深水垂直套筒式連接器多功能試驗(yàn)臺(tái)的研制與應(yīng)用

徐曉磊　陳小偉　魏柳興　仝兆盤　周莉莉　張江河　吳瑞金

（南陽二機(jī)石油裝備集團(tuán)股份有限公司，河南　南陽　473006）

深水垂直套筒式連接器多功能試驗(yàn)臺(tái)的研制與應(yīng)用

徐曉磊陳小偉魏柳興仝兆盤周莉莉張江河吳瑞金

（南陽二機(jī)石油裝備集團(tuán)股份有限公司，河南南陽473006）

介紹一種適用于深水垂直套筒式連接器的多功能試驗(yàn)臺(tái)的組成、性能參數(shù)、功能及應(yīng)用。該試驗(yàn)臺(tái)配有數(shù)控加壓系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和手動(dòng)控制切換，最大試驗(yàn)壓力可達(dá)80MPa，可進(jìn)行垂直連接器安裝試驗(yàn)、靜水壓試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)等。

試驗(yàn)臺(tái)；垂直套筒式；連接器；多功能

深水套筒式連接器是水下跨接管與水下生產(chǎn)設(shè)施（如采油樹、管匯、PLET與PLEM等）的連接部件。因其具有機(jī)械接連可靠，連接處不要求管線撓度來補(bǔ)償，偏心誤差小，下放工具完全獨(dú)立，可回收、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)［1］。深水垂直套筒式連接器（以下簡(jiǎn)稱垂直連接器）是較為常用的一種水下連接器，工作水深最大可達(dá)1 500m。為了保證連接器的可靠性、安全性、密封性等，需要對(duì)垂直連接器進(jìn)行全方位的檢測(cè)。陸上模擬試驗(yàn)是檢測(cè)垂直連接器各項(xiàng)性能的重要手段。本文研制的多功能試驗(yàn)臺(tái)用于垂直連接器的陸上模擬試驗(yàn)，如安裝試驗(yàn)、靜水壓試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)等，效果良好。

1　結(jié)構(gòu)組成

多功能試驗(yàn)臺(tái)主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、靜水壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。該試驗(yàn)臺(tái)可進(jìn)行多項(xiàng)模擬試驗(yàn)，以彎曲試驗(yàn)為例，首先將垂直連接器固定在試驗(yàn)臺(tái)架上，安裝工作液壓缸，并在應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)粘貼應(yīng)變片，以便采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)；然后設(shè)定試驗(yàn)輸入?yún)?shù)，如液壓缸工作壓力、往復(fù)彎曲次數(shù)、內(nèi)部壓力等，啟動(dòng)電氣系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)液壓站和試壓機(jī)，由液壓站驅(qū)動(dòng)工作液壓缸進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，給垂直連接器提供持續(xù)的彎矩，試壓機(jī)對(duì)連接器內(nèi)部進(jìn)行打壓，模擬垂直連接器在深海作業(yè)時(shí)承受內(nèi)壓的同時(shí)，還要承受外部浪涌產(chǎn)生的彎矩。

1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要作用是支撐垂直連接器和工作液缸，并為試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的彎矩和扭矩提供反作用力。

當(dāng)進(jìn)行安裝試驗(yàn)時(shí)，連接架采用銷軸固定在試驗(yàn)臺(tái)架端部，通過驅(qū)動(dòng)盤和解鎖銷與垂直連接器連接，通過工作液缸，可實(shí)現(xiàn)垂直連接器的鎖緊和解鎖，見圖1。

當(dāng)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，將連接盤與垂直連接器連接，通過工作液缸，提供扭轉(zhuǎn)力，使垂直連接器進(jìn)行反復(fù)扭轉(zhuǎn)，以此模擬垂直連接器在深海工作時(shí)，石油輸送管道對(duì)連接器施加的反復(fù)扭矩，見圖2。

當(dāng)進(jìn)行彎曲試驗(yàn)時(shí)，將連接盤與垂直連接器連接，通過工作液缸，提供彎曲力，使垂直連接器進(jìn)行反復(fù)彎曲，以此模擬垂直連接器在深海工作時(shí)，浪涌對(duì)連接器施加的反復(fù)彎矩，見圖3。

由圖1～3可以看出，本套多功能試驗(yàn)臺(tái)，只需更換相應(yīng)附件，就可實(shí)現(xiàn)多工況模擬試驗(yàn)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

圖1　機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（安裝試驗(yàn)狀態(tài)）

圖3　機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（彎曲試驗(yàn)狀態(tài)）

1.2液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要是控制工作液缸的動(dòng)作，液壓系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4　液壓系統(tǒng)原理

當(dāng)油泵電機(jī)啟動(dòng)液壓泵后，液壓油箱里的液壓油經(jīng)過過濾器、油泵、閥組、液壓管線進(jìn)入工作油缸，在進(jìn)行不同試驗(yàn)時(shí)，選擇開啟對(duì)應(yīng)工作液缸的進(jìn)回油球閥。在進(jìn)行安裝試驗(yàn)時(shí)，液壓缸活塞桿伸出，提供安裝動(dòng)力，使垂直連接器鎖緊；在進(jìn)行彎曲試驗(yàn)和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，活塞桿伸出和縮回都將提供推力，使垂直連接器發(fā)生彎曲或扭轉(zhuǎn)。配套的電磁換向閥可通過電控系統(tǒng)設(shè)定實(shí)現(xiàn)反復(fù)彎曲或扭轉(zhuǎn)。手動(dòng)換向閥處預(yù)留了彎矩和扭矩的測(cè)量接口，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)信息的采集。

