深水套筒式連接器合格性測試

趙三軍,李 博,林建國,羅 俊,劉彥君,劉亞磊,段夢蘭

（1.中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京 102249；2.中海油研究總院，北京 100027）

深水套筒式連接器合格性測試

趙三軍1,李 博2,林建國1,羅 俊1,劉彥君1,劉亞磊1,段夢蘭1

（1.中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京 102249；2.中海油研究總院，北京 100027）

深水套筒式連接器，作為主要水下生產(chǎn)設(shè)施的連接，是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分。為檢測連接器的性能，參照相關(guān)標準，在分析連接器所處的環(huán)境和所受各種復雜載荷的基礎(chǔ)上，提出深水套筒式連接器進行合格性測試的步驟，包括連接器外壓測試、內(nèi)壓測試、彎曲測試和扭轉(zhuǎn)測試等。合格性測試對進一步研究連接器的測試具有一定的參考價值。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)；連接器；性能；合格性測試

0 引 言

陸地新增油氣儲量對全球油氣儲量增長的貢獻逐年降低，而海洋油氣資源有巨大的潛力，吸引了眾多的國家和石油公司。水下生產(chǎn)系統(tǒng)在深水油氣田開發(fā)中有著廣泛的應用，深水套筒式連接器是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用是連接水下生產(chǎn)設(shè)施，包括水下采油樹與水下管匯的連接跨接管與水下采油樹的連接、PLET（管道終端）與PLEM（管道終端管匯）的連接等[1-3]。國外的一些公司（如FMC、Oil States、Cameron）已經(jīng)掌握了深水連接器在設(shè)計、制造、測試、安裝等方面的關(guān)鍵技術(shù)。此外，Marc Bonnissel[4]、P.E.Hadfield[5]和Jostein Aleksandersen[6]等專家和學者也對連接器進行了大量的研究工作。

國外的連接器產(chǎn)品已經(jīng)非常成熟，但國內(nèi)對連接器的研究尚處于起步階段，如哈爾濱工程大學、中國石油大學和中海油研究總院等單位對連接器進行了相關(guān)研究工作[7-8]。為了推動連接器和其他水下生產(chǎn)設(shè)施的研究，我國設(shè)立了兩個國家科技重大專項，隨著南?！袄鬄?-1”油氣田的成功開發(fā)，我國將進一步推進深水連接器等深水水下設(shè)施的研究與國產(chǎn)化。

深水套筒式連接器的合格性測試是連接器研制過程中的一項關(guān)鍵技術(shù)，但我國目前的研究主要側(cè)重于連接器功能的實現(xiàn)[9-10]，對連接器的合格性測試研究亟待開展。

1 連接器結(jié)構(gòu)及其工作環(huán)境

連接器主要功能是連接海底設(shè)備，防止油氣泄漏，建立并維持密封環(huán)境，抵抗外部載荷（包括內(nèi)壓、彎矩、拉力、扭矩等）。連接器應具有耐腐蝕、鎖緊與解鎖方便、密封安全穩(wěn)定、抗壓、抗拉、抗彎、抗扭等性能。本文以“荔灣3-1”為目標油氣田，根據(jù)連接器應具有的功能和性能，設(shè)計了如圖1所示的深水套筒式連接器。

連接器主要由公輪轂、母輪轂、驅(qū)動環(huán)、卡爪、密封件等組成。公輪轂是在連接器安裝之前隨水下設(shè)施一起下放至海底，母輪轂是與管道焊接在一起的，連接器主體由螺栓固定于母轂座，卡爪在驅(qū)動環(huán)的帶動下張開和鎖緊，驅(qū)動環(huán)是在液壓系統(tǒng)的作用下進行上下運動，連接器采用金屬密封。套筒式連接器需要特定的安裝工具進行安裝。在安裝時安裝工具首先推動連接器使公輪轂與母輪轂對接，然后帶動驅(qū)動環(huán)沿軸向運動，壓迫卡爪旋轉(zhuǎn)，卡爪內(nèi)側(cè)的兩斜面分別與公母輪轂的外斜面貼合接觸。驅(qū)動環(huán)繼續(xù)運動，卡爪與公母輪轂的接觸面發(fā)生滑動并傳遞給輪轂軸向力，母輪轂向公輪轂運動。同時輪轂內(nèi)部密封面擠壓密封件，使其產(chǎn)生形變，形成有效密封。

根據(jù)目標油氣田的環(huán)境條件，連接器應適應1 500m水深、5 000 psi（1psi=6.895 kPa）內(nèi)壓及-18～121℃溫度的深海環(huán)境條件，且要耐海水及內(nèi)部油氣的腐蝕。由于與連接器連接的管線受到海流等作用，這些載荷也會傳遞到連接器上，使連接器受到彎矩、扭矩等復雜載荷，測試時要考慮到這些復雜載荷的影響。

