鋼懸鏈立管用柔性接頭性能測試研究

李華軍，杜衛鋒，高光軍，吳 澤，呂永超，李云帥，王 磊，朱少林

（西安向陽航天材料股份有限公司，西安 710025）

0 前 言

隨著海洋油氣開采逐漸向深海延伸，海上浮式油氣生產平臺應用越來越廣泛[1]。而浮式結構在風、浪、流等作用下，往往會產生較大的運動響應[2]。立管系統作為連接海面浮式平臺和海底設備的通道，是輸送各種介質的重要環節[3]。鋼懸鏈立管（SCR）作為一種新型的海上石油開采裝置，由于其具有成本低、適用于高溫高壓環境等特點，目前得到廣泛應用[4]。鋼懸鏈立管一端連接井口，另一端連接浮式結構，集海底管線與立管于一身[5]。立管頂部的疲勞設計是立管設計的關鍵問題之一，而柔性節點連接方案是解決這一問題的成熟技術[6]。鋼懸鏈立管柔性接頭廣泛應用在深水立管系統中，在連接立管和上部浮體的同時還可以增強連接部位的強度，抵抗浮體運動[7]。柔性接頭是連接鋼懸鏈立管系統與浮式平臺的關鍵部件[8]，它能夠顯著降低浮式平臺與鋼懸鏈立管之間的運動動力，可適應不同的連接方式。

隨著我國深海開發戰略的實施，深水鋼懸鏈立管系統在深海油氣田開發中得到了越來越多的應用，如“陵水17-2”項目、“荔灣3-1”項目等[9]。由于柔性接頭的設計理論及制造工藝等技術門檻較高，且涉及技術壟斷[10]，我國一直被迫依賴高價進口，屬于“卡脖子”高端深海裝備的典型代表。基于我國海洋深水資源開發的迫切需求，西安向陽航天材料股份有限公司（以下簡稱西安向陽航材公司）依托航天軍工技術，將固體火箭發動機的柔性噴管軍用技術進行了民用轉化[11]，成功研制開發了鋼懸鏈立管柔性接頭產品。

由于鋼懸鏈立管柔性接頭特殊的海洋使用環境，柔性接頭一旦失效，其更換成本非常高，同時會對環境造成極大的污染，因此出廠前對鋼懸鏈立管柔性接頭性能的檢測至關重要。本研究借鑒固體火箭發動機柔性噴管擺動實驗原理，根據鋼懸鏈立管柔性接頭工作狀態，提出了鋼懸鏈立管柔性接頭工廠驗收試驗方法，解決了柔性接頭出廠前驗收測試問題。

1 柔性接頭結構和設計參數

1.1 柔性接頭結構

鋼懸鏈立管用柔性接頭結構如圖1 所示，主要包括連接法蘭、主體、彈性體、延伸管等組件。連接法蘭用于連接海洋采油氣平臺；主體為承壓部件，用于懸掛固定柔性接頭；彈性體是柔性轉動部件，能夠實現柔性轉動；延伸管用于連接海底采油氣立管。柔性接頭的核心部件為彈性體，彈性體由n層高強度金屬增強鋼板和（n+1）層橡膠層組成；高強度金屬增強鋼板為薄壁雙球面環狀，n層高強度金屬增強鋼板通過等壁厚的橡膠層粘接而成，且回轉中心為同一球心；柔性接頭依靠（n+1）層橡膠層的超強彈性和延展性，使立管圍繞回轉球心實現空間柔性擺動。

圖1 鋼懸鏈立管用柔性接頭結構示意圖

1.2 柔性接頭的設計參數

由于每個海洋浮式平臺所在的海洋環境工況不一樣，因此鋼懸鏈立管系統用柔性接頭需要根據具體的海洋工況載荷進行設計。柔性接頭設計可以參考的標準有API RP 2RD[12]、API RP 2A-WSD[13]，DNV-RP-F206[14]和API 17D[15]等。根據“陵水17-2”項目的工程設計要求，制造了Φ304.8 mm 深水鋼懸鏈立管用柔性接頭產品，柔性接頭的設計參數見表1。

