深水水下連接器國產化設計關鍵技術

張康，洪毅，段夢蘭*，羅曉蘭，侯廣信，徐曉磊

1 中國石油大學(北京)海洋工程研究院, 北京 102249

2 中海油研究總院, 北京 100027

3 南陽二機石油裝備集團股份有限公司, 南陽 473006

深水水下連接器國產化設計關鍵技術

張康1，洪毅2，段夢蘭1*，羅曉蘭1，侯廣信2，徐曉磊3

1 中國石油大學(北京)海洋工程研究院, 北京 102249

2 中海油研究總院, 北京 100027

3 南陽二機石油裝備集團股份有限公司, 南陽 473006

水下生產設施的國產化是我國深海油氣勘探開發的重大戰略之一。本文以水下生產系統中關鍵的連接設備——水下連接器為研究對象，依據結構功能和使用特點提煉出水下連接器通用技術問題。結合“十二五”期間對水下連接器的研制工作，從密封、鎖緊、定位對中和液壓控制四個方面探討了水下連接器國產化所需解決的設計關鍵技術，并重點闡述了密封關鍵技術與鎖緊關鍵技術問題。歸納總結了亟待解決的問題，并給出了相關解決方案的建議，對下一步水下連接器的“十三五”國產化自主研制具有重要的指導意義。

水下卡爪式連接器；國產化設計；密封技術；鎖緊技術

0 引言

隨著各大石油公司對深水油氣資源的勘探開采，作為深水油氣田開發的主要模式之一的水下生產系統得到廣泛應用。水下生產系統包括水下井口、采油樹、管匯、跨接管、水下控制系統、臍帶纜和海底管線等[1]。而水下連接器位于跨接管的末端，是水下生產系統的關鍵連接設施，其可以實現跨接管與管匯、采油樹、管道終端(PLET)等設施的連接[2]。因此，深水水下連接器是深水油氣資源開發的核心關鍵裝備之一。

早期的淺水油氣田開采中，水下設備的連接通常采用螺栓法蘭連接系統，依靠潛水員來完成。但是隨著深水油氣田的不斷開發，螺栓法蘭連接系統受到限制，因此深水無潛連接系統(Diverless Connection System)順勢而生。無潛連接系統是依靠ROV機器人(Remotely Operated Vehicle)完成水下連接器的連接。目前，國外已有多家公司掌握水下連接器的研發技術，世界范圍內的水下連接器產品基本上出自FMC、Cameron、Oil States、GE VetcoGrey以及Aker Solutions等水下設備供應商[3]，而且核心技術只有企業內部人員掌握，鮮有公開發表物對深水水下連接器關鍵技術進行闡述，只能從各公司官方網站[4-8]了解產品的部分特點。國內的水下連接器研發技術尚處于起步階段，深水油氣田所需的水下連接器仍然需要進口。僅中國第一個深水氣田LW3-1項目所需的水下連接器數量就超過88套，全部由Cameron公司提供。國外連接器不僅價格昂貴，而且索取巨額的服務費用，對核心技術進行封鎖。從長遠來看，迫切需要進行水下連接器的國產化研制，而這也符合深水油氣開發的國家戰略以及水下裝備國產化的趨勢。

本文以水下卡爪式連接器為研究對象，詳細介紹了其結構特點及功能原理，提出了相關的通用技術問題。以“十二五”期間對水下連接器研制工作為基礎，對國產化研制過程所形成的設計關鍵技術進行了闡述，其中重點分析了密封關鍵技術和鎖緊關鍵技術。對國產化亟待解決的關鍵技術問題進行了總結，并提出了解決相關問題的建議和思路，以期為“十三五”水下連接器的國產化研制提供指導。

1 水下連接器結構功能特點及通用技術問題分析

卡爪式連接器屬于純機械式的連接器，本身不帶液壓結構，安全可靠性較高并且應用較為廣泛，是國產化研制的重點。本文以卡爪式連接器為研究對象開展相關分析工作，首先對其結構和工作原理進行詳細闡述，然后根據其結構特點和功能要求，提出水下連接器通用的關鍵技術問題。

