水下連接系統測試驗證關鍵技術及衡準研究

中國船級社 萬 波 海洋石油工程股份有限公司 付劍波 陳 卓 中國石油大學 趙宏林 李育房

水下連接系統包括水下連接器及其安裝工具。水下連接器主要用于連接跨接管和水下設備（管匯、采油樹、PLET、PLEM等）的一種快速連接接頭，是水下跨接系統的重要組成部分。國外FMC、Cameron、Oil States等公司的連接器及其配套工具技術成熟，且擁有一套完整的測試驗證技術。國內連接器及配套工具的研究起步較晚，且未全面投入使用，其相應的完整的測試驗證技術還不完善。

目前，國內外均無專門針對水下連接系統的標準。依據驗證要求，以API17D或ISO3628-4、GB/T21412.4以及ASME SEC VIII Div2標準為主體設計依據；一般來說，ISO13628-1（等效標 準API17A和GB/T21412.1）中對水下設備的一般要求都要考慮，尤其是安裝、實驗與拆除部分；螺栓法蘭的設計、制造及測試，參照API16A及其等效的國標GB/T20174；管路的設計一般 參 照ASME B31.3、ASME B31.8標準。

從主性能、主功能的實現及安全的角度，并結合水下安裝、測試、維護的特點，水下連接系統設計驗證的關鍵要點歸納為以下幾點：

（1）水下連接系統的整體性能和功能驗證；

（2）保證水下連接器的強度和密封性的設計以及材料和防腐要求，以保證水下連接器的基本性能要求；

（3）水下連接器安裝工具的功能要求，包括ROV操作介面（interface）的要求；

（4）制造過程中關鍵點的質量控制；

（5）海洋環境的測試要求，即海試要求。

1.水下連接系統概述

水下連接系統是水下連接器及其安裝工具的統稱，依據ISO 13628-1水下連接器的定義如下：能夠形成一個壓力密閉流程系統的快速連接接頭，通常和跨接管一起亦或單獨用于連接海底管道與海底管道組件、海底管道與水下設備、水下設備間的連接。

水下連接系統按照使用形式的不同可以分為水平連接系統和垂直連接系統。在油氣田水下生產中，我們通常使用以下三種類型的水下連接系統：

a）卡箍式（或者稱夾鉗連接器（Clamp Connector）），如圖1所示。

b）卡爪式（或者稱套筒連接器（Collet Connector ）），還可以根據驅動方法將其分為液壓式和機械式兩類；如圖2所示。

c）法蘭式（螺栓法蘭連接器），如圖3所示。

深水連接系統需用水下無潛水下連接系統，通常主要有兩種，一種是卡箍式水下連接系統，另一種是卡爪式水下連接系統。目前，利用潛水員安裝的淺水法蘭（特指螺栓法蘭）連接器在我國也有應用。深水用的螺栓法蘭式連接器，價格昂貴。

圖1：卡箍式連接器

圖2：卡爪式連接器

圖3：螺栓法蘭連接器

2.性能驗證試驗（PVT）

性能驗證一般應驗證水下連接系統在額定的壓力、溫度和材料級別相適應的試驗流體條件下，其性能符合設計及其適用規范、標準的要求。試驗包括承載能力、操作力或操作扭矩的驗證 。

性能實驗主要參照API6A附 錄F、ISO13628-4 5.1.7、ISO10423附錄F及等效的國標GB/T21214.4 5.1.7、GB/T22513-2008附錄E。通過對比分析，并結合水下連接系統的特點，總結出水下連接系統性能驗證試驗（PVT）主要包括室溫下的靜水壓力試驗、室溫下的氣壓試驗、壓力-溫度循環試驗、裝卸循環試驗、彎矩試驗、振動試驗、耐久循環試驗、非金屬材料密封件的試驗、操作性能試驗、通過背壓測試驗證密封有效性試驗、承外壓測試等。

