深水水下連接器制造國(guó)產(chǎn)化展望

尤學(xué)剛，杜夏英，孔令海

（中海石油（中國(guó)）有限公司，北京 100010）

深水水下連接器制造國(guó)產(chǎn)化展望

尤學(xué)剛，杜夏英，孔令海

（中海石油（中國(guó)）有限公司，北京 100010）

簡(jiǎn)要闡述了深水水下連接器的工作原理和組成部分，重點(diǎn)從制造、測(cè)試方面的技術(shù)工藝難點(diǎn)方面進(jìn)行了研究探討，從而對(duì)深水水下連接器制造國(guó)產(chǎn)化可行性進(jìn)行了展望。

深水水下連接器；制造測(cè)試；國(guó)產(chǎn)化

0 引言

水下生產(chǎn)系統(tǒng)已成為深水油氣開(kāi)發(fā)中的一種主流模式，深水水下連接是構(gòu)建完整的水下生產(chǎn)系統(tǒng)不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)。在各種水下生產(chǎn)設(shè)施安裝到海底之后，只有借助于水下連接技術(shù)和裝備，才能將水下井口、水下采油樹、水下管匯、水下油氣處理設(shè)施以及海底管線終端等水下生產(chǎn)設(shè)施連接起來(lái)，形成一套完整的水下生產(chǎn)系統(tǒng)。因此，深水水下連接器（以下簡(jiǎn)稱水下連接器）是深水油氣資源開(kāi)發(fā)中的一項(xiàng)核心關(guān)鍵裝備[1]。

近年來(lái)，隨著全球深水油氣開(kāi)發(fā)持續(xù)大幅增長(zhǎng)，水下連接器的應(yīng)用愈趨廣泛。根據(jù)Subsea Engineering Inc等國(guó)外權(quán)威機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，全球每年新增水下生產(chǎn)系統(tǒng)約450套。以一套含6口叢式井的水下生產(chǎn)系統(tǒng)為例，僅采油樹與管匯之間的連接就需要多達(dá)12套水下連接器。除此之外，采油樹與井口之間、管匯與海底管線終端之間都需要連接器。因此，全球每年新增水下連接器需求數(shù)量巨大，市場(chǎng)容量高達(dá)數(shù)十億人民幣。

中國(guó)的南海海域是世界四大油氣富集地之一，南海深水油氣資源的開(kāi)發(fā)將是中國(guó)海洋石油工業(yè)未來(lái)發(fā)展的焦點(diǎn)和重點(diǎn)。目前中國(guó)南海已有近100套水下連接器，未來(lái)的兩年內(nèi)可預(yù)見(jiàn)的國(guó)內(nèi)承攬項(xiàng)目中，還將有約120套水下連接器投入使用?？梢?jiàn)，水下連接器的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求量同樣很大。

本文將以水下連接器作為切入點(diǎn)，展開(kāi)討論水下連接器國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)之可行性。

1 水下連接器介紹

水下連接器主要有三種形式：卡爪式連接器、卡箍式連接器、螺栓法蘭式連接器，這三種連接器各有優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合選擇不同的連接形式，詳細(xì)介紹如下。

1.1 卡爪式連接器

卡爪式連接器是應(yīng)用最廣泛的水下連接器，尤其是立式連接和超深水連接，如圖1所示?？ㄗκ竭B接器的工作原理是采用特殊設(shè)計(jì)制造的卡爪，周向均勻的抓合在對(duì)正的管端法蘭上，實(shí)現(xiàn)管道之間的緊密連接。分為水平卡爪式和垂直卡爪式兩種結(jié)構(gòu)?？ㄗκ竭B接器具備以下優(yōu)點(diǎn)：連接可靠、連接速度快；ROV操作友好，可用的ROV工具多；對(duì)中誤差容忍度高。

國(guó)際上多家廠商如FMC、Cameron、Aker Solutions、Vetcogray以及Oil States等均可提供相關(guān)產(chǎn)品，壓力等級(jí)可達(dá) 15000psi，連接管徑 4″-64″，實(shí)際應(yīng)用水深已超過(guò)2000m。他們的產(chǎn)品有著幾十年的技術(shù)積累，安全性和穩(wěn)定性能夠得到保證，而且在整個(gè)安裝、運(yùn)行、維護(hù)過(guò)程中有著豐富的經(jīng)驗(yàn)。