1.1 水下卡爪式連接器結構組成

圖1所示為一垂直式卡爪連接器，主要由公接頭和母接頭上下兩部分組成。其中公接頭包括1個上轂座、20個卡爪、1個驅動環、2個緊固螺栓、1個密封環。母接頭包括1個下轂座和1個對中底座組成。公接頭的頂端與跨接管焊接在一起，母接頭坐落在管匯或者采油樹等水下生產設施上，兩部分對接后通過擠壓中間的密封環形成密封通道，從而實現不同生產設施之間的連接。由此可見，水下連接器的核心功能是實現不同生產設施連接并且實現密封。

水下卡爪式連接器需要配備專門的安裝工具進行鎖緊和解鎖，如圖2所示，該安裝工具由起吊環板、控制面板、液壓閥件、二次鎖緊工具、連接液壓缸、連接環板、驅動液壓缸、驅動環板、底座等零部件組成。其液壓動力源由ROV提供，依靠ROV操作相關的閥件控制開關完成一系列安裝動作。安裝工具將連接器公接頭和母接頭對接鎖緊后撤離，無液壓系統置留海底。

1.2 水下卡爪式連接器工作原理

安裝工具將水下連接器的公接頭和母接頭對接鎖緊后，還需脫離連接器主體結構，其具體的工作原理[9]為：

①準備工作。把公接頭端與安裝工具裝配在一起，然后用吊機將其共同下放至母接頭端上方(母接頭端事先固定在某一基座平面上)。

②粗對中。繼續下放安裝工具和公接頭，通過安裝工具下端的底座與母接頭端的對中底座相配合，實現粗對中。

③精對中。連接液壓缸開始工作，推動連接環板移動，連接環板帶動公接頭端、卡扣桿同時向下運動。隨著卡扣桿向下運動，底座上的卡扣卡在對中底座的凹槽上，使安裝工具與母接頭端約束在一起，不會發生相對位移。通過上轂座和下轂座的榫槽配合結構，實現精對中過程。

④鎖緊卡爪。驅動液壓缸推動驅動環板向下運動，同時驅動環板將帶動連接器上的驅動環運動。驅動環促使卡爪收攏，卡爪將母接頭和公接頭鎖緊。在此過程中，公接頭端的上轂座和母接頭端的下轂座同時擠壓位于中間的密封環，使密封環發生變形，實現密封功能。

圖2 卡爪式連接器的安裝工具Fig. 2 Running tool of vertical collet connector

⑤安裝緊固螺栓。ROV旋轉安裝工具上的二次鎖緊工具手柄，將緊固螺栓安裝到位，實現連接器的二次鎖緊。

⑥解除驅動環與驅動環板的約束。開啟驅動環板上的液壓限位開關，限位塊開始向外運動，驅動環與驅動環板解除約束。

⑦撤離驅動環板。開啟驅動液壓缸控制開關，驅動液壓缸開始縮回，帶動驅動環板向上運動。

⑧解除連接蓋與連接環板的約束。開啟連接環板上的液壓限位開關，限位塊開始向外運動，連接蓋與連接環板解除約束。

⑨撤離連接環板。開啟連接液壓缸控制開關，連接液壓缸開始縮回，帶動連接環板、驅動環板、卡扣桿向上運動。隨著卡扣桿向上運動，卡扣解鎖，安裝工具與母接頭端解除約束。

⑩收回安裝工具。ROV撤去液壓源，啟動吊機將安裝工具收回。

1.3 通用技術問題分析

從卡爪式連接器的結構功能以及工作原理來看，為了實現水下連接器特定功能要求，保證水下連接器高可靠性、高壽命運行，通用的設計技術至少包含以下幾方面：

①密封設計：水下連接器結構最核心的功能是密封，而實現密封的關鍵零部件是金屬密封環，但水下連接器的金屬密封環不屬于標準密封件，因此需要研究金屬密封機理，探究密封設計方法與設計準則；

②鎖緊機構設計：實現鎖緊是密封的前提，而水下連接器鎖緊機構的關鍵零部件是卡爪。卡爪在鎖緊過程是運動零部件，因此保證卡爪在鎖緊過程運動無卡阻，鎖緊到位后穩固可靠運行是要解決的關鍵問題；

