software SolidWorks to analyze the card connectors teeth with finite element calculation.

Key words:wellhead connector, mechanical locking and unlocking, friction and self-locking, chase drive, high-pressure metal seal

收稿日期：2015-10-09

作者簡介：楊壯春(1964-)，男，高級工程師，主要從事海洋工程等方面的研究。

中圖分類號：TE 952

文獻標志碼:B