趙三軍等給出了套筒連接器內、外壓以及彎矩、扭矩測試；付劍波等給出了室溫下靜水壓和氣壓試驗、靜水壓循環試驗、載荷試驗、最低/最高溫度試驗、溫度循環、耐久性試驗，這里不再贅述。

水下連接系統從陸地上制造到海底安裝，以及油氣生產、停產、維護/維修等，需要經歷溫度和壓力的交錯變化，所以壓力-溫度循環試驗對于驗證連接系統的密封性非常重要。同時，連接器的操作性能試驗對于驗證鎖緊效果和密封裝置操作性能十分重要。

2.1 壓力-溫度循環試驗

溫度變化期間，應監視和控制壓力；并應遵循下列程序，其相應每步程序號字母參見圖4。保壓期間，最大允許壓降為5%試驗壓力或3.45MPa，取小者。

a) 在工作海水環境溫度和大氣壓力下開始升溫至最高溫度；

b) 施加試驗壓力，至少保壓1h，而后泄壓；

c) 降溫至最低溫度；

d) 施加試驗壓力，至少保壓1h，而后泄壓；

e) 升溫至工作海水環境溫度；

f) 在工作海水環境溫度下施加試驗壓力，并且在升至最高溫度期間，保持壓力在試驗壓力的50%～100%；

g) 在試驗壓力下至少保壓1h；

h) 在保持試驗壓力的50%～100%時，降低溫度至最低溫度；

i) 在試驗壓力下至少保壓1h；

j) 升溫至工作海水環境溫度，升溫期間保持試驗壓力的50%～100%；

k) 泄壓，再升溫至最高溫度；

l) 施加試驗壓力，至少保壓1h，而后泄壓；

m) 降溫至最低溫度；

n) 施加試驗壓力，至少保壓1h，而后泄壓；

o) 升溫至工作海水環境溫度；

p) 施加試驗壓力，至少保壓1h，而后泄壓；

q) 施加5%～10%的試驗壓力，至少保壓1h，而后泄壓。

2.2 操作性能試驗

水下連接系統應能在制造商規格書規定的扭矩下工作。連接器的操作扭矩應進行驗證，并做好記錄。

2.2.1 鎖緊裝置操作性能試驗

圖4：壓力-溫度循環試驗程序

水下連接系統制造完成后，應進行鎖緊裝置操作性能試驗，步驟應參照下列原則進行：

（1）將連接器的Hub端固定（法蘭式連接器，固定其中一端）；

（2）采用規格書中最大的鎖緊壓力鎖緊連接器；

（3）檢測用初級解鎖系統打開連接器所需要的扭矩，記錄該扭矩；

（4）用制造商推薦的鎖緊壓力的67%重復（2）和（3）步（法蘭式連接器除外）；

（5）用制造商推薦的鎖緊壓力的33%重復（2）和（3）步（法蘭式連接器除外）；

（6） 重復（2）-（5）兩次以上；

（7）如果連接器裝有二級解鎖系統（越控系統），僅用二級解鎖系統重復（2）-（6）（法蘭式連接器除外）；

（8）記錄所有鎖緊扭力和對應的打開壓力；

（9）檢查并記錄鎖緊裝置的磨損情況。

2.2.2 密封裝置試驗

水下連接系統制造完成后，應進行密封裝置操作性能試驗，根據ISO13628-4 7.8 Tree connectors and tubing heads 7.8.3Testing的原則要求，下列原則步驟應參照進行：

（1）將連接器的Hub端固定適當（法蘭式連接器，固定其中一端）；

（2）采用制造商推薦的鎖緊壓力/扭力將連接器鎖緊在連接的另一端。施加5%～10%的額定工作壓力，至少保持3min，然后釋放壓力至零，并解鎖。重復該步驟5次；

（3）5次循環并解鎖之后，將連接器（卡箍、卡爪式連接器的母接頭，法蘭式連接器的另一端）提起，然后再回至連接器的Hub端；

（4）施加1.1倍的額定工作壓力，直到連接器密封失效或完成24次壓力循環；

（5）記錄從連接器的Hub端（法蘭式連接器的其中一端）上拆下連接所需的載荷。

3.工廠驗收實驗（FAT）

工廠驗收實驗（FAT）主要驗證水下連接系統的靜水壓、互換性、安裝、密封圈更換要求及密封有效性、防腐、液壓飛頭、安裝工具液壓驅動器、通徑測量、稱重等項目是否與檢驗要求一致。本文在此僅針對重要的試驗進行論述。