③定位對中設計：實現精準定位和對中是鎖緊和密封的前提，水下連接器母接頭端隨管匯或采油樹等設施首先下放到位，緊接著公接頭端隨跨接管下放，此過程需要完成兩個對接體的定位對中。因此需要研究水下連接器的定位對中設計方案，以保證順利安裝；

④液壓控制設計：水下連接器的一系列安裝動作均需要安裝工具上的液壓機構來執行，因此需要研究適用于水下連接器所實現特定動作的液壓控制系統，并合理布局管路系統；

⑤防腐設計：水下連接器要長期承受內部高溫高壓介質流體和外部低溫高壓海水侵蝕，對防腐材料和防腐措施提出了極高的要求。因此需要研究特殊材料選型以及專門的防腐設計方案，保證連接器的使用壽命。

2 國產化設計關鍵技術

針對上述通用技術問題，本課題組進行了科研攻關，突破了一系列設計、制造、測試、安裝技術難題，形成了水下連接器國產化的關鍵技術。本文將從密封、鎖緊、定位對中、液壓控制四個方面重點闡述所形成的設計關鍵技術。

2.1 密封關鍵技術

在形成獨特的密封結構總體設計方案的基礎上，探究與密封相關的物理量之間的關系，用以指導密封設計，最終形成以下關鍵技術：

1)“三段式密封面”雙重密封結構設計

水下連接器采用兩級密封，第一級為金屬密封，是主密封，采用雙錐面或透鏡曲面結構形式，依靠金屬密封環直接接觸轂座結構實現可靠密封；第二級為非金屬密封，是副密封，依靠O型橡膠圈與轂座結構相接觸實現。非金屬密封區域與金屬密封區域配合形成密閉空間，以保證金屬密封面與外界隔斷，同時可以用來檢測金屬密封性能。如圖3所示為錐面結構的密封面，共分為三段，紅色1段與轂座密封面有一定角度差，一般取2°～3°；綠色2段為密封測試空間段；洋紅色3段與轂座密封面平行以保證O型圈的密封性。密封實現過程依次為O型橡膠圈首先與轂座密封面接觸，其次紅色1段逐漸與轂座密封面接觸，最后紅色1段被壓平，O型橡膠圈被壓進槽內，詳細描述參見文獻[10-12]。

圖3 水下連接器密封結構示意圖Fig. 3 Seal structures of subsea connector

2)結構變形分析與設計技術

上述密封結構形式是依靠接觸面間的相互擠壓變形實現密封的。就錐形密封和透鏡密封兩種常見的密封形式而言，其密封原理均是面密封，即在狹窄的環帶狀接觸區域上形成密封[13](如圖4所示)。一般用兩個參數衡量帶狀區域的密封效果，分別為接觸壓力和接觸寬度，這兩個參數直接反映了密封件的受力與變形特點，關乎密封是否可以實現。通過建立的密封接觸有限元計算模型，分析不同載荷工況下密封接觸寬度以及接觸壓力的變化情況，可以間接指導密封結構設計[14-18]。

3)密封泄漏量計算理論

泄漏量是衡量密封效果的直接參數。影響泄漏量的因素有很多，比如作用在接觸面上的密封力與機械載荷、流體壓力作用下的內壓力、密封墊片尺寸以及密封面加工精度與粗糙度等。通過建立的不可壓縮流體的狹縫一維層流流動模型(如圖5所示)，考慮密封圈的結構尺寸和接觸情況，可以推導出水下連接器的泄漏計算公式[19]，如式1所示。根據建立的泄漏量判斷標準，可以直接衡量密封是否有效。

式中，Q為泄漏量，m3/s；b0為密封間隙，m；p1為內壓，Pa；p2為外壓，Pa；μ為介質黏性系數，Pa·s；R0為初始密封面接觸位置的半徑，m；L為密封接觸區域寬度，m；β為接觸面傾斜角，rad。