圖1 卡爪式連接器

1.2 卡箍式連接器

如圖 2所示的卡箍式連接器在水下連接中也得到了較多的應(yīng)用?？ü渴竭B接器的工作原理是利用活動(dòng)的卡箍，周向夾緊在兩個(gè)法蘭端，實(shí)現(xiàn)管道的緊固與密封。

卡箍式連接器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、連接可靠，適應(yīng)管徑范圍廣（2″-48″），既可用于單管連接也可用于多管束的連接，因此既可用于海底管道的連接，也可用于海底電纜的連接。另外，卡箍式連接既可用于水平管道的連接也可用于垂直管道的連接。

目前，卡箍式連接系統(tǒng)主要有FMC、Aker Solutions等公司的產(chǎn)品，最大應(yīng)用水深已達(dá)1500m，最大壓力等級(jí)達(dá)到15000psi。

圖2 卡箍式連接器

1.3 螺栓法蘭式連接器

圖3所示的螺栓法蘭式連接主要應(yīng)用于淺水管道之間的連接，在潛水員的協(xié)助下完成安裝，法蘭之間的連接通常采用螺栓連接的方式，但在深水中通過(guò)螺栓螺母連接的方式進(jìn)行管道間的連接，就要涉及到很多問(wèn)題，比如如何定位、如何實(shí)現(xiàn)擰緊、如何預(yù)緊、以及螺母的安裝、拆卸、存放等諸多因素，使得結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，對(duì)于人不能直接連接的環(huán)境惡劣的深海，實(shí)現(xiàn)起來(lái)就更顯困難，尤其它不能保證快速的維修要求，因此法蘭式水下連接器在深水環(huán)境下應(yīng)用并不多。

國(guó)外的螺栓法蘭式連接器，主要有Sonsub公司開(kāi)發(fā)的Brutus系統(tǒng)、Acergy公司研制的Matis系統(tǒng)，能夠在無(wú)潛水員的條件下實(shí)現(xiàn)深水管道對(duì)接，設(shè)計(jì)的最大工作水深為3000m，最大連接管徑為24″。

圖3 螺栓法蘭式連接器

2 制造、測(cè)試工藝研究探討

卡爪式連接器是深水應(yīng)用最廣泛的連接器，也是各大公司研究最為深入的連接器，下文主要以卡爪式連接器為主體，對(duì)制造、測(cè)試的諸多技術(shù)難點(diǎn)展開(kāi)研究探討。

2.1 技術(shù)難點(diǎn)之一：關(guān)鍵部件制造工藝

針對(duì)卡爪式連接系統(tǒng)，研究卡爪、驅(qū)動(dòng)環(huán)、上下接頭（hub）、密封元件等水下連接器關(guān)鍵零部件的加工制造工藝，要選擇配套機(jī)械加工裝備，并研制卡爪式連接系統(tǒng)關(guān)鍵零部件制造專用工裝夾具。制造工藝主要針對(duì)以下開(kāi)展研究：1）結(jié)構(gòu)件焊接變形控制技術(shù)研究；2）法蘭耐蝕合金堆焊技術(shù)研究；3）防腐工藝研究；4）關(guān)鍵部件機(jī)加工精度控制技術(shù)研究；5）關(guān)鍵部件機(jī)加工裝備選配研究；6）關(guān)鍵部件機(jī)加工工裝研制

2.2 技術(shù)難點(diǎn)之二：總裝技術(shù)研究

卡爪式連接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配精度要求高，需要研究卡爪式連接系統(tǒng)的裝配技術(shù)、研制卡爪式連接系統(tǒng)裝配專用工裝夾具?？傃b技術(shù)主要針對(duì)以下開(kāi)展研究：1）裝配工藝研究；2）裝配工裝研制；3）裝配精度控制技術(shù)研究

