水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器及其關(guān)鍵技術(shù)

唐 洋，張中根，易典學(xué)，劉佩松，安家偉

西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院，四川 成都 610500

引 言

隨著中國對深水油氣資源勘探步伐逐步加快，將大量進行深水水下油氣集輸作業(yè)。水下生產(chǎn)系統(tǒng)可以避免建造昂貴的海上采油平臺，節(jié)省建設(shè)投資，且可靠性高，因此，水下生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)合固定式平臺、浮式生產(chǎn)平臺等設(shè)施組成的海上油田開發(fā)形式將得到廣泛應(yīng)用。水下生產(chǎn)系統(tǒng)的核心裝備和技術(shù)被美國、挪威、巴西等國家掌握，并廣泛地應(yīng)用于北海、西非、巴西、愛爾蘭等深水油氣田，積累了大量經(jīng)驗。與國外相比，中國主要集中在300 m以內(nèi)的淺海，水下生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)裝備和技術(shù)還落后于國外先進水平[1]。

典型的水下生產(chǎn)系統(tǒng)由水下控制系統(tǒng)、水下采油樹、水下井口、臍帶纜、水下管匯以及跨接管等組成。水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器是實現(xiàn)水下設(shè)備、裝置及其控制系統(tǒng)等過程串接的“紐扣”，是保障水下生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)性和安全性的關(guān)鍵結(jié)點[2]。因此，水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器相關(guān)技術(shù)是海洋油氣資源勘探開發(fā)的一項核心技術(shù)。從20世紀(jì)60年代開始，世界各海洋大國加快了水下工程技術(shù)的研發(fā)速度，水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器得到迅猛發(fā)展。國外的幾大主要石油裝備制造商FMC、Oil States以及Cameron等經(jīng)過多年技術(shù)攻關(guān)，已經(jīng)擁有種類多樣的水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器產(chǎn)品，且擁有在不同作業(yè)環(huán)境下實際運用的豐富經(jīng)驗，但其僅提供服務(wù)不出售產(chǎn)品，長期對外實行技術(shù)封鎖。

中國在海洋油氣開采方面起步較晚，相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備長期依賴國外公司提供，耗資巨大。僅中國第一個深水氣田L(fēng)W3-1項目所需的水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器數(shù)量就超過88套，全部由Cameron公司提供[3]。到21世紀(jì)初，隨著中國加大對海洋油氣裝備研發(fā)的投入，以哈爾濱工程大學(xué)、中國石油大學(xué)和中海油研究總院為代表的一批科研院所，對水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器開展了大量研究設(shè)計工作，并取得了一定的研究成果。但是對用于深水油氣集輸?shù)乃律a(chǎn)系統(tǒng)，尤其是水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器，中國尚未完全掌握其核心技術(shù)，也未形成具有競爭力的核心產(chǎn)品。在當(dāng)前中國大力發(fā)展深水油氣資源勘探開發(fā)的背景下，深入了解、掌握水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器結(jié)構(gòu)、功能和特性；梳理水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器關(guān)鍵技術(shù)及當(dāng)前技術(shù)難點和問題，旨在為下一步的技術(shù)突破和國產(chǎn)化研究提供指導(dǎo)及方向。

1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器的類別及其特性

1.1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器類別

水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器大致可以分為3類：卡爪式連接器，卡箍式連接器以及螺栓法蘭式連接器，其各自在結(jié)構(gòu)、功能、原理上有較大區(qū)別[4]。

（1）卡爪式連接器

卡爪式連接器是垂直連接和超深水連接的主要類型，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。卡爪式連接器主要通過特殊設(shè)計制造的卡爪周向均勻地抓合在管端轂座上，再由驅(qū)動環(huán)驅(qū)動其鎖緊上、下轂座，在上轂座、密封圈和下轂座間形成有效密封，實現(xiàn)管線連接。

圖1 卡爪式連接器Fig.1 A collet connector

（2）卡箍式連接器

卡箍式連接器常用于水平連接，其主要由上法蘭連接體和下法蘭連接體兩部分組成，主體部分位于上法蘭連接體內(nèi)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 卡箍式連接器主體部分示意圖Fig.2 The main part of clamp connector schematic

卡箍式連接器主要通過鎖緊螺栓提供預(yù)緊力，使卡箍爪和對接管線的凹槽嚙合鎖緊，從而使密封圈變形、被壓入公端芯軸外表面，實現(xiàn)密封連接。

（3）螺栓法蘭式連接器

螺栓法蘭式連接器主要用于淺水連接，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。螺栓法蘭式連接器直接通過鎖緊螺栓提供預(yù)緊力，當(dāng)用于淺水時一般由潛水員操作螺栓進行對中鎖緊，但當(dāng)水深超過650 m的極限潛水深度時，需通過復(fù)雜的連接系統(tǒng)對中連接，其深水連接技術(shù)僅被少數(shù)石油設(shè)備供應(yīng)商掌握。