表1 Φ304.8 mm鋼懸鏈立管柔性接頭的設計參數

2 驗收測試及要求

依據西安向陽航材公司的柔性接頭驗收規范（FAT），對該柔性接頭產品進行工廠驗收測試，柔性接頭的工廠驗收測試項目和要求如下。

2.1 最大轉動角度測試

測試柔性接頭延伸件的擺動角度，要求延伸件的旋轉角度≥ 25°，達到目標旋轉角度后，目測彈性體是否完好。

2.2 電氣連續性測試

該測試的目的是通過接地帶測量延伸件和連接法蘭之間的電氣連續性。檢查應在安裝好連接法蘭和柔性接頭，并與測試設備電氣隔離后進行。測量柔性接頭延伸件和連接法蘭之間的電阻，電氣連續性使用毫歐表進行測試，電阻值≤ 10 mΩ。

2.3 低壓氮氣完整性測試

對柔性接頭進行氣體壓力測試，以檢測是否泄漏并確保結構的完整性。低氣壓測試壓力值為0.20～0.27 MPa，測試介質為氮氣，保壓30 min，目視監測，并采用皂液檢查所有接頭，以確認測試期間沒有外部氣體泄漏。

2.4 背部密封壓力測試

該測試的目的是測試密封圈的密封效果，壓力測試壓力值為（1.4±0.07）MPa，測試介質為氮氣，保壓30 min，在保壓期間，壓力應保持在測試壓力的5%以內。如果壓力不符合要求，應立即檢查并及時處理。

2.5 靜水壓完整性測試

靜水壓完整性測試壓力值為（16±0.83）MPa，保壓30 min，當壓力變化率不超過每小時測試壓力的5%時，視為穩定壓力，壓力穩定后，API 6A[16]要求壓力變化保持在測試壓力的5%以內。

2.6 帶壓轉動剛度測試

柔性接頭在壓力（20.5±0.83）MPa 的條件下進行轉動剛度測試，測試的基準角度包括0°、1°、2°、3°四個角度。柔性接頭的強度和疲勞與轉動剛度曲線如圖2 所示，測試結果應位于柔性接頭強度曲線和疲勞曲線之間。應注意，單一的離散值并不能夠判定該接頭不符合要求。

圖2 柔性接頭的強度和疲勞與轉動剛度曲線

2.7 最大靜水壓力測試

最大靜水壓測試壓力值為（57±2.8）MPa，無軸線載荷，介質為水，保壓480 min，當壓力變化率不超過每小時測試壓力的5%時，應視為穩定壓力。壓力穩定后，API 6A 要求壓力變化保持在測試壓力的5%以內或±3.45 MPa以內，以較低者為準。

3 測試過程和結果

3.1 最大轉動角度測試

將柔性接頭夾持在試驗臺上，用兩個工程油缸接力推動延伸件擺動極限轉動角度。期間實時測量轉動的角度（精度±0.1°），形成時間-角度曲線。轉動角度測試曲線如圖3所示。

圖3 轉動角度測試曲線

測試結果表明，延伸件的最大轉動角度為25.6°，在測試過程未發現泄漏等異常情況，且目測彈性體完好，滿足驗收標準要求。

3.2 電氣連續性測試

將延伸件與測試試驗設備電隔離，在連接法蘭的螺栓處接導線，導線的另一端連接直流低電阻計的黑線夾，直流低電阻計的紅線夾接觸延伸件的下端。測試結果表明，直流低電阻計有電阻顯示，連接法蘭與延伸件之間為電導通狀態，且直流低電阻計顯示的電阻值為0.137 mΩ，滿足驗收標準要求。

3.3 低壓氮氣完整性測試

試驗選擇量程為1.6 MPa 的壓力表和量程為3 MPa 的壓力變送器，連接打壓設備與測試柔性接頭，使用氮氣作為測試氣體。向柔性接頭內通入0.27 MPa 的氮氣，壓力調整減低至0.23 MPa 開始保壓，保壓30 min，保壓期間用皂液檢查所有接頭，保壓結束的壓力值為0.23 MPa，記錄壓力-時間曲線。低壓氮氣測試曲線如圖4 所示。