4)密封參數與設計參數的理論關系模型

接觸寬度和接觸壓力反映了密封圈結構的受力變形特點，其不僅與密封面的接觸載荷有關，同時也與密封圈結構尺寸參數有必然的聯系。由于金屬密封是面對面的直接接觸，所以無法直接測定接觸面的壓力分布以及接觸寬度。大多數情況下，工程設計人員會采用有限元的方法計算接觸力及寬度，進而判斷結構設計是否合理，密封是否能實現，但有限元方法設計結構帶有很大的盲目性。因此，量化結構設計參數與密封參數之間的理論關系對結構設計起著至關重要的作用。如圖6所示，通過建立的金屬密封接觸的數學模型，可以推導出結構設計參數與密封寬度、最大接觸壓力、接觸載荷之間的解析計算關系式，并結合所提出的滿足密封和強度要求的設計準則，形成了一種水下連接器金屬透鏡式密封結構理論設計方法，如式2所示[20]。

圖4 錐形密封環和透鏡密封環的帶狀密封區域示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the annulus sealing region on VX gasket and lenticular gasket

圖5 兩平壁間的層流流動分析模型Fig. 5 Analysis model of one-dimensional slit laminar fl ow

圖6 接觸模型簡化示意圖Fig. 6 Simpli fi ed diagram of contact model

式中，b為接觸半寬度，m；pmax為最大接觸壓力，Pa；E?為兩接觸物體的等效彈性模量，Pa；R?為透鏡曲率半徑，m；E1為透鏡金屬密封環彈性模量，Pa；v1為泊松比，無量綱；h為密封環中徑高，m；θ為密封接觸面傾斜角，rad；HB為金屬密封環硬度，Pa；σs為金屬密封環材料屈服強度，Pa。

2.2 鎖緊關鍵技術

圍繞如何實現鎖緊以及如何達到最優鎖緊效果兩類問題，進行了鎖緊結構的防干涉設計與二次鎖緊設計，分析了預緊載荷與密封接觸載荷理論關系，提出以降低預緊力為目的的結構參數優化模型，形成以下關鍵技術：

1)卡爪防干涉設計技術

卡爪是運動部件，由張開狀態到收攏狀態極易與其他零部件接觸面發生干涉(如圖7所示)。在結構設計時需要考慮：卡爪在鎖緊前與上轂座緊密接觸，要保證卡爪的位置穩定。卡爪與驅動環在整個接觸過程均應實現平穩過渡，防止出現干涉。卡爪與卡爪之間增加限位裝置保證間隙分布均勻，防止卡爪之間出現干涉。鎖緊后卡爪與驅動環的接觸面具備自鎖功能。結構初步設計完成后，可運用Adams軟件對連接器的鎖緊過程進行虛擬仿真分析(仿真模型見圖8)，檢驗連接器能否實現鎖緊以及是否有干涉現象[21]。

圖7 干涉的卡爪Fig. 7 Claws in the interference state

圖8 卡爪運動虛擬仿真模型Fig. 8 Simulation model of claw’s motion

2)二次鎖緊設計技術

在工作狀態下，為了防止偶然的外載荷引起驅動環移動，可在驅動環上安裝緊固螺栓以限制其偶然移動，如此便可實現穩固的鎖緊，基于此種設計理念的鎖緊稱為二次鎖緊。如圖9所示，二次鎖緊過程依靠ROV轉動水平轉桿，動力通過一對嚙合的直齒圓錐齒輪傳遞到垂直轉桿，然后轉動緊固螺栓直到緊固螺栓旋進到指定位置，頂緊驅動環。解鎖時，二次鎖緊工具的垂直轉桿需要與緊固螺栓實現精確對中，配合在一起后反向旋轉將緊固螺栓旋出，方可完成解鎖任務。

3)不同零部件接觸面之間的載荷傳遞關系

水下連接器是依靠配套的安裝工具提供液壓動力將其鎖緊。鎖緊力通過水下連接器結構相互接觸面進行傳遞，最終加載到金屬密封環上，進而擠壓金屬密封環，在實現鎖緊的同時也實現了密封。通過對結構零部件進行受力分析，研究接觸面之間的載荷傳遞關系，可以建立預緊力與密封接觸載荷之間的理論關系，如式3所示[20]，用以指導液壓參數設計以及轂座卡爪結構設計。

