水下管匯水平連接器結(jié)構(gòu)及安裝方案分析

劉彥君，羅曉蘭，張長智，2，段夢蘭，趙三軍

（1.中國石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京 102249；2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067）

水下管匯水平連接器結(jié)構(gòu)及安裝方案分析

劉彥君1，羅曉蘭1，張長智1，2，段夢蘭1，趙三軍1

（1.中國石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京 102249；2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067）

水下連接器作為水下跨接管與水下生產(chǎn)設(shè)施的連接部件，是連接系統(tǒng)的重要組成部分。設(shè)計了2種不同的水下管匯水平連接器方案，第1種方案選用定位錐式安裝方式，定位準(zhǔn)確；第2種方案選用支撐臂式安裝方式，操作快速。分析了這2種方案的結(jié)構(gòu)組成和安裝過程。在連接器及其安裝工具、液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方面，定位和對中功能的準(zhǔn)確性，二次鎖緊功能的可靠性等方面進(jìn)行了對比。提出了改進(jìn)建議。

水下連接器；結(jié)構(gòu)；安裝；方案

水下生產(chǎn)技術(shù)是經(jīng)濟(jì)、高效開發(fā)邊際油田、深海油田的關(guān)鍵技術(shù)之一，隨著海上油氣田開發(fā)深度的不斷增加，該技術(shù)以其顯著的技術(shù)優(yōu)勢、可觀的經(jīng)濟(jì)效益得到各大石油公司的廣泛關(guān)注。目前國外水下生產(chǎn)技術(shù)已較為成熟［1］，我國水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計、建造和安裝尚處于起步階段，工程經(jīng)驗缺乏，技術(shù)儲備較少，同國外相比差距很大。盡快開展深水油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)工程技術(shù)研究，突破水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備國產(chǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)，逐步縮小與發(fā)達(dá)國家之間的差距，為促進(jìn)我國深水大型油氣田的規(guī)模開發(fā)和逐步形成深水工程技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈具有深遠(yuǎn)的意義。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)一般包括采油樹、跨接管、管匯、海底管線、控制系統(tǒng)、臍帶纜、連接器等設(shè)施，有的還包括計量、增壓、分離等裝置［2-5］。

其中，水下連接系統(tǒng)主要用于水下生產(chǎn)設(shè)施之間的連接，例如水下采油樹與水下管匯、水下管線與水下采油樹等，是深水油氣安全生產(chǎn)的重要保證。一套完整的水下管線連接系統(tǒng)主要由水下跨接管、水下連接器和PLET／PLEM組成，而水下連接器作為水下跨接管與水下生產(chǎn)設(shè)施的連接部件，是連接系統(tǒng)的重要組成部分［6］。

1 水下管匯水平式連接器方案一

1.1 結(jié)構(gòu)組成

方案一設(shè)計的水下管匯水平式連接器系統(tǒng)可以分為連接器總成、安裝工具和轂座總成3部分。連接器總成結(jié)構(gòu)由主體、卡爪、驅(qū)動環(huán)等組成（如圖1a）。安裝工具由定位板、控制面板、四組液壓缸等組成（如圖1b）。轂座總成部分由輪轂、導(dǎo)向定位錐、矩形錐槽等組成（如圖1c）。

圖1 水平式連接器方案一結(jié)構(gòu)組成

1.2 安裝過程

方案一設(shè)計的水下管匯水平式連接器系統(tǒng)采用非綁定式的安裝方案，連接器的安裝分為6個過程：下放連接器、下放安裝工具、綁定安裝工具與連接器、安裝連接器、解除安裝工具與連接器的綁定、收回安裝工具。

1） 下放連接器

在水平連接器的安裝過程中首先進(jìn)行連接器的下放，用跨接管兩端連著水平連接器，通過均布梁下放到海底（如圖2a）。

待水平連接器下放到海底后，通過底部的矩形定位錐和底座上的矩形錐槽來進(jìn)行定位。矩形錐完全落入矩形錐槽后，收回均布梁和下放纜繩（如圖2b）。

圖2 下放連接器

2） 下放安裝工具

在安裝工具的下放過程中，ROV［7-9］抓住工具后部的把手，將工具送到V型滑軌，安裝工具通過重力作用落入V型滑軌槽中，底部的導(dǎo)向定位錐會進(jìn)一步調(diào)整安裝工具的位置（如圖3a）。