目前，國際上有一些水下生產(chǎn)系統(tǒng)測試的標準規(guī)范，但是還沒有專門針對水下連接器合格性測試的標準規(guī)范，而這不能滿足連接器合格性測試的要求，亟需開展對連接器合格性測試的研究。參照美國石油學會的API 6A和API 17D，國際標準化組織的ISO 13628和ISO 10423，挪威石油工業(yè)標準化組織的NORSOK等水下生產(chǎn)系統(tǒng)的標準規(guī)范[11-13]，以及對深水套筒式連接器功能和性能的分析，提出了深水套筒式連接器合格性測試簡單的測試步驟，包括外壓測試、內(nèi)壓測試、彎曲測試和扭轉(zhuǎn)測試，這對進一步規(guī)范連接器的測試具有一定的參考價值。

2 外壓測試

根據(jù)API 17D的規(guī)定，進行外壓測試和內(nèi)壓測試時，本體靜水壓試驗壓力最低應為額定工作壓力的1.5倍，初始壓力不應高出規(guī)定試驗壓力的5%[12]。為了查看連接器各個部件的應力應變情況，需要在連接器上貼應變片，預先用有限元軟件Abaqus對連接器進行了數(shù)值模擬，得到了連接器應力分布情況，如圖2所示。由于測試時連接器兩端需要封堵打壓，不能在內(nèi)部貼片，外部貼片時要防止應變片被擠壓；此外，為了便于布線，綜合考慮后，應變片貼在如圖3所示的黑點位置。

2.1 外壓測試的目的

外壓測試的目的是檢驗連接器能否承受所處工作環(huán)境的外壓。本文研究的連接器是適用于1500m水深的，所要承受的外壓為15MPa。

2.2 測試設(shè)備

由于測試時要制造外部高壓環(huán)境并需要采集貼

片點的數(shù)據(jù)，所以需要的設(shè)備主要有高壓試驗艙、智能數(shù)控試壓系統(tǒng)和靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.3 測試步驟

（1）按圖紙、技術(shù)文件要求，將連接器組裝完整，在設(shè)定的測點位置貼好應變片，確保每個應變片完好無損，正常工作，并連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。用盲板將連接器兩端封堵，保證密封可靠。然后，將連接器放入高壓艙中，連接好測試管線，如圖4所示。

（2）加載外壓，逐級加載到22.5MPa（1500m水深外壓的1.5倍）。初始外壓為1.125MPa（試驗壓力的5%），每級保持15min，每隔3min記錄一次連接器內(nèi)部壓力數(shù)據(jù)。分別將外壓設(shè)定為7.5，10，12.5 MPa，按要求記錄各級數(shù)據(jù)。外壓加載到15MPa時，保壓30min，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，再逐級加壓到22.5MPa，保壓30min，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

（3）測試完成后，緩慢卸載高壓艙壓力，拆開連接器，然后對連接器進行無損檢測。

2.4 接受準則

連接器內(nèi)壓測試接受準則為測試過程中沒有泄露。保壓時，壓力的變化不大于試驗壓力的5%，則視為沒有泄露。

3 內(nèi)壓測試

3.1 內(nèi)壓測試的目的

由于內(nèi)部油氣的作用，連接器工作時會承受一定的內(nèi)壓，而內(nèi)壓會對連接器的密封效果產(chǎn)生較大影響。內(nèi)壓測試的目的是檢測連接器能否承受額定內(nèi)壓。本文研究的連接器應能承受的額定內(nèi)壓為34.5MPa。

3.2 測試設(shè)備

由于連接器需要安裝到內(nèi)壓試驗臺上并采集貼片點的數(shù)據(jù)，所以需要的設(shè)備主要有內(nèi)壓試驗臺、智能數(shù)控試壓系統(tǒng)和靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3.3 測試步驟

（1）將裝配好的連接器安裝在內(nèi)壓試驗臺上，連接好管線，如圖5所示。

（2）通過盲板上的孔進行打壓，采用分級加壓的方式進行，初始壓力為1.7 MPa，每級增長3.4 MPa，每級保壓15min。從保壓開始時間開始采集應力數(shù)據(jù)，每隔3min記錄一次。逐級加壓到額定工作壓力34.5MPa，保壓30min。然后再逐級加壓到51.7MPa，保壓30min。

（3）測試完成后，緩慢卸載內(nèi)壓，拆開連接器，然后對連接器進行無損檢測。

3.4 接受準則

連接器內(nèi)壓的接受準則為測試過程中沒有泄露。

4 彎曲測試

4.1 彎曲測試目的

連接器在海底工作時要承受因海流和跨接管等作用產(chǎn)生的彎矩。彎曲測試是在額定壓力條件下，測試連接器抗彎曲能力。

4.2 測試設(shè)備

由于連接器要安裝到彎曲試驗臺上，通過液壓系統(tǒng)來控制加載彎矩，還有采集貼片點的數(shù)據(jù)，所以需要的設(shè)備主要有彎曲試驗臺、液壓控制系統(tǒng)、智能數(shù)控試壓系統(tǒng)和靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