3.1 靜水壓力試驗

3.1.1 靜水壓力試驗要求

靜水壓力試驗的試驗壓力為1.5倍的額定工作壓力。

循環次數依據檢驗要求，一般情況下，不低于3.1.2的技術要求。

3.1.2 試驗程序及驗收標準

a) 打壓至試驗壓力的5%～10%，保壓3min，無泄漏，泄壓；

說明：試驗低壓保壓能力。

b) 打壓至試驗壓力，保壓3min，無泄漏；

說明：試驗超壓保壓能力。

c) 泄壓至額定工作壓力，保壓15min，無泄漏；

說明：試驗超壓保壓能力（額定工作壓力和超壓保壓能力在此中合并試驗），泄壓至額定工作壓力，試驗超壓后，回復至額定工作壓力后的保壓能力。

d) 泄壓至試驗壓力的5%～10%，保壓3min，無泄漏，泄壓；

說明：試驗連接器工作后，降至低壓時的保壓能力。

e) 若無泄漏，交替加壓至額定工作壓力，然后泄壓，循環200次，每一次均不要求保壓期，但要求無可視滲漏、泄漏；

說明：試驗交替工作后的保壓能力。

f) 重復試驗步驟a和d。

3.1.3 壓力試驗接收標準

（1）由于測試液體和設備管路之間的溫差所引起的初始壓力下降或上升是可以接收的，但前提是這種壓力波動最終能穩定下來。如果壓力不能穩定下來，檢查并修補滲漏處。在壓力穩定下來后，重新調整壓力至試驗壓力值。在測試中的壓力穩定階段，應隔離開打壓設備；

