海底管道水下連接器技術綜述

王邦文 劉岱衛

（1.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032；2.浙江海洋大學 石油化工與環境學院，舟山 316022）

油氣能源是重要的戰略資源，直接關系國家安全和民生穩定，影響著社會經濟的穩定發展。同時，石油與天然氣是不可再生能源，隨著地球上陸地和淺海資源的逐漸匱乏，世界各國逐步開始開發深海油氣資源[1]。作為海洋石油和天然氣開采、生產和運輸的重要組成部分，海底管道需常年在復雜的水下環境持續工作，導致海底管道破損和泄漏事故不斷發生，因此迫切需要一種方法用于管道連接以及對破損的管道進行可靠的快速應急修復。

目前，水下連接器是國際上油氣管道快速連接和修復的主要方法，但是其核心技術主要掌握在Aker Solutions（Aker）、FMC Technologies（FMC）、Freudenberg Oil &Gas Technologies（FOGT）等幾家老牌石油裝備公司中。這些企業經過數十年的發展和技術積累，水下連接器的生產制造穩定可靠，質量有所保證，并在研發設計、現場安裝、設備運行、后期維護等方面積累了豐富的實戰經驗[2]。國內水下連接器的研究起步較晚，雖然各大高校、設備研究院等科研單位現已開展深海水下連接器的相關研究工作和裝置研發，但是相比于國外，經驗仍有所欠缺。

1 水下連接器工作環境

水下管道連接器主要用于深海油氣管道的連接和快速修復，其工作地點主要位于油氣井處及深海海底，所處環境非常惡劣[3-4]。我國深海油氣田普遍存在高溫高壓的問題，高溫氣井底部溫度通常大于150 ℃，井口溫度也在100 ℃左右，而深海海底環境溫度則接近0 ℃，導致水下管道連接器的工作環境內外溫差極大[5]。此外，水下連接器外部還需要承受極高的海底水壓，管道內部則要承受油氣引起的超高內壓。同時，由于常年受到海底洋流的沖刷、海底碎石的碰撞等，管道也需要承受一定的持續載荷和偶然載荷[6-7]。因此，水下連接器不僅要有優異的密封性、便利性，還要有極高的環境適應性和抗載能力。為應對復雜惡劣的工作環境，研究人員開發了多種類型的水下連接器，以保證海底管道的穩定運行。

2 水下連接器發展現狀

水下連接器主要構件為金屬密封圈和法蘭緊固結構，通常利用法蘭和管道的相互擠壓接觸，并通過金屬密封圈的有效密封來保證管道連接的準確性和安全性[8-9]。水下連接器的密封性能和結構抗載能力直接決定著水下管道是否可以安全穩定運行及其服役年限。目前，主流的管道水下連接器可按結構形式分為法蘭式水下連接器、卡箍式水下連接器、卡壓式水下連接器和卡爪式水下連接器[10-11]。

2.1 法蘭式水下連接器

法蘭連接是地上管道應用最早、最成熟、最廣泛且最為有效便捷的連接方式，它通過對螺栓螺母進行緊固使管道緊密連接[12-14]。隨著海底油氣田的開采，法蘭連接方式被應用于水下連接器。

利用該原理開發的法蘭式水下連接器的應用存在諸多難以克服的問題。第一，在深海管道連接中，螺栓連接方式存在定位、緊固的問題，同時還需要考慮螺母的裝配、拆除等配件問題[15]。第二，法蘭式水下連接器承力結構是用于連接兩片法蘭的螺栓，當管道所受承載力過大時，易造成螺栓斷裂，導致管道連接失效，進而使管道內的油氣泄漏[16]。第三，深海安裝難度大。人類的工作環境最深不超過500 m，超過500 m 水深的深海環境需要完全通過水下機器人進行觀察并完成部分簡單工作[17-18]。對于深海油氣開采，潛水員無法深潛對管道進行輔助安裝，而機器人靈活度不高、精度低、操作難度大，在深海環境中僅通過機器人完成數量龐大且復雜的管網連接不僅效率低下，而且極其困難。因此，法蘭式水下連接器主要在淺海環境的管道連接中運用，極少應用于深海環境中[19]。