圖4 低壓氮氣測試曲線

結果表明，壓力保持期間，目視監測所有接頭，未發現漏氣冒泡現象，保壓期間壓力值一直保持為0.23 MPa，沒有壓力降低，可以確認在測試期間沒有外部氣體泄漏，滿足驗收標準要求。

3.4 背部密封壓力測試

選擇量程為2.5 MPa的壓力表和量程為3 MPa的壓力變送器，連接打壓設備與測試柔性接頭，使用氮氣作為測試氣體，打壓至1.47 MPa開始保壓，保持30 min，保壓結束的壓力值為1.42 MPa，測試中記錄壓力-時間曲線。背部密封壓力測試曲線如圖5所示。

圖5 背部密封壓力測試曲線

測試結果表明，壓力保持期間，壓力值降低為3.4%的測試壓力，滿足驗收標準要求。

3.5 靜水壓完整性測試

選擇量程為25 MPa的壓力表和量程為80 MPa的壓力變送器，連接打壓設備與測試柔性接頭，打壓至16.83 MPa 開始保壓，保壓50 min，保壓結束的壓力值為16.5 MPa，測試中記錄壓力-時間曲線。靜水壓完整性測試曲線如圖6所示。

圖6 靜水壓完整性測試曲線

測試結果表明，在壓力保持期間，壓力值降低為2%的測試壓力，滿足驗收標準要求。

3.6 帶壓轉動剛度測試

連接打壓設備與測試柔性接頭，打壓至20.5 MPa 開始保壓，保壓期間進行轉動剛度測試，將延伸件分別推動0°、1°、2°、3°四個角度，在這四個角度基礎上再來回分別擺動±0.5°、±0.75°、±1°三個角度，每個角度擺動5次，取最后一次數據。轉動剛度測試結果見表2，測試結果表明柔性的轉動剛度符合設計要求。不同測試角度轉動剛度曲線如圖7 所示。其中，±0.75°時力矩與角度曲線如圖8所示。

圖8 ±0.75°時的力矩與角度曲線

3.7 最大靜水壓力測試

選擇量程100 MPa 的壓力表和量程80 MPa的壓力變送器，連接打壓設備與測試柔性接頭，設置壓力值58.5 MPa，打壓至58.5 MPa，保壓670 min，保壓結束的壓力值為57.87 MPa，測試中記錄壓力-時間曲線，如圖9 所示。在壓力下對柔性接頭進行了檢查，查看是否有滲漏和結構損壞的跡象。

圖9 最大靜水壓力測試曲線

壓力與軸線位移曲線如圖10 所示。從圖10可知，隨著柔性接頭內部壓力的升高，柔性接頭的軸線位移隨之增加，但增加趨勢減緩。在壓力保持期間，未發現泄漏或損壞的跡象，滿足驗收標準要求。

圖10 壓力與軸線位移曲線

4 結 論

（1）針對“陵水17-2”項目的工程設計要求[17-18]，設計制造出Φ304.8 mm 深水鋼懸鏈立管柔性接頭產品，實現了柔性接頭產品的國產化。

（2）通過Φ304.8 mm深水鋼懸鏈立管柔性接頭最大轉動角度、電氣連續性、低壓氮氣完整性、背部密封壓力、靜水壓完整性、帶壓轉動剛度及最大靜水壓力等各項指標驗收測試，結果完全符合設計要求，滿足柔性接頭結構的完整性、功能性和規范要求。

（3）借鑒固體火箭發動機柔性噴管擺動實驗原理，根據鋼懸鏈立管柔性接頭工作狀態，成功開發了鋼懸鏈立管柔性接頭工廠驗收測試方法，解決了柔性接頭工廠驗收測試問題。同時建立了深水鋼懸鏈立管柔性接頭產品的制造和測試驗收體系，解決了我國自主設計建造海洋平臺的“卡脖子”難題，對我國海洋資源的自主開發起到關鍵作用。