待安裝工具下放完畢時，松弛下放纜繩，定位板上的吊起機(jī)構(gòu)順勢落下，帶動徑向鎖緊機(jī)構(gòu)完成安裝工具的鎖定（如圖3b）。

圖3 下放安裝工具

3） 綁定安裝工具與連接器

驅(qū)動板回撤時帶動驅(qū)動環(huán)靠緊連接器主體，使卡爪呈完全張開狀態(tài)（如圖4a）。

ROV開啟對中液壓缸組，對中液壓缸組將連接器頂?shù)脚c轂座同軸線的位置，配合管匯脫離承重環(huán)（如圖4b）。

ROV開啟驅(qū)動板上的驅(qū)動液壓缸組，鎖緊液壓缸端部的卡鉗結(jié)構(gòu)將驅(qū)動環(huán)鎖緊（如圖4c）。

圖4 綁定安裝工具與連接器

4） 安裝連接器

ROV開啟對接液壓缸組，推動對中板向前運(yùn)動，帶動著綁定好的連接器與轂座進(jìn)行對接（如圖5a）。

ROV開啟驅(qū)動液壓缸，推動驅(qū)動板和與之鎖緊的驅(qū)動環(huán)向前運(yùn)動，壓動卡爪完成鎖緊過程（如圖5b）。

ROV開啟鎖緊液壓缸，鎖緊液壓缸端部的卡鉗結(jié)構(gòu)脫離驅(qū)動環(huán)，驅(qū)動環(huán)解除鎖定（如圖5c）。

驅(qū)動環(huán)解除鎖定完成后，ROV開啟驅(qū)動液壓缸，在驅(qū)動板回撤的過程中其上的齒條與帶對中板上二次鎖緊工具的齒輪嚙合，帶動二次鎖緊工具工作，完成二次鎖緊，（如圖5d）。

圖5 安裝連接器

5） 對中液壓缸 連接器安裝完畢后，ROV開啟對中液壓缸，對中液壓缸端部的對中轉(zhuǎn)頭收回到對中板的槽內(nèi)，解除安裝工具與連接器的綁定，如圖6。

圖6 對中液壓缸局部示意圖

收緊下放纜繩，安裝工具的前吊桿結(jié)構(gòu)由水平轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直方向，卡扣桿在彈簧作用下向上運(yùn)動脫離卡扣，解除安裝的徑向鎖定（如圖7a）。

提起下放纜繩，安裝工具進(jìn)行撤離。待安裝工具完全收回后，留在水下的結(jié)構(gòu)如圖7b。

圖7 收回安裝工具

2 水下管匯水平連接器方案二

2.1 結(jié)構(gòu)組成

方案二設(shè)計的水下管匯水平式連接器系統(tǒng)可以分為連接器總成、安裝工具和轂座總成3部分。連接器總成由卡爪、驅(qū)動環(huán)、定位錐等組成（如圖8a）。安裝工具由對接液壓缸、驅(qū)動板卡塊、對接液壓缸固定架等組成（如圖8b）。輪轂總成部分由輪轂、安裝工具定位柱、定位錐槽等組成（如圖8c）。

圖8 水平式連接器方案二結(jié)構(gòu)組成

2.2 安裝過程

方案二設(shè)計的水下管匯水平連接器系統(tǒng)采用非綁定式的安裝方案，連接器的安裝分為6個過程：下放定位連接器、解除連接器的鎖定、下放定位安裝工具、安裝連接器、收回安裝工具、二次鎖緊和密封測試。

1） 下放連接器 在水平連接器的安裝過程中首先通過吊繩下放連接器至海底轂座上方，待連接器的導(dǎo)向柱進(jìn)入到轂座的導(dǎo)向槽中，繼續(xù)下放連接器。連接器底部定位錐進(jìn)一步調(diào)整連接器的位置（如圖9）。

圖9 下放連接器

2） 解除連接器的鎖定 ROV解開吊繩，將其收回海面，并移去連接器上部的保護(hù)帽。然后ROV使用二次鎖緊工具解除連接器的鎖定（如圖10）。

圖10 解除連接器的鎖定

3） 下放定位安裝工具 ROV從工具籃中取出安裝工具，之后通過導(dǎo)向套筒和導(dǎo)向柱的配合完成安裝工具的定位，最后ROV釋放安裝工具，通過滑軌-滑塊機(jī)構(gòu)，鎖緊液壓缸在重力作用下落入到連接器的接收板上（如圖11）。

圖11 下放定位安裝工具

4） 安裝連接器 啟動對接液壓缸，進(jìn)行連接器的對接，之后啟動鎖緊液壓缸，進(jìn)行連接器的鎖緊（如圖12）。

圖12 安裝連接器

5） 收回安裝工具 ROV提起安裝工具（如圖13a），鎖緊液壓缸首先脫離連接器的接收板，之后對接液壓缸定位套筒脫離導(dǎo)向柱，安裝工具收回到工具籃中（如圖13b）。

圖13 收回安裝工具

6） 二次鎖緊 ROV利用二次鎖緊工具對連接器二次鎖緊（如圖14），之后ROV對連接器進(jìn)行密封測試，連接器安裝完畢。

3 對比分析

水下管匯水平連接器方案一和方案二的對比分析如表1所示。

表1 兩種方案對比

1） 方案一 采用獨(dú)特的連接器分離式吊裝方案設(shè)計，可以克服連接器擺動不利于定位的問題；三重保障機(jī)構(gòu)確保連接器精確對中；采用自動式二次鎖緊方案，不需要ROV輔助操作即可進(jìn)行二次鎖緊。但是方案一的安裝工具結(jié)構(gòu)復(fù)雜［6］、液壓缸組數(shù)目較多。

2） 方案二 安裝工具的結(jié)構(gòu)非常簡單、液壓控制系統(tǒng)簡單可靠、安裝快速、ROV操作較少，但是方案二對液壓缸性能要求高、實(shí)際應(yīng)用還有待驗證。