2.2 卡箍式水下連接器

隨著油氣開發逐步向海洋發展，卡箍式水下連接器研發成功，憑借其先進的技術和便捷的安裝方式，被廣泛用于水下管道連接[20]。卡箍式水下連接器具有尺寸小、結構輕便、密封性能可靠、可快速連接、對準精度高和價格低等特點，是目前較為典型的水下管道快速連接裝置之一。相較于法蘭式水下連接器，它減少了螺栓的使用，降低了安裝要求。該連接器主要受力部分為套節結構，這種結構形式是利用卡箍完全包裹管道，使金屬密封環均勻受力，增大了受力面積，降低了水下連接器因局部受力過大而遭到損壞的風險。同時，卡箍式水下連接器構件組成少，減少了配件的儲存和運輸難度，被廣泛應用于深海無潛連接。

卡箍式水下連接器一般由上下管接頭法蘭和帶緊固結構的卡箍構成，僅需少量螺栓即可完成安裝和緊固。卡箍式水下連接器安裝時需要在每根管道末端設置接頭法蘭，其上可放置弧形卡箍，并可通過螺栓緊固連接。早期的卡箍式水下連接器以陸上卡箍結構設計為模板開發，FMC 公司于20 世紀80 年代設計的卡箍式水下連接器如圖1 所示[21]。其由兩瓣卡箍構成，卡箍兩端對稱安裝，各采用1 套螺栓進行緊固。相較于法蘭式水下連接器，這種結構設計減少了螺栓的使用數量，降低了卡箍安裝對準精度的要求，更便于深海管道的無潛安裝。雖然早期的卡箍式水下連接器結構相對笨重，但不可否認的是，它極具代表性和時代性，讓各界研究人員看到卡箍式水下連接器的優勢。

隨著卡箍式水下連接器不斷優化更新，其形式不再局限于兩瓣式。挪威Aker 公司和美國Vector 公司相繼開發了三瓣式卡箍水下連接器，使卡箍結構形成一個整體，螺栓數量縮減至1 個。對于操作不便的深海環境，這種結構優化升級在提高卡箍式水下連接器便利性的同時，也降低了裝置的安裝難度。從三瓣式卡箍水下連接器投入使用至今，此類連接器安裝簡便，受力更為均勻，在深海管道無潛安裝中具有獨特的優勢。

2.3 卡壓式水下連接器

近年來，卡壓式管道水下連接技術發展非常迅速，相關產品逐步趨于成熟。卡壓式水下連接器主要由連接器和連接機具組成，可用于淺海區域內的油氣管道快速連接和損壞管道快速修復。該類型連接器采用卡壓連接，利用連接機具將連接器在管道泄漏點或管道交接處進行加壓緊固。由于連接器接頭材料的特殊性，其塑性變形后可密封管道與連接器之間的空隙，進而完成管道安裝或損壞管道的物理修補。這種連接方式簡單，無須對管道進行特殊處理即可快速有效地連接油氣管道，并能夠對管道損壞位置進行應急處理。目前，我國哈爾濱工程大學水下智能機械研究所對此連接方式的研究較為深入，并開發了平臺管道卡壓式水下連接器[22]。

2.4 卡爪式水下連接器

卡爪式水下連接器已完全放棄使用螺栓進行連接，而是采用專用的非標準法蘭結構。這是一種安裝簡便的管道快速連接方式，通過特殊的機械結構實現無螺栓安裝連接[23]。卡爪式水下連接器如圖2 所示，其非標準法蘭通過結構優化分為公頭和母頭兩種相互對應的裝置形式，母頭在法蘭環向對稱設計了卡爪結構，公頭則在結構上設計了易于勾爪緊固的凹槽結構[24]。在實際應用過程中，卡爪式水下連接器的公頭和母頭一般分別安裝在管道末端。當連接器相互連接后，母頭的卡爪結構有效緊密抓合公頭的凹槽結構，隨后驅動環將卡爪鎖緊，卡爪式水下連接器的上、下轂座密封緊固并完成管道連接。