圖3 螺栓法蘭式連接器Fig.3 A bolt flange connector

1.2 水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器特性分析

螺栓法蘭式連接器最早用于陸地連接，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，設(shè)計制造較易，是淺水連接的最佳選擇。但對于深水連接，其對中復(fù)雜、可靠性不高等劣勢逐漸凸顯。卡箍式連接器借鑒了螺栓法蘭式采用螺栓提供預(yù)緊力，同時采用瓣式結(jié)構(gòu)和卡箍爪設(shè)計，減少螺栓的數(shù)量，使連接對中相對容易，結(jié)構(gòu)更加緊湊，但其螺栓連接導(dǎo)致的對中困難、可靠性差的問題依然存在。

為了滿足深水作業(yè)快速連接的需要，卡爪式連接器在卡箍式連接器的基礎(chǔ)上重新設(shè)計了卡箍爪，同時采用驅(qū)動環(huán)代替鎖緊螺栓，使其可靠性增加，且其多帶有導(dǎo)向機構(gòu)，對中誤差容忍度高，連接速度更快。但目前卡爪式連接器卡爪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，標(biāo)準(zhǔn)化程度低是其面臨的主要問題。為了下一步水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器的相關(guān)研究，表1對3種主要連接器的特性進行了比較分析，為其設(shè)計選型提供參考[5-9]。

表1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器特性分析Tab.1 Analysis of connector characteristics of subsea production system

2 水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器典型產(chǎn)品分析

目前，世界范圍內(nèi)擁有水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器成熟產(chǎn)品且掌握核心技術(shù)的公司主要有美國的FMC、Cameron和Oil States以及挪威的AkerSolutions等，中國尚無相關(guān)公司。通過分析3類主要連接器的典型產(chǎn)品，闡述相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)上具有的共性，揭示相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢，為其國產(chǎn)化設(shè)計提供指導(dǎo)。

2.1 卡爪式連接器典型產(chǎn)品分析

在眾多卡爪式連接器供應(yīng)商中，F(xiàn)MC的技術(shù)極為先進，其代表產(chǎn)品KC-4型連接器具有轂座結(jié)構(gòu)簡單、力矩平衡指細長、驅(qū)動環(huán)和卡爪配合良好、自鎖效果好等優(yōu)點。同時KC-4型連接器采用的KX透鏡密封圈[10]，為FMC公司為深水連接而設(shè)計的專用密封圈，其最高設(shè)計壓力103.4 MPa，最大應(yīng)用水深3 000 m。該密封圈形狀可變，制造公差和對中誤差能得到有效補償，同時其采用的密封面不同區(qū)設(shè)計，使得在主密封區(qū)損壞后提供了后備密封能力[11-12]。

除FMC公司外，卡爪式連接器典型產(chǎn)品還有Cameron公司的立式可回收卡爪連接器以及Oil States公司的Hydro Tech連接器，如圖4、圖5所示。Cameron公司該型卡爪式連接器用途廣，對中誤差容忍度高，但重量大，對遙控潛水器（Remote Operated Vehicle，ROV）的要求很高。Oil States公司的Hydro Tech連接器，可容納7°的傾角誤差，安裝更為容易，同時在配套ROV全程協(xié)助下，僅30 min就可完成連接，但裝置整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造成本較高[13-14]。

圖4 Cameron公司立式可回收卡爪連接器Fig.4 Vertical retrievable collet connector

圖5 Hydro Tech連接器Fig.5 Hydro Tech connector

通過上述典型產(chǎn)品分析，相關(guān)產(chǎn)品具有以下共性[15]：（1）密封連接效果好。國外產(chǎn)品普遍采用自緊式金屬密封，同時針對不同的作業(yè)環(huán)境對標(biāo)準(zhǔn)透鏡密封圈進行了專用優(yōu)化設(shè)計，密封效果得到較大提升。（2）對中連接速度快。國外產(chǎn)品普遍具有較好對中性能，這主要得益于其成熟的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及先進的ROV控制技術(shù)。

2.2 卡箍式連接器典型產(chǎn)品分析

FMC公司是最早研制卡箍式連接器的公司之一，圖6為該公司早期的一款典型卡箍式連接器，該連接器采用兩瓣式卡箍結(jié)構(gòu)，采用雙螺栓提供徑向密封力，相比當(dāng)時主流連接器大大減少了螺栓的數(shù)量，安裝更快速方便。與FMC公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不同，VECTOR公司卡箍式連接器則采用三瓣式結(jié)構(gòu)，如圖7所示。VECTOR公司該型連接器采用一根緊固螺栓連接，結(jié)構(gòu)簡單且連接迅速可靠，同時其采用的雙球面密封圈，具有質(zhì)量輕、密封效果好等特點[16-17]。