4.3 測試步驟

（1）把連接器安裝到彎曲試驗臺上，將彎曲試驗臺上的液壓缸連接到連接器上，連接器兩端加盲板封堵后，打內(nèi)壓到額定工作壓力34.5 MPa，如圖6所示。

（2）啟動液壓缸，調(diào)節(jié)節(jié)流閥，使液壓缸緩慢動作，觀察內(nèi)壓壓力表是否有明顯壓降，若正常，則進

行連續(xù)試驗，使液壓缸保持施加額定彎矩15min。在保持施加彎矩的過程中，每隔3min記錄一次數(shù)據(jù)。

（3）測試完成后，緩慢卸載彎矩，然后再緩慢卸載內(nèi)壓，拆開連接器，然后對連接器進行無損檢測。

4.4 接受準則

連接器彎曲測試的接受準則是在承受一定彎矩時不發(fā)生泄露。

5 扭轉(zhuǎn)測試

5.1 扭轉(zhuǎn)測試的目的

連接器在海底工作時要承受因海流和跨接管等作用產(chǎn)生的扭矩，扭轉(zhuǎn)測試的目的是檢測連接器能否承受因海流和跨接管作用產(chǎn)生的扭矩。

5.2 測試設(shè)備

由于連接器要安裝到扭轉(zhuǎn)試驗臺上，通過液壓系統(tǒng)來控制加載扭矩，還要采集貼片點的數(shù)據(jù)，所以需要的設(shè)備主要有扭轉(zhuǎn)試驗臺、液壓控制系統(tǒng)、智能數(shù)控試壓系統(tǒng)和靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

5.3 測試步驟

（1）把連接器安裝到扭轉(zhuǎn)試驗臺上，將彎曲試驗臺上的液壓缸連接到連接器上，連接器兩端加盲板封堵后打內(nèi)壓到額定工作壓力34.5 MPa，如圖7所示。

（2）同步啟動雙液壓缸，調(diào)節(jié)節(jié)流閥，使液壓缸緩慢動作，觀察內(nèi)壓壓力表是否有明顯壓降，若正常，則進行連續(xù)試驗，雙液壓缸保持施加的額定扭矩15min，每隔3min記錄一次數(shù)據(jù)。

（3）測試完成后，緩慢卸載扭矩，然后再緩慢卸載內(nèi)壓，拆開連接器，然后對連接器進行無損檢測。

5.4 接受準則

連接器扭轉(zhuǎn)測試的接受準則是在承受一定扭矩時不發(fā)生泄露。

6 結(jié)束語

本文對深水套筒式連接器的合格性測試方法進行了初步探索：（1）分析了深水套筒式連接器的結(jié)構(gòu)和所處的工作環(huán)境，得出連接器在安裝與運行過程中在內(nèi)壓、外壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)等復雜載荷的作用下需要測試的條件與測試要求；（2）對深水套筒式連接器合格性測試提出了簡單的測試步驟，包括內(nèi)壓測試、外壓測試、彎曲測試和扭轉(zhuǎn)測試，這對進一步規(guī)范連接器的測試具有一定的參考價值。

[1]Allensworth D C，Crown T W.Subsea gang connector system：United States，US7172447 B2[P].2007-02-06.

[2]王瑩瑩，王德國，段夢蘭，等.水下生產(chǎn)系統(tǒng)典型布局形式的適應性研究[J].石油機械，2012，40（4）：58-63.

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[4]Bonnissel M.Gel based materials for high insulation and long cooldown time in deep water[C]∥Offshore Technology Conference Houston Texas，2004.

[5]Hadfield P E，Balnaves C，Brookes D A，et al.DMaC：flowline and umbilical connections for commercial application[C]∥Offshore Technology Conference Houston Texas，1994.

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[12]ANSI/API SPECIFICATION 17D.Design and Operation ofSubseaProduction Systems-SubseaWellhead and Tree Equipment[S].2011.

[13]ANSI/API SPECIFICATION 6A.Specification for Wellhead and Christmas Tree Equipment[S].2011.

Qualification testing for deepwater collet connector

ZHAO San-jun1，LI Bo2，LIN Jian-guo1，LUO Jun1，LIU Yan-jun1，LIU Ya-lei1，DUAN Meng-lan1
（1.Offshore Oil and Gas Research Center，China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China；2.CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China）

Deepwater collet connector is one of the most important components in subsea production system.It is mainly used to connect the subsea production facilities.In order to detect the properties of the connector,reference to the relevant standards and based on the analysis of the environment and varieties of complex loads of the connector,qualification testing for deepwater collet connector were tentatively proposed,including external pressure testing,internal pressure testing,bending testing and torsion testing.The qualification testing can be referenced for further research on testing for connector.

subsea production system;connector;properties;qualification testing

TE952；TM930.12；TE927；TE54

：A

：1674-5124（2014）04-0026-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.007

2013-12-07；

：2014-02-20

國家科技重大專項（2011ZX05026-003-02，2011ZX05027-004）

趙三軍（1987-），男，河北泊頭市人，碩士研究生，專業(yè)方向為海洋石油裝備研究。