細(xì)長(zhǎng)型井口回接連接器設(shè)計(jì)

高 攀，段夢(mèng)蘭，董 楠，潘曉東，曹 靜，何 楊

（1.復(fù)旦大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)系，上海200433；2.中國(guó)石油大學(xué)海洋油氣研究中心，北京102249；3.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；4.中海油研究總院，北京100027） ①

細(xì)長(zhǎng)型井口回接連接器設(shè)計(jì)

高 攀1，段夢(mèng)蘭2，董 楠2，潘曉東3，曹 靜4，何 楊3

（1.復(fù)旦大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)系，上海200433；2.中國(guó)石油大學(xué)海洋油氣研究中心，北京102249；3.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；4.中海油研究總院，北京100027）①

井口回接連接器是頂部張緊立管的重要組成部分，對(duì)維持垂直通道的完整性有重要作用。介紹了細(xì)長(zhǎng)型井口回接連接器的結(jié)構(gòu)、工作原理、主要技術(shù)參數(shù)和原理樣機(jī)的制造；計(jì)算了鎖緊力和關(guān)鍵部件的強(qiáng)度。設(shè)計(jì)的細(xì)長(zhǎng)型井口回接連接器用于連接頂部張緊立管和水下井口，具有尺寸小、安裝方便、操作安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種浮式平臺(tái)，尤其是SPAR平臺(tái)。

浮式開采平臺(tái)；井口連接器；結(jié)構(gòu)；技術(shù)指標(biāo)

頂部張緊立管是目前深水油氣開發(fā)中最常用的立管之一，其對(duì)平臺(tái)穩(wěn)定性要求較高，在深水中通常只能用于半潛式平臺(tái)、張力腿平臺(tái)和SPAR平臺(tái)。頂部張緊立管包括張緊器系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)單根、特殊單根（龍骨單根、錐形應(yīng)力單根等）和回接連接器等?；亟舆B接器是頂部張緊立管系統(tǒng)的重要組成部分，用于連接頂部張緊立管和水下井口，同時(shí)承受巨大的壓力、彎矩和拉伸載荷?；亟舆B接器連接在錐形應(yīng)

細(xì)長(zhǎng)型井口回接連接器結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)，可以順利地通過平臺(tái)下放，克服了傳統(tǒng)井口回接連接器的缺點(diǎn)；可以承受較大的壓力、彎矩和拉伸載荷，確保鉆采生產(chǎn)的安全。隨著我國(guó)對(duì)深水及超深水海域的鉆探開發(fā)，越來越多的頂部張緊立管和井口回接連接器會(huì)被應(yīng)用于半潛式鉆井平臺(tái)、張力腿平臺(tái)和SPAR平臺(tái)［1－2］。

1 總體方案及主體結(jié)構(gòu)

1.1 總體方案

井口回接連接器主要用于連接頂部張緊立管和水下井口，維持垂直通道的完整性。井口回接連接器上端與頂部張緊立管通過法蘭連接，通過平臺(tái)上的垂直通道下放至海底與井口連接，在工作中承受巨大的壓力、彎矩和拉伸載荷。頂部張緊立管對(duì)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能要求較高，通常只適用于張力腿平臺(tái)和SPAR平臺(tái)。受自身尺寸限制，張力腿平臺(tái)和SPAR平臺(tái)的垂直通道尺寸有限，外徑較大的回接連接器無法通過［3］。本文設(shè)計(jì)的細(xì)長(zhǎng)型井口回接連接器外徑更小，能夠很好地適用于張力腿平臺(tái)和SPAR平臺(tái)。