通過上述產(chǎn)品的分析可知，三瓣式卡箍結(jié)構(gòu)設(shè)計由于建模容易、安裝方便、受力均勻等優(yōu)點，使其得到更為廣泛的應(yīng)用。其次，為實現(xiàn)快速連接，目前普遍采用一根鎖緊螺栓鎖緊，且對鎖緊螺栓的鎖緊方式均進行了不同程度的優(yōu)化，使其更易操作，這是卡箍式連接器的必然發(fā)展趨勢。

圖6 FMC公司典型卡箍式連接器Fig.6 FMC typical clamp connector

圖7 VECTOR公司典型卡箍式連接器Fig.7 VECTOR typical clamp connector

2.3 螺栓法蘭式連接器典型產(chǎn)品分析

為了適應(yīng)深水連接的需要，Acergy公司和Sonsub公司于20世紀(jì)90年代分別研發(fā)了針對深水的螺栓法蘭連接系統(tǒng)MATIS和BRUTUS。MATIS系統(tǒng)和BRUTUS系統(tǒng)功能上無太大區(qū)別，均能實現(xiàn)對孔、插入螺栓、擰緊螺母、預(yù)緊螺栓和放置密封墊圈等功能，且各功能模塊均安裝在一個框架內(nèi)。同時深水法蘭自動連接機具上均安裝有浮力材料，且能通過ROV進行信息交換和動力傳輸，方便水下操作。上述連接器由于采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件，具有連接可靠、費用低、采購周期短等特點[16]。但是整套系統(tǒng)復(fù)雜，連接速度慢，對中要求高。

通過對典型產(chǎn)品的分析可知，相關(guān)產(chǎn)品具有以下共性[18]：

（1）模塊化設(shè)計；

（2）工具庫采用三瓣式開合結(jié)構(gòu)；

（3）法蘭連接螺栓采用雙頭螺柱；

（4）螺栓預(yù)緊采用液壓螺栓拉伸器完成；

（5）機具上安裝浮力材料；

（6）通過ROV和機具連接，可進行動力傳遞和信息交換，輔助作業(yè)。

3 水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)及難點

近年來，為了適應(yīng)深水油氣勘探的需要，中國在水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器方面的設(shè)計研究取得較大進步，形成了一系列有關(guān)水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)方案。通過總結(jié)中國現(xiàn)有關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合國外典型產(chǎn)品的分析，對水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計難點及其發(fā)展趨勢進行分析概述。

3.1 定位對中技術(shù)

連接器的精準(zhǔn)定位對中是其實現(xiàn)可靠連接和鎖緊的前提，以下是目前3種常見的定位對中結(jié)構(gòu)類型，如圖8所示。

類型1：端面斜切弧形坡口結(jié)構(gòu)，如圖8a所示，連接器殼體的下端面呈弧形坡口狀，和對接體的凹形坡口相配合，實現(xiàn)導(dǎo)向和對準(zhǔn)。該結(jié)構(gòu)優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)簡單；（2）加工成本低。缺點：（1）需嚴(yán)格控制對接管柱下放速度；（2）存在接觸死點。

類型2：喇叭敞口結(jié)構(gòu)，如圖8b所示，連接器殼體下端面呈喇叭敞口狀，可自行旋入對接體腔體內(nèi)。該結(jié)構(gòu)優(yōu)點：（1）導(dǎo)向性好；（2）結(jié)構(gòu)簡單。缺點：（1）殼體與下部喇叭口連接處易損壞；（2）殼體整體周向尺寸大。

類型3：內(nèi)嵌導(dǎo)向機構(gòu)，如圖8c所示，在連接器殼體內(nèi)嵌導(dǎo)向環(huán)，通過導(dǎo)向環(huán)下方的錐形面進行定位對中。該結(jié)構(gòu)優(yōu)點：（1）連接器整體結(jié)構(gòu)緊湊；（2）定位準(zhǔn)確可靠。缺點：（1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜；（2）導(dǎo)向環(huán)和殼體連接處易損壞。

圖8 常見的定位對中結(jié)構(gòu)類型Fig.8 The structural types of orientation and centring

除上述外，對于特殊場合常需要雙重定位結(jié)構(gòu)，如圖9所示，該連接器采用了喇叭敞口定位結(jié)構(gòu)和榫槽結(jié)構(gòu)配合雙重定位，大幅提高定位的準(zhǔn)確性，但同時也使定位對中操作難度倍增。定位對中機構(gòu)要求易于操作，且對對中誤差有一定補償能力，相對而言類型1、2更符合要求，但其對中精度較低，對于特殊場合不適宜，具體運用視連接頭所需對中精度而定。

