水下連接器故障分析及預(yù)防

史建東，弓大為

水下連接器故障分析及預(yù)防

史建東1，弓大為2

（1.中國石油化工集團(tuán)公司上海海洋石油局第三海洋地質(zhì)調(diào)查大隊，上海 200137；2.Dril-Quip Asia Pacific Pte. Ltd., Singapore）

介紹了海洋石油鉆井設(shè)備水下連接器，以H-4型水下連接器在現(xiàn)場使用中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象為例，通過對H-4型水下連接器的結(jié)構(gòu)原理的分析，分析在現(xiàn)場使用連接器發(fā)生脫不開故障的原因，并根據(jù)原因介紹了其預(yù)防的措施；旨在為海洋浮式鉆井平臺現(xiàn)場使用水下連接器作業(yè)提供借鑒和指導(dǎo)作用。

井口設(shè)備；水下連接器；故障分析；預(yù)防

隨著陸地石油資源的日益衰竭，海上石油的開發(fā)蓬勃興起。我們國家的石油開發(fā)也從陸地轉(zhuǎn)向了海洋，并且開始了深水油氣田的勘探和開發(fā)[1]。油氣田的勘探開發(fā)離不開精良可靠的石油裝備，石油裝備在海上油氣田的勘探開發(fā)中尤其顯得重要，將直接影響到勘探開發(fā)的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。海上石油裝備種類繁多，其中水下連接器就是用于海洋鉆井平臺的一套必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。它是連接水下井口裝置各大系統(tǒng)之間的重要工具，主要用于浮式鉆井裝置防噴器與井口系統(tǒng)的連接，連接下隔水管組和防噴器組以及防噴器與水下井口。水下連接器一般都是由遠(yuǎn)程液壓遙控來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接和脫開，要求結(jié)構(gòu)簡單、動作迅速、連接可靠。在正常鉆井作業(yè)過程中連接器與井口頭、防噴器組、下隔水管組、隔水管系統(tǒng)組成鉆井液的循環(huán)通道；在井控的過程中連接器與防噴器組一起滿足井控的要求，并在應(yīng)急解脫時能夠迅速脫開保證鉆井裝置的安全[2-6]。

目前市場上使用的這種連接器主要來自國外廠家，如GE VETCO GRAY公司 的H-4系列連接器，DRIL-QUIP公司的DX系列連接器以及CAMMERON公司的連接器[4]。其中H-4系列連接器市場占有率達(dá)70%。本文分析的就是H-4連接器在現(xiàn)場使用中多次出現(xiàn)無法正常打開的故障現(xiàn)象。

1 現(xiàn)場出現(xiàn)的故障情況

（1）在試壓樁上對防噴器組試壓后，無法打開。試壓時按照廠家要求的工作壓力對其進(jìn)行操作，鎖緊壓力1 500 磅/平方英寸（10 342 kPa），指示桿位置正確，液壓控制液流量正確，試壓結(jié)束后，按照正常操作打開，指示桿位置正確，液壓控制液流量正確。進(jìn)行上提時，發(fā)現(xiàn)無法脫開，在防噴器行車或叉車允許的提升能力下也無法脫開。

（2）在回收作業(yè)中無法脫開。防噴器鉆井作業(yè)結(jié)束，準(zhǔn)備回收防噴器及隔水管，按照正常操作，無法脫開。經(jīng)檢查，指示桿位置正確，液壓控制液流量正確，再多次進(jìn)行開關(guān)操作，并進(jìn)行多次過提釋放，脫開很困難。

2 故障原因分析

2.1 H-4連接器簡介

連接器如圖1、圖2所示。

連接器主要由上本體、下本體、鎖環(huán)、鎖緊卡塊、液壓活塞系統(tǒng)組成，鎖緊卡塊上下分別有上、下防磨環(huán)，液壓活塞通過活塞連桿與鎖環(huán)連接。

圖1 連接器示意圖

圖2 連接器工作示意圖

上本體上端有API接頭，與防噴器組或下隔水管組其他部件相連，下部有與井口頭相配套的“VX”鋼圈槽。

2.2故障原因分析

分析上述故障現(xiàn)象：液壓控制液流量正確，而且無泄漏，說明控制系統(tǒng)正常；指示桿是固定安裝在鎖環(huán)上的，指示桿顯示的位置就是鎖環(huán)上下運(yùn)動的位置，指示桿的位置正確，證明鎖環(huán)位置也是正確的，說明活塞、連桿及其鎖環(huán)工作都正常。

那么問題就可能出在鎖緊卡塊上了，鎖緊卡塊是由一個完整的圓形環(huán)線性切割分成12片組成的，每兩個卡塊之間有兩只彈簧和導(dǎo)向銷子連接，卡塊外表面有24度的斜角與鎖環(huán)配合，內(nèi)有卡塊槽與井口頭連接，每個卡塊槽都有45度倒角，正常情況下當(dāng)向上提起連接器時，會在卡塊的45度斜面上產(chǎn)生一個徑向的分力以促使卡塊脫開，過提力越大這個分力就越大，一般在增加過提力的情況下連接器應(yīng)該能夠正常脫開。進(jìn)一步分析這個結(jié)構(gòu)，在卡塊的上下各有一個防磨環(huán)，卡塊與防磨環(huán)之間有一定的間隙，這個間歇可以用來儲存潤滑油脂并保證卡塊的自由運(yùn)動。間隙的大小在產(chǎn)品設(shè)計中是嚴(yán)格控制的，如果間隙大小發(fā)生變化就會影響卡塊的運(yùn)動。在正常的使用中間隙的實(shí)際大小有可能產(chǎn)生變化：一方面使用的潤滑油脂在海水中夾雜雜質(zhì)會附在卡塊與防磨環(huán)的表面，造成間隙減??；另一方面在油脂不足的情況下會造成表面磨損間隙增大，并且產(chǎn)生磨損痕跡；此外防磨環(huán)產(chǎn)生形變間隙也會產(chǎn)生變化。經(jīng)過對連接器的結(jié)構(gòu)分析并結(jié)合對故障連接器的拆解檢查情況，連接器脫不開的主要原因有以下三點(diǎn)：