圖2 卡爪式水下連接器

卡爪式水下連接器在結構形式上徹底放棄了螺栓連接，公母頭結構相互對應，具有自對準功能。因此，卡爪式水下連接器通常需要提前安裝于管道末端，在水下安裝時只需要保證管道中心對正即可實現管道的快速連接[25-26]。但是，卡爪式水下連接器的卡爪、驅動環、密封圈等關鍵零部件設計復雜、加工難度大，加之管道水下安裝的密封要求嚴苛，目前暫無公開可參考的規范和標準。卡爪式水下連接器的關鍵技術主要掌握于國外大型石油裝備公司，國內科研人員若能突破該類型水下連接器的加工工藝、零件的精密參數確定等技術壁壘，實現工廠化生產，則可有效降低我國深水管道安裝的工程成本，有望成為我國深水管道機械密封連接的主要發展方向。目前，海上油氣開采平臺將這種結構形式運用在水下采油樹與井口或井口與防噴器之間的井口連接器中，并獲得了優異的應用效果[27-29]。

根據連接器鎖定方式的不同，卡爪式水下連接器又可分為整體式和非整體式。整體式卡爪連接器又稱液壓式卡爪連接器，其將鎖緊裝置與連接器構成完整系統。整體式卡爪連接器可實現自鎖緊功能，液壓系統提供密封所需的自鎖力，從而限制卡爪與驅動環發生位移，防止管道連接失效。該種連接器結構簡單，安裝時間短，但由于整套裝置為一體式，在管道連接完成后被留在海底，導致建設成本及維護成本相對較高[30]。非整體式卡爪連接器又稱機械式卡爪連接器，需要配備獨立的鎖緊工具。該類連接器鎖緊密封完全依靠自身結構的機械特性，其連接依托配套工具實現。完成鎖緊后，工具可回收利用。相較于整體式卡爪連接器，非整體式卡爪連接器結構雖然更為復雜，安裝時間稍長，但投入成本和維修成本相對較低，已成為深海管道連接器的主要發展趨勢[31]。

2.5 水下連接器類型對比

上述4 類水下連接器均有其適用范圍，在不同的水下環境中應用各有優缺點。法蘭式水下連接器必須通過緊固螺栓來施加預緊力，從而達到連接的目的，因此密封和抗載能力更強。但是，由于安裝煩瑣且存在難以解決的深海安裝問題，其僅適用于淺水環境。卡箍式和卡爪式水下連接器是目前實際工程中應用較好的兩種連接器類型。卡爪式水下連接器具有無螺栓結構、較好的自對準功能、安裝難度低等優勢，已成為目前應用最廣泛的水下管道連接器。相較于卡爪式水下連接器，卡箍式水下連接器體積更小，對中更準確，在淺水應用時具有更好的防漁網拖掛性能，且密封和抗載性能較好。卡壓式連接器利用連接器接頭的塑性變形密封管道，導致其密封和抗載能力較弱，僅可在水深50 m 以內的淺水應用。但其可以運用于各種管道，連接方法簡單，適應性強，可作為管道損壞和泄漏的快速應急修復措施[32]。

3 結語

水下連接器是深水油氣生產系統的重要部件，它能夠極大地減少管道連接時間，實現快速可靠的安裝作業，促進海上油氣田的生產和穩定運營。目前，研究人員開發出的各類連接器，根據其結構和性能的差異，可適用于不同工況下的海底管道連接和快速修復，已經在工程中廣泛應用。國內外水下連接器的核心技術主要是在相應工況條件下保證其優異的密封性，因此開發適用性更廣、密封性能更強、連接更穩定的水下連接器仍然是保障海底管道安全運行的重要研究方向。首先，開發新型水下連接器結構形式，優化結構設計參數，保證設備密封性能，擴大連接器使用范圍，并提升其綜合性能。其次，研究開發新型水下連接器密封材料和密封技術，保證連接器的密封性能和抗載能力。最后，隨著計算機模擬技術的不斷發展，通過模擬不同工況下水下連接器的工作狀態，優化其結構形式和參數，是水下連接器發展的一個重要方向。