（2）不接受任何可視的液體滲漏、泄漏。最大壓降不超過試驗壓力的5%或3.45MPa，取其小者。

3.2 安裝與拆卸試驗

安裝與拆卸實驗主要驗證安裝過程中的導向、對中、拉緊、鎖緊等功能。

安裝完成后，應依據3.1.2 a)-d)的要求進行靜水壓力試驗，以驗證安裝的有效性。

對于常用的卡爪式連接器、卡箍式連接器、螺栓法蘭式連接器的安裝與拆卸實驗宜參照表1。

表1：連接器安裝與拆卸實驗

3.3 密封有效性試驗（背壓測試）

安裝完成后及密封圈更換后對連接器密封有效性進行測試。

3.3.1 試驗壓力的確定

試驗壓力由技術規格書的要求確定，但一般情況下，試驗壓力不低于工作水深的1.2倍，但不必大于工作水深加100米水深對應的壓力。

3.3.2 試驗程序與驗收標準

a）施加試驗壓力，保壓時間不小于1h，應無泄漏；

b）如有壓降，最大壓降不超過試驗壓力的5%或3.45MPa，取其小者。

3.4 液壓飛頭強度及密封性性能試驗

3.4.1 試驗程序及要求

強度及密封性性能試驗，宜按照下列步驟進行：

a）對液壓飛頭組件及其管線，施加1.1倍額定工作壓力，保壓時間不小于3min，應無泄漏；

b）升壓至1.5倍的額定工作壓力，保壓時間不小于3min，應無泄漏；

c）泄壓至額定工作壓力，保壓時間不小于3min，應無泄漏，完全泄壓；

d）施加額定工作壓力，保壓時間不小于3min，無泄漏，完全泄壓；

e） 重復d）步操作2次。

3.4.2 驗收標準

不接受任何可視的液體滲漏、泄漏。最大壓降不超過試驗壓力的5%或3.45MPa，取其小者。

4.系統完整性實驗（SIT）

4.1 一般要求

系統完整性試驗主要測試水下連接系統與其他相關聯系統（如ROV）的介面合理性、聯合功能測試、性能測試。下列內容在測試中應重點觀注。

4.2 安裝工具液壓操作系統、連接件密封性試驗

水下連接安裝工具的液壓操作部件（如液壓飛頭等）連接完成后，應進行系統密封性試驗，以測試系統密封性的完整性。

試驗壓力為1.1倍的額定工作壓力，保壓時間為3min，系統無泄漏。因為像液壓飛頭這樣的連接件，在操作中過程中的承壓時間并不長，故降低了保壓時間。

4.3 安裝與回收試驗

4.3.1 安裝與回收試驗要求

安裝工具能夠在試驗場地進行水下連接器的模擬連接，并鎖緊，連接過程順利。連接后按照4.2.1進行密封性試驗。

應特別注意試驗完成后，確認一、二級鎖緊機構與轂沒有不可接受的劃痕或擦傷。

4.3.2 更換密封圈后的密封有效性測試

安裝完成后，進行密封有效性測試（一般采用背壓測試方法進行），背壓測試保壓時間不少于15min。

此處僅要求15分鐘，不同于本文中3.3 密封有效性試驗（背壓測試）要求的時間長，主要因為此處為SIT試驗，只是證明密封圈更換后密封有效，證明的是結果，而非包括性能。

5.工程環境測試

5.1 工程環境測試的特點

工程環境測試是指在水中模擬海上工程施工時的過程與操作。工程環境測試與海試的主要區別在于，前者不要求在海上，且用實際的工程船進行測試。共同點是，水下的安裝、就位與操作，應在無人為直接干涉下完成，即完全通過ROV協助完成。

工程環境測試一般測試機械連接等功能測試和密封測試，如已安裝在水下設備上，還應與水下設備一起做功能試驗，并滿足整體密封試驗要求。

工程環境測試概念的提出，主要是針對新研發產品的性能測試。

5.2 工程環境測試（海試）要求

海試前，在陸上要完成海上試驗的所有項目，并經檢驗合格，海試試驗前，應做好海試應急預案。工程環境測試合格的產品，在功能上是合格的。至于海水腐蝕性性能、與油氣的適用性等性能不能證明。

工程環境測試主要包括功能試驗和操作成功驗證性試驗：

5.2.1 功能試驗

a） 水下連接器的安裝；

b） 水下連接器的鎖緊，對于卡爪式連接器包括二級鎖緊；

c） 水下連接器的拆卸；

d） 密封圈更換試驗；

e） 背壓試驗。

5.2.2 性能試驗

此處的性能試驗為操作成功驗證性試驗，如水下連接器安裝完成后，應進行密封性有效性測試，步驟如下：

a）在條件允許的情況下，應依據：打壓至試驗壓力的5%～10%，保壓3min，無泄漏、泄壓的要求進行靜水壓力試驗，以驗證安裝的有效性；

b）如操作性能試驗已經通過，可依據更換密封圈后的密封有效性測試的要求進行背壓測試，以驗證密封的有效性；

c）密封圈更換后，應依據相關要求進行密封性有效性測試。

6.結論

（1） 水下連接系統作為水下生產系統重要的連接部件，其承受壓力、溫度、拉、扭等主要載荷，對于新產品進行基于工作環境溫度的壓力-溫度循環試驗十分必要，可有效測試整體性能和功能、尤其是密性的有效性；

（2） 操作性能測試是保證水下連接系統安裝、維護和回收能否順利實現的重要測試過程。尤其是在無人為協助或干擾下，能夠讓ROV順利完成操作最為重要。這也是本文要求水下連接系統進行海試的重要原因。

（3） 本文水下連接系統的測試驗證技術依據相關標準和工程經驗，從PVT、FAT、SIT、工程環境測試四個方面給出較為詳細、系統的測試驗證方法，可以給工程設計、新產品研發、標準的制定、完善提供較好的借鑒。