設(shè)計(jì)的連接器主要結(jié)構(gòu)均為圓柱筒狀結(jié)構(gòu)，如圖1。連接器最內(nèi)部是本體結(jié)構(gòu)，本體上端的法蘭盤與頂部張緊立管下端連接，內(nèi)部與立管中空部分相通。連接器最外層為外殼結(jié)構(gòu)，可以抵御海水的壓力，下端設(shè)有喇叭口，在安裝時(shí)起到一定的導(dǎo)向作用。外殼和本體之間為活塞筒，它與本體和密封環(huán)分別圍成2個(gè)液壓腔室，分別用于鎖緊和解鎖。位于活塞筒之下的是鎖緊環(huán)，它是一個(gè)C形的開口環(huán)，是連接器的關(guān)鍵部件；鎖緊環(huán)內(nèi)壁加工有凹凸的槽，與井口外壁上的凹凸槽配合。本體下部配合有支撐環(huán)和支撐腿，用于支撐整個(gè)連接器，連接器和井口之間由金屬密封環(huán)密封。

連接器上有2個(gè)液壓通道，分別用于鎖緊和解鎖，如圖1。當(dāng)液壓管1通入液壓油，液壓管2流出液壓油時(shí)，活塞筒向下運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)鎖緊環(huán)向內(nèi)收縮，卡在井口外壁上；反之，活塞筒向上運(yùn)動(dòng)，鎖緊環(huán)向外彈開，解除鎖定。除液壓解鎖外，解鎖盤還可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械式解鎖，當(dāng)解鎖盤在ROV操作下向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以通過螺栓帶動(dòng)活塞筒向上運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)行解鎖。

圖1 細(xì)長(zhǎng)型井口回接連接器結(jié)構(gòu)

1.2 主體結(jié)構(gòu)

主體結(jié)構(gòu)包括本體和外殼2部分，本體是連接器的中心部分，提供立管到井口之間的通道，外殼保護(hù)連接器內(nèi)部，抵御外部水壓。

1.2.1 本體

連接器本體（如圖2）上部有與立管連接的法蘭，中部有帶有通孔的大凸臺(tái)，下部有凹槽與支撐環(huán)配合，下端部有與金屬密封圈配合的內(nèi)錐面。為與外殼配合，本體中部大凸臺(tái)外表面加工螺紋（或加工螺紋孔，采用螺栓連接）。大凸臺(tái)上有多個(gè)通孔，供解鎖螺栓和液壓管通過。本體中部的大凸臺(tái)之下還有1個(gè)小凸臺(tái)，用于和活塞筒構(gòu)造液壓腔，小凸臺(tái)上加工有密封槽。

圖2 連接器本體

1.2.2 外殼

外殼呈薄圓筒狀，外徑比本體稍大，上部有內(nèi)螺紋與本體配合，下部有內(nèi)凸臺(tái)，下端呈喇叭口狀。外殼承受巨大靜水壓力和拉伸載荷，需采用優(yōu)質(zhì)鋼材制造。

1.3 鎖緊和解鎖機(jī)構(gòu)

鎖緊和解鎖機(jī)構(gòu)主要由活塞筒、鎖緊環(huán)和解鎖盤組成，用于實(shí)現(xiàn)連接器與井口之間的連接和斷開。

1.3.1 活塞筒

活塞筒（如圖3）呈空心筒狀，主要用于驅(qū)動(dòng)鎖緊環(huán)收縮?；钊采隙思庸び卸鄠€(gè)螺紋孔，其中2個(gè)螺紋孔內(nèi)加工有液壓通道，其余螺紋孔與解鎖螺栓連接。活塞筒內(nèi)部中上部位有1個(gè)凸臺(tái)，可與本體和密封環(huán)分別構(gòu)建2個(gè)液壓腔，凸臺(tái)內(nèi)壁加工有密封槽?；钊矁?nèi)部中下部位有1個(gè)內(nèi)錐面，當(dāng)活塞筒向下運(yùn)動(dòng)到一定位置后，此錐面能坐接于支撐腿外側(cè)，起到限位作用。活塞筒下端還有1個(gè)錐面，此錐面能夠與鎖緊環(huán)外錐面配合，驅(qū)動(dòng)鎖緊環(huán)收縮。