4 改進(jìn)建議

經(jīng)過對比可以發(fā)現(xiàn)，采用方案一作為主體，結(jié)合方案二的優(yōu)點(diǎn)，得出優(yōu)化方案的設(shè)計結(jié)果更有利于實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中。優(yōu)化方案的結(jié)構(gòu)組成也可以分為連接器總成、安裝工具和轂座總成3部分，如圖15。

圖15 水平式連接器優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)組成

本方案綜合了之前2種方案的優(yōu)點(diǎn)，使得安裝可靠，使用方便，主要具有2個優(yōu)點(diǎn)：

1） 定位準(zhǔn)確的連接器定位方案設(shè)計。兩級導(dǎo)向定位錐易于定位，軸向調(diào)整栓調(diào)整定位結(jié)構(gòu)軸向偏差，吊起環(huán)確保連接器軸向位置。

2） 三重保障的連接器對中方案設(shè)計。連接器的支撐結(jié)構(gòu)保證連接器軸心位置，對中液壓缸調(diào)整連接器軸向偏差，止口結(jié)構(gòu)進(jìn)一步保證對中精確。

5 結(jié)論

1） 通過對2種水下管匯水平連接器方案的結(jié)構(gòu)組成和安裝過程的討論研究，為后續(xù)詳細(xì)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

2） 我國水下管匯水平連接器的設(shè)計、建造和安裝尚處于起步階段，最終的優(yōu)化方案在設(shè)計階段結(jié)合了前2種方案的優(yōu)點(diǎn)，制定出適合實(shí)際應(yīng)用的方案。

3） 設(shè)計的水平連接器方案正在相關(guān)試驗，制造，施工方面都還沒有進(jìn)行詳細(xì)研究。

4） 隨著我國海上油氣田的不斷開發(fā)，水下管匯水平連接器作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，國內(nèi)還沒有獨(dú)立自主設(shè)計的水平連接器，未來可以取代國外連接器產(chǎn)品應(yīng)用于海上油氣田的開發(fā)。

5） 今后的研究方向包括：對連接器設(shè)計的各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行整合，針對連接器的需要，得到符合要求的設(shè)計，最后繪制出連接器的圖紙；以連接器功能設(shè)計為出發(fā)點(diǎn)，對連接器的制造過程提出合理的要求，包括加工精度、表面處理、材料處理等。

［1］ Thomas Bernt，Hydro，and Endre Smedsrud.Ormen Lange Subsea Production System［C］.OTC18965，2007.

［2］ Herdiro M A N，da Cunha C H G，Motta B R F.Development Of the Barracuda and Caratinga Subsea Production System-An Overview［C］.OTC17054，2005.

［3］ 于芳芳，段夢蘭，郭宏，等.深水管匯設(shè)計方法及其在荔灣3-1氣田中的應(yīng)用［J］.石油礦場機(jī)械，2012，41（1）：24-29.

［4］ 王懿，段夢蘭，李麗娜，等.深水立管安裝技術(shù)進(jìn)展［J］.石油礦場機(jī)械，2009，38（6）：4-8.

［5］ 董衍輝，段夢蘭，王金龍，等.深水水下連接器的對比與選擇［J］.石油礦場機(jī)械，2012，41（4）：6-12.

［6］ McKeehan D S，F(xiàn)reet T G.Deepwater Flowline Tie-Ins and Jumpers：What works best？［C］.OTC7269，1993.

［7］ Peter Kirkbride，P.G.Brown，R.A.Blommer.etal.Lightweight Subsea Manifold Design［C］.OTC7528，1994.

［8］ Picard D，The bault J.The Dalia Development Challenges and Achievements［C］.OTC18538，2007.

［9］ Lafitte J L，Perrot M，Lesgent J，et al.Dalia Subsea Production System，Presentation and Challenges［C］. OTC18541，2007.

Design and Research of Subsea Horizontal Connector for Manifolds

Subsea connector，as a component for connecting subsea jumper and other subsea production facilities，is an important part of the subsea connection system.Two different subsea horizontal connectors for manifold were designed.In the first scheme，positioning cone for positioning and installation with high location accuracy was chosen，and in second scheme support arm for fast operation was selected.The structure and installation process of this two subsea connector were introduced in detail.The structure of the connector and its installation tools with the hydraulic system，the accuracy of location and centering function，the reliability of the secondary locking function have been compared.Finally，a suggestion for improvement is put forward on the basis of these two schemes.

under water coupling；structure；mounting；project

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.10.010

1001-3482（2014）10-0045-07

2014-04-10

國家科技重大專項“水下管匯連接器樣機(jī)研制”（2011ZX05026-003-02；）國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）“深海柔性結(jié)構(gòu)的非線性流固耦合振動與破壞機(jī)理”（2011CB013702）

劉彥君（1990-），女，遼寧調(diào)兵山人，碩士研究生，主要從事海洋石油工程設(shè)備設(shè)計及施工技術(shù)研究，E-mail：bjqe122510＠163.com。