圖9 二次鎖緊機構Fig. 9 Re-locking mechanism

式中，F為預緊力，N；Dq為驅動環外直徑，m；b為接觸半寬度，m；pmax為最大接觸壓力，Pa；α為接觸面之間的傾斜角，rad；φ為摩擦角，rad；η為機械傳遞效益比，無量綱。

4)以降低鎖緊力為目標的結構參數優化模型

調整結構參數使所提供的預緊力盡可能小但同時又能實現密封，是工程設計所追求的目標。根據所建立的力學傳遞關系模型，選取適當的結構參數作為待優化變量，加以約束條件，選取機械傳遞效益比為優化目標函數，使結構在滿足密封性要求的前提下盡可能減小鎖緊力，最終建立起的優化數學模型如式4所示[22]。

式中，α2g，α2，α3為待優化的角度設計變量，°；μ2為摩擦角，°。

2.3 定位對中關鍵技術

水下連接器公接頭隨管匯、采油樹等設施首先下放到位，緊接著母接頭隨跨接管下放，此過程需要完成兩個對接體的定位，實現初步配合。隨后，需要完成公接頭的軸心線和母接頭的軸心線對中。定位對中完成后，連接器才能順利實現鎖緊和密封。因此，結構設計采用了雙重對中方案(見圖10)，第一重為喇叭口結構的安裝工具底座與對中座配合以實現粗對中，第二重為上下轂座榫槽結構配合以實現精對中。

圖10 粗對中與精度中Fig. 10 Coarse alignment and Accurate alignment

2.4 液壓控制關鍵技術

驅動環板的運動依靠安裝工具上的3～4個液壓缸共同推動，必須保證液壓缸組能夠同步運動，否則驅動環板將會傾斜運動，與導向柱發生干涉致使無法鎖緊連接器(如圖11所示)。通過仿真軟件AMESim建立了驅動環液壓系統仿真模型(如圖12所示)，分析了分流集流閥的使用對液壓缸同步動作的影響，利用結構設計與仿真設計相結合的方法，提出增強液壓執行機構同步性能的方案和措施[23]。

3 待解決技術問題探討

從已有的研究工作來看，水下連接器的國產化研制仍需從設計方面考慮解決以下技術問題：

3.1 密封技術問題

①接觸面間微觀泄漏量是判定密封效果的最直接參數指標，雖然已對泄漏量計算公式進行了推導，但是并未進行試驗驗證。下一步的研究工作應當依據標準規范設計試驗方案，以實測值驗證理論計算，并探究泄漏量與結構設計參數的關系；

圖11 傾斜的環板導致干涉現象Fig. 11 Interference induced by the inclined ring plate

圖12 液壓系統仿真模型圖Fig. 12 Simulation model of hydraulic system

②密封的間接指標為接觸寬度和接觸壓力，雖然已得到透鏡式密封結構的設計參數與接觸壓力和接觸寬度的理論關系，但仍需實驗驗證。進一步的研究工作應當建立全尺寸實驗臺或縮比尺寸實驗臺，以實測值進行對比驗證。由于金屬密封是面對面直接接觸，所以用實驗方法直接測定接觸面的壓力分布以及接觸寬度比較困難，能否尋找到替代方法是實驗研究首先要解決的問題。此外，僅僅以加壓、保壓和測試壓力變化的形式所開展的密封試驗并不能用于驗證參數理論關系，必須對結構變形進行測量；

③錐面密封結構的設計參數與接觸寬度和接觸壓力的理論關系至今尚未獲得，可通過簡化接觸區域壓力分布形式，離散求解結構部件在假定壓力載荷下的平衡方程，探究載荷與變形的理論關系，并輔以試驗測試驗證，形成錐形密封結構的理論設計方法；

④在形成的載荷變形理論基礎上，提煉結構參數和密封參數的概率分布模型，建立密封功能函數方程，分析計算密封的可靠性；探究連接器工作狀態下載荷時程變化，建立密封參數的疲勞累積損傷分析計算模型，預測水下連接器的密封壽命；