圖3 活塞筒

1.3.2 鎖緊環(huán)

鎖緊環(huán)（如圖4）是一個(gè)C形的開口圓環(huán)，內(nèi)壁加工有與井口外壁配合的凹凸槽，外壁分為上、下2段，中間斜面過渡，斜面與活塞筒下端內(nèi)錐面配合。當(dāng)活塞筒向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞筒下端錐面沿鎖緊環(huán)外壁錐面運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)鎖緊環(huán)向內(nèi)收縮，使鎖緊環(huán)的內(nèi)壁卡入井口的外表面，實(shí)現(xiàn)與井口連接。當(dāng)活塞筒向上移動(dòng)，鎖緊環(huán)外壁不再受到限制時(shí)，鎖緊環(huán)自動(dòng)彈開，實(shí)現(xiàn)與井口的斷開。鎖緊環(huán)必須具有良好的彈性，因此采用優(yōu)質(zhì)彈簧鋼制造［4］。

圖4 鎖緊環(huán)

1.3.3 解鎖盤

解鎖盤（如圖5）呈圓環(huán)狀，為便于裝配，由2個(gè)半圓環(huán)拼成。解鎖盤分為上、下2部分，直徑上部大、下部小，上部和下部之間形成1個(gè)臺(tái)肩，以供ROV進(jìn)行操作。解鎖盤上有多個(gè)通孔，供解鎖螺栓和液壓管通過，液壓管和解鎖螺栓的下端與活塞筒連接。當(dāng)液壓解鎖失效時(shí)，可利用ROV操作解鎖盤向上運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)活塞筒向上運(yùn)動(dòng)，斷開與井口的連接。

圖5 解鎖盤

2 初步計(jì)算與技術(shù)參數(shù)

主要包括鎖緊力計(jì)算和關(guān)鍵部件的強(qiáng)度計(jì)算。井口回接連接器既承受上部立管對(duì)它的拉力，又承受內(nèi)部壓力、海水靜載和海流的作用［5－6］。初步計(jì)算使用ABAQUS軟件，考慮外部水壓17MPa、內(nèi)部壓力34.5MPa（5 000psi）和拉伸載荷1 000kN。

在鎖緊過程中，活塞筒所受作用力的變化如圖6所示。由圖6可見，鎖緊過程最大作用力約為55 kN，由活塞筒內(nèi)液壓作用面積可換算出最大液壓壓力約為2.3MPa。正常工作時(shí)，在所有載荷的作用下，連接器的危險(xiǎn)點(diǎn)位于鎖緊環(huán)上，如圖7。因此，鎖緊環(huán)必須采用優(yōu)質(zhì)彈簧鋼制造。

圖6 連接器鎖緊過程作用力

圖7 C形鎖緊環(huán)應(yīng)力分析結(jié)果（MPa）

根據(jù)細(xì)長(zhǎng)型井口回接連接器的設(shè)計(jì)和初步計(jì)算結(jié)果，確定其主要技術(shù)參數(shù)為：

安全工作載荷 1 000kN＋2.5MN·m

工作水深 1 700m

操作壓力 5MPa

鎖緊液量 1.1L

解鎖液量 1.2L

最大外徑 825.5mm（32.5英寸）

3 樣機(jī)制造

以1∶2的比例制造的樣機(jī)如圖8。樣機(jī)能夠順利地實(shí)現(xiàn)連接器的鎖緊和解鎖。在樣機(jī)制造、試驗(yàn)過程中遇到了一些問題，但都得到解決，據(jù)此總結(jié)出了一些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。