（1）使用了不合格的油脂：連接器在海底的特殊環(huán)境使用，為保證潤滑有效，所用潤滑油脂有嚴(yán)格要求，必須具備防海水乳化變質(zhì)、低溫下結(jié)塊等特性，一般廠家都有推薦的型號。不合格的油脂在海水的作用下產(chǎn)生乳化變質(zhì)、低溫結(jié)塊等情況，從而導(dǎo)致實(shí)際間隙變小，卡塊活動時摩擦過大，造成連接器無法脫開；

（2）設(shè)計間隙的可取范圍過大：有些產(chǎn)品出廠雖然是合格的但是其間隙已經(jīng)接近規(guī)定的下限，這時檢驗(yàn)一般可以通得過，實(shí)際上其間隙已經(jīng)過小，在正常使用中，就容易出現(xiàn)連接器脫不開的現(xiàn)象；

（3）另外在使用過程中，由于防磨環(huán)在受力和摩擦作用下，有時會出現(xiàn)波紋狀變形，造成局部間隙偏大或偏小的情況，也會導(dǎo)致卡塊卡住從而使連接器無法脫開。

3 預(yù)防措施

（1）我們在現(xiàn)場使用中，首先要確保連接器潤滑有效，所用油脂必須用廠家推薦的符合要求的油脂，并且保持干凈，不使用過期油脂。每次連接器回收上來后，要檢查鎖緊卡塊、防磨環(huán)的損壞和潤滑狀況，及時檢查間隙的大小，必要時要清洗和打磨鎖緊卡塊，再用新的專用油脂把舊的油脂全部替換掉。如果鎖緊卡塊與防磨環(huán)間隙超差，則必須打開連接器，更換連接器上、下防磨環(huán)。

（2）在連接器每次使用前和回收后要檢查間隙是否滿足要求，如果防磨環(huán)有變形、間隙接近下限或不在規(guī)定范圍內(nèi)，就要進(jìn)行拆解或與廠家聯(lián)系進(jìn)行檢修。

（3）按操作手冊正確使用和保養(yǎng)連接器，防止不正當(dāng)使用和放置連接器，避免受力不當(dāng)引起局部變形。

“勘探三號”平臺自從按以上預(yù)防措施實(shí)施H-4連接器的規(guī)范操作后，很少出現(xiàn)連接器脫不開的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

綜上所述，連接器鎖緊卡塊與防磨環(huán)之間的間隙非常重要，這個間隙的變化是使用中發(fā)生連接器脫不開的一個主要原因，在使用中需要特別關(guān)注。我們在現(xiàn)場使用中，要按照操作手冊正確使用和保養(yǎng)連接器，使用合格干凈的油脂，確保潤滑有效，防止連接器鎖緊卡塊與防磨環(huán)之間間隙產(chǎn)生變化；及時檢查間隙的大小，及時更換和送修間隙不合格的連接器；這樣可以避免和減少連接器正常操作中發(fā)生脫不開的故障現(xiàn)象，從而節(jié)省作業(yè)時間和作業(yè)成本。

[1] 牛華偉，鄭軍，曾廣東．深水油氣勘探開發(fā)——進(jìn)展及啟示[J].海洋石油，2012，32（4）：1-6．

[2] 廖謨圣．國外浮式海洋石油鉆井裝置配備的鉆井水下設(shè)備概況[J]．國外地質(zhì)勘探技術(shù)，1982（5）：11-13．

[3] Hansen R L, Rickey W P. Evolution of subsea production systems: a worldwide overview[C]．OTC7628, 1994．

[4] 王定亞，鄧平，劉文霄．海洋水下井口和采油裝備技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J]．石油機(jī)械，2011，39（1）：75-79．

[5] 彭飛，段夢蘭，范嘉堃，等．深水連接器鎖緊機(jī)構(gòu)雙重密封設(shè)計研究[J]．機(jī)械設(shè)計與制造，2014（4）：7-10．

[6] 王軍，羅曉蘭，段夢蘭，等．深水采油樹井口連接器鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計研究[J]．石油礦場機(jī)械，2013，42（3）：16-21．

Failure Analysis and Prevention for Subsea Connector

SHI Jiandong1, GONG Dawei2
（1.No.3Marine Geological Investigation Party,Shanghai Offshore Petroleum Bureau,SINOPEC,Shanghai200137,China; 2.Dril-Quip Asia Pacific Pte. Ltd.,Singapore）

A kind of subsea connector for offshore oil drilling equipment is introduced in this article. H-4 type subsea connector is taken as an example to analyze the troubles occurred on spots. Through analysis of the construction mechanism, the reasons for the troubles on H-4 subsea connector are analyzed. In addition, the preventive measures are introduced. It may have reference and provide guidance for those who use this kind of connector on floating platform.

wellhead equipment; H-4 subsea connector; failure analysis; prevention

TE921+.5

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2014.03.106

1008-2336（2014）03-0106-03

2014-05-12；改回日期：2014-05-20

史建東，男，1971年生，雙學(xué)士，主要從事石油機(jī)械工作。E-mail：1029095383@qq.com。