2.3 技術(shù)難點(diǎn)之三：測(cè)試技術(shù)及裝備研究

根據(jù)國(guó)際API 6A、API 17D等標(biāo)準(zhǔn)中的強(qiáng)制規(guī)定，必須對(duì)產(chǎn)品樣機(jī)進(jìn)行一系列嚴(yán)格的性能鑒定試驗(yàn)，以檢驗(yàn)其性能。測(cè)試技術(shù)主要針對(duì)以下開(kāi)展研究：

1）立式卡爪式連接系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目包括：壓力試驗(yàn)/溫度試驗(yàn)/壓力溫度循環(huán)試驗(yàn)、外載荷試驗(yàn)、裝配和拆卸試驗(yàn)、操作試驗(yàn)、電連續(xù)性試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、高壓艙試驗(yàn)等。

2）立式卡爪式連接系統(tǒng)產(chǎn)品 FAT（出廠測(cè)試）測(cè)試技術(shù)研究。

根據(jù)API、ISO 等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對(duì)水下生產(chǎn)設(shè)施的測(cè)試要求，研究卡爪式連接系統(tǒng)產(chǎn)品 FAT的測(cè)試內(nèi)容、測(cè)試方法、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)以及所需的測(cè)試裝備。深水 FAT測(cè)試主要包括：壓力測(cè)試（液壓系統(tǒng)壓力測(cè)試、靜水壓測(cè)試及氣壓測(cè)試）、溫度測(cè)試、密封測(cè)試、功能性測(cè)試以及陰極保護(hù)電位測(cè)試等。

3）立式卡爪式連接系統(tǒng) SIT（系統(tǒng)集成測(cè)試）測(cè)試技術(shù)研究。

卡爪式連接系統(tǒng)SIT測(cè)試，主要是配合跨接管、清管回路、管匯等水下生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試和集成測(cè)試，包括跨接管或清管回路與管匯之間的連接和拆除，跨接管、清管回路、管匯的壓力試驗(yàn)等[2,3]。

3 結(jié)論

如要達(dá)到水下連接器的國(guó)產(chǎn)化制造程度，除了要掌握精密機(jī)加工、特殊材料焊接技術(shù)、測(cè)試技術(shù)等，還要配套相關(guān)制造設(shè)備、測(cè)試設(shè)備，配套資金數(shù)目比較龐大。由此不難看出，水下連接器是屬于高投入、高產(chǎn)值的行業(yè)。

當(dāng)前，國(guó)外FMC、Cameron、Aker Solutions、Vetcogray等幾家大型石油設(shè)備公司憑借雄厚的技術(shù)實(shí)力占據(jù)了全球90%以上的市場(chǎng)份額。國(guó)內(nèi)正有一些公司正在緊鑼密鼓地開(kāi)展研發(fā)，努力在未來(lái)?yè)屨际袌?chǎng)份額。

面對(duì)著國(guó)外公司的技術(shù)壟斷和技術(shù)封鎖，許多技術(shù)對(duì)于我們而言都是全新的挑戰(zhàn)，但是隨著研究的繼續(xù)深化，技術(shù)難點(diǎn)將會(huì)被逐一突破，國(guó)產(chǎn)水下連接器將在國(guó)際市場(chǎng)上暫露頭角。

[1] 周燦豐, 焦向東, 曹靜, 等. 水下跨接管連接器選型設(shè)計(jì)研究[J]. 石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào), 2011, 24(3):75-78.

[2] 國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)課題實(shí)施方案[R].天津: 海洋石油工程股份有限公司, 2012.

[3] 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, 41(4): 6-12.

Prospect of Domestic Manufacturing of Deep Underwater Connector

YOU Xue-gang, DU Xa-ying, KONG Ling-hai
(CNOOC (China) Co., Ltd, Beijing 100010, China)

This paper briefly describes the working principle of subsea connectors and components. The key technical difficulties are discussed from the aspects of manufacturing and testing. The feasibility of domestic manufacturing of deep underwater connector manufacturing are then discussed.

deep underwater connector; manufacturing testing; domestic manufacturing

TE

A

尤學(xué)剛（1966-）男，高級(jí)工程師。主要從事海洋石油工程建設(shè)工作。