1） 樣機(jī)的筒狀結(jié)構(gòu)、單個(gè)零部件較重以及各個(gè)零部件之間的過渡、過盈配合使得裝配過程耗時(shí)較長(zhǎng)。

2） 樣機(jī)活塞上的液壓通道是由鉆床鉆通孔，之后焊接外部的工藝加工而成，其焊接質(zhì)量極其重要。

3） 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：C形環(huán)的鎖緊效果明顯，但是在解鎖后回接連接器不能順利地從井口上移除，經(jīng)過拆卸發(fā)現(xiàn)C形環(huán)發(fā)生了輕微的塑性變形。分析表明：對(duì)C形環(huán)的材料選擇以及熱處理要求較高，若選擇不當(dāng)則不會(huì)達(dá)到預(yù)計(jì)的設(shè)計(jì)效果。

圖8 細(xì)長(zhǎng)型井口回接連接器原理樣機(jī)

4 結(jié)論

1） 設(shè)計(jì)的細(xì)長(zhǎng)型井口回接連接器結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)，采用液壓驅(qū)動(dòng)，具有備用機(jī)械解鎖裝置。

2） 該連接器具有尺寸小、安裝方便、操作安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于垂直通道空間較小的平臺(tái)。

3） 在后續(xù)工作中，應(yīng)該對(duì)該井口回接連接器的密封性能進(jìn)行深入的研究，提高其可靠性。

［1］ 趙洪山，劉新華，白立業(yè).深水海洋石油鉆井裝備發(fā)展現(xiàn)狀［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（5）：68－74.

［2］ O’Sullivan E J，Shilling R B，Conair A D，et al.Horn Mountain Spar Risers——Evaluation of Tension and Installation Requirements for Deepwater Dry Tree Risers［C］／／Houston：Offshore Technology Conference，2003.

［3］ Skeels H B，Johnson J B，Koleilat B M，et al.Development of a Novel Tieback Connector with High Mechanical Strength Capacity for Spar Floating Production Facilities and Their Production Risers［C］／／Houston：Offshore Technology Conference，1997.

［4］ 鋼鐵材料手冊(cè)總編輯委員會(huì).鋼鐵材料手冊(cè)：第8卷［K］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

［5］ 蘭洪波，張玉霖，菅志軍，等.深水鉆井隔水管的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（3）：96－98.

［6］ 張宗峰，袁姍姍，張立平.隔水管快速接頭有限元分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（6）：42－46.

Design of Slim Wellhead Tieback Connector

GAO Pan1，DUAN Meng－lan2，DONG Nan2，PAN Xiao－dong3，CAO Jing4，HE Yang3
（1.Department of Mechanics and Engineering，F(xiàn)udan University，Shanghai 200433，China；2.Offshore Oil ＆Gas Research Center，China University of Petroleum，Beijing102249，China；3.Offshore Oil Engineering Company，Ltd.，Tianjin300451，China；4.CNOOC Research Institute，Beijing100027，China）

Wellhead connector is an important part of a top tensioned riser and plays a very important role in maintaining the integrity of the vertical access.In this paper，the general design and main components of the slim wellhead connector are provided；the working principle and technical parameters of the connector are introduced；the development of prototype is presented；the primary analysis and calculation are made；and the characteristics of the connector are discussed.The slim wellhead tieback connector provided is used for connecting a top tensioned riser and a subsea wellhead.The connector provided，which has many advantages like small size，convenient installation and reliable operation and so on，can be used for TTRs on several kinds of platforms，especially the SPAR platform.

floating production platform；wellhead connector；structure；technical index

1001－3482（2011）12－0029－04

TE952

A

2011－06－14

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助（2008AA09A105－01）

高 攀（1989－），男，河南南陽人，博士研究生，主要從事海洋石油裝備力學(xué)方面的研究，E－mail：gaopan1989＠yahoo.cn。力單根下部（或制作為一個(gè)整體），由平臺(tái)上的垂直通道下放至井口。由于平臺(tái)整體尺寸限制，張力腿平臺(tái)和SPAR平臺(tái)的垂直通道尺寸較小。傳統(tǒng)的井口回接連接器尺寸較大，難以適用于大尺寸的井口和立管。