1.3靜水壓系統(tǒng)

靜水壓系統(tǒng)是采用一套智能數(shù)控試壓機(jī)，可設(shè)定試驗(yàn)壓力，當(dāng)達(dá)到設(shè)定壓力后，系統(tǒng)停止打壓，最高試驗(yàn)壓力可達(dá)80MPa。可自動(dòng)記錄和存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)過程。

1.4電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)主要控制油泵電機(jī)的啟動(dòng)和停止，試驗(yàn)過程自動(dòng)控制與手動(dòng)控制的切換，以及試驗(yàn)次數(shù)自動(dòng)計(jì)數(shù)、壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換、工作液缸狀態(tài)顯示等。將電氣控制原件集成到控制箱上，方便控制和觀察。電氣控制箱見圖5。

圖5　電氣控制箱

1.5數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是利用應(yīng)力采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集和記錄垂直連接器模擬試驗(yàn)過程中的應(yīng)力，以及利用傳感器采集垂直連接器模擬試驗(yàn)過程中彎矩、扭矩、試驗(yàn)次數(shù)、試驗(yàn)壓力等動(dòng)態(tài)參數(shù)。實(shí)現(xiàn)垂直連接器在不同工況下的模擬試驗(yàn)，具有較高的遠(yuǎn)程操控能力，能滿足試驗(yàn)過程的自動(dòng)化操作。

1.6遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

垂直連接器模擬試驗(yàn)為高壓試驗(yàn)，最高試驗(yàn)壓力達(dá)51.75MPa。在試驗(yàn)過程中，為了方便檢測(cè)關(guān)鍵部位是否有泄漏，利用高清攝像頭進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過程，保證試驗(yàn)人員的安全。

2　主要技術(shù)參數(shù)

深水垂直套筒式連接器多功能試驗(yàn)臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)如下：液壓系統(tǒng)額定工作壓力16MPa，最大鎖緊力300kN，最大彎矩100kN·m；最大扭矩100kN·m；最大試驗(yàn)靜壓力80MPa。

按照最大工作水深1 500m，最大工作壓力34.5MPa的垂直連接器要求，該技術(shù)參數(shù)能夠滿足現(xiàn)有垂直連接器的試驗(yàn)要求，可進(jìn)行安裝試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)、靜水壓試驗(yàn)等。

3　實(shí)際應(yīng)用

利用該試驗(yàn)臺(tái)，成功研制了6英寸垂直套筒式管匯連接器科研樣機(jī)。在進(jìn)行安裝試驗(yàn)時(shí)，利用試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行垂直連接器的鎖緊，鎖緊后對(duì)連接器進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，最高試驗(yàn)壓力51.75MPa，保壓15min，無可見滲漏，見圖6。在進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，連接器內(nèi)部空腔加滿水，在34.5MPa （5 000psi）內(nèi)壓下［2］，施加100kN·m的扭轉(zhuǎn)力矩，反復(fù)施加扭轉(zhuǎn)力矩次數(shù)為100次，無可見滲漏，各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確。在進(jìn)行彎曲試驗(yàn)時(shí)，連接器內(nèi)部空腔加滿水，在34.5MPa（5 000psi）內(nèi)壓下，施加100kN·m的彎曲力矩，反復(fù)施加彎曲力矩次數(shù)為100次，無可見滲漏，各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確。試驗(yàn)結(jié)果表明，垂直連接器各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為下一步開展垂直連接器工程樣機(jī)的研制提供了重要的試驗(yàn)依據(jù)。

圖6　靜水壓試驗(yàn)

4　結(jié)論

①研制的深水垂直套筒式連接器多功能試驗(yàn)臺(tái)，最大鎖緊力為300kN，最大扭轉(zhuǎn)力矩為100kN·m，最大彎曲力矩為100kN·m，最大試驗(yàn)靜水壓力為80MPa，能夠開展各種工況的模擬試驗(yàn)。

②該試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊，功能齊全、配置合理，操作方便，自動(dòng)化程度高，性能可靠。

③試驗(yàn)表明，利用該試驗(yàn)臺(tái)可檢測(cè)垂直連接器的各項(xiàng)性能參數(shù)，為開展垂直連接器工程樣機(jī)提供重要的試驗(yàn)依據(jù)。

Development and Application of Multi Function Test Bench for Deep Water Vertical Sleeve Connector

Xu XiaoleiChen XiaoweiWei LiuxingTong ZhaopanZhou LiliZhang JiangheWu Ruijin
（RG PETRO-MACHINERY（GROUP）Co.Ltd.，Nanyang Henan 473006）

This paper introduced the composition，performance parameters，functions and application of a multi function test bed for deepwater vertical socket connector.The test stations were equipped with CNC pressurized system，data acquisition system and the automatic control system，could realize automatic control and manual control switch，the maximum test pressure of up to 80 mpa，vertical connector could be installed test，hydrostatic test，bending test and torsion test，etc.

test bench；vertical sleeve；connector；multi-function

TE933

A

1003-5168（2016）05-0068-03

2016-04-22

國(guó)家重大科技專項(xiàng)“水下連接器和安裝工具工程樣機(jī)優(yōu)化及配套設(shè)備研制”（2016ZX05028003-005）。

徐曉磊（1981-），男，本科，工程師，研究方向：石油鉆采機(jī)械設(shè)計(jì)。

［1］董衍輝，段夢(mèng)蘭，王金龍，等.深水水下連接器的對(duì)比與選擇［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012（4）：6-12.

［2］李博，周游，郭宏，等.深水套筒式連接器性能測(cè)試方法研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013（1）：5-8.