⑤對于雙重密封，建立有限元分析模型，討論不同的結構設計尺寸組合所能達到的密封效果，探究金屬密封與非金屬密封之間耦合效應。

3.2 鎖緊技術問題

①進行預緊力與結構設計參數的理論關系研究，實現由結構設計參數直接計算得到預緊力，然后反饋到液壓系統中，設定液壓參數；

②進行系列化設計的參數選取問題研究，該問題的實質是要求水下連接器最外部的驅動環外徑尺寸不變，只改變內部的密封環、轂座、卡爪的結構尺寸以實現不同尺寸管徑的連接，針對該問題需要研究鎖緊機構關鍵參數的設計方法，為系列化設計提供理論指導。

3.3 定位對中技術問題

①進行隨機偏差參數對密封效果影響規律的研究。理想上公接頭和母接頭的軸心線在一條直線上，但實際安裝過程中難免會出現一定偏差。在安裝偏差存在時，結構的受力狀態、密封性能、鎖緊性能都會發生變化，需要研究偏差參數與密封參數或變形參數之間的關系，進行密封可靠性分析。需要研究偏差參數存在情況下結構的受力變化狀況，分析其對鎖緊特性的影響。

②進行對中控制參數模型研究。建立對中過程下放深度與偏轉角的函數關系，探討結構的最大允許安裝傾斜角以及最大允許偏差角，提出控制偏差參數的設計方案以及措施，保證順利實現對中安裝。建立轂座對接結構的對中偏離簡化模型，提出偏差參數與結構參數的控制方程，優化相關的設計參數。

3.4 液壓控制技術問題

通過鎖緊結構理論計算，獲得符合實際情況的力學參數，對液壓系統進行仿真建模，研究系統的同步性能并提出改善同步性能的措施。構建液壓控制系統閉環回路，提高執行機構的抗干擾能力以及精準控制能力。研究提高液壓元器件穩定性的方案，保證液壓缸組同步、平穩運動。

4 結束語

FMC、Cameron、Oil States、GE Vetco Grey以及Aker Solutions等國外五大公司的深水水下連接器技術成熟，產品類型呈現系列化和多樣化特點，壟斷全球市場。而國內水下連接器技術尚處于起步階段，僅有個別科研院校和企事業機構對此開展了技術研究，距離全面工業應用還任重而道遠。

隨著深水油氣田的不斷開發，水下連接器的應用前景廣闊，打破國外市場壟斷，實現水下連接器國產化具有重大意義。在國產化的研制過程中，需要解決設計、制造、測試和安裝等諸多方面的技術問題。本文著重探討了設計研究方面的關鍵技術，并對亟待解決的關鍵技術問題進行了剖析。尤其值得強調的是在進行水下連接器產品系列化設計時，需要形成理論設計方法，而非只用有限元仿真方法進行模擬計算。此外，保證國產連接器的安全可靠性和使用壽命仍是研制工作的重中之重。

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Key design technologies for developing China’s own subsea connectors

ZHANG Kang1, HONG Yi2, DUAN Menglan1, LUO Xiaolan1, HOU Guangxin2, XU Xiaolei3
1 Institute for Ocean Engineering, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China
2 China National Offshore Oil Corporation Research Institute, Beijing 100028, China
3 RG Petro-machinery Group Co., Ltd., Nanyang 473000, China

Developing Chinese subsea production facilities is one of the major strategies of the nation’s exploration and development of deep-water oil and gas. The subsea connector is the key connection equipment of subsea production systems. Based on the structural functions and application features of subsea connectors, the common technical problems are presented here. The key technologies needed to be studied for developing Chinese subsea connectors are discussed around the four aspects of sealing technology, locking technology, alignment technology and hydraulic control technology. The key sealing and locking technologies are outlined. The unsolved technical issues are summarized and suggestions for some related solutions are proposed.

subsea connectors; design; key technologies; sealing; locking

10.3969/j.issn.2096-1693.2017.01.012

(編輯 馬桂霞)

*通信作者, mlduan@cup.edu.cn

2016-09-07

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