圖9 一種采用復(fù)合定位對中結(jié)構(gòu)的連接器Fig.9 A connector using composite positioning alignment structure

3.2 鎖緊技術(shù)

連接器鎖緊結(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性對連接器的整體性能至關(guān)重要，尤其對于卡爪式連接器。目前卡爪式連接器的卡爪結(jié)構(gòu)大致分為兩種，見圖10。

類型1：如圖10a所示，當(dāng)管線連接時，驅(qū)動環(huán)作用于卡爪外側(cè)，驅(qū)使卡爪鎖緊對接管線；當(dāng)管線脫離時，驅(qū)動環(huán)上移，卡爪解鎖，然后上提連接器上端，卡爪逐漸張開，連接管線脫離。該結(jié)構(gòu)優(yōu)點：卡爪結(jié)構(gòu)簡單，配合面少；缺點：不易解鎖，卡爪和對接管線易自鎖。

類型2：如圖10b所示，當(dāng)管線連接時，驅(qū)動環(huán)作用于卡爪外側(cè)，卡爪鎖緊對接管線；當(dāng)對接管線脫離時，在驅(qū)動環(huán)上移，作用于卡爪頂端，從而使卡爪逐漸張開。該結(jié)構(gòu)優(yōu)點：易于鎖緊和解鎖；缺點：卡爪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，配合面多，加工較難。

圖10 常見卡爪結(jié)構(gòu)類型Fig.10 Typical claw structure

卡爪式連接器鎖緊機構(gòu)的設(shè)計是其設(shè)計過程中最困難的部分，直接決定著連接器能否實現(xiàn)其功能，在連接器鎖緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要注意以下問題[19]：

（1）卡爪運動路徑須唯一且無干涉；

（2）卡爪和驅(qū)動環(huán)的強度須滿足要求；

（3）上下轂座間的密封須達到要求；

（4）鎖緊機構(gòu)包含多個動結(jié)構(gòu)，各零件之間要易于裝配。

3.3 二次鎖緊技術(shù)

連接器處于復(fù)雜的海底環(huán)境中，二次鎖緊機構(gòu)的應(yīng)用可有效防止連接器在偶然載荷的作用下發(fā)生松動，是其工作安全可靠的重要保障?，F(xiàn)有二次鎖緊機構(gòu)分為以下兩類：

類型1：彈簧預(yù)緊機構(gòu)，如圖11所示，預(yù)緊彈簧一端作用于驅(qū)動環(huán)上，另一端固定，連接器鎖緊連接后，處于壓縮狀態(tài)的彈簧能防止驅(qū)動環(huán)的偶然移動。該機構(gòu)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，無需額外操作；缺點：（1）解鎖較困難；（2）彈簧易失效，可靠性差。

圖11 彈簧預(yù)緊機構(gòu)Fig.11 Spring pretightening mechanism

類型2：螺栓預(yù)緊機構(gòu)，如圖12所示，在連接器連接后，ROV操作水平轉(zhuǎn)桿，動力通過齒輪傳遞到垂直轉(zhuǎn)桿，進而帶動預(yù)緊螺栓頂緊驅(qū)動環(huán)；當(dāng)管線脫離時，ROV操作垂直轉(zhuǎn)桿與預(yù)緊螺栓連接，使預(yù)緊螺栓和驅(qū)動環(huán)分離。該機構(gòu)優(yōu)點：可靠性高；缺點：（1）操作復(fù)雜，解鎖困難；（2）各零件間配合精度要求高。

圖12 螺栓預(yù)緊機構(gòu)Fig.12 Bolt pretightening mechanism

二次鎖緊機構(gòu)的設(shè)計應(yīng)用對于深水油氣作業(yè)十分關(guān)鍵，如何同時兼顧其工作的可靠性和操作的簡便性是其目前面臨的主要問題。國外連接器由于ROV控制技術(shù)先進多采用類型2鎖緊方式，中國由于設(shè)計水深較淺對二次鎖緊要求低多采用類型1，目前而言兩種方式各有優(yōu)勢，宜根據(jù)實際情況選用。

3.4 密封技術(shù)

水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器良好的密封性是其設(shè)計時的首要考慮因素。目前水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器普遍采用的密封方式有以下幾種[20-22],如圖13所示。

類型1：金屬透鏡墊密封，如圖13a所示，透鏡墊與管道接觸時，初始狀態(tài)為一環(huán)線，通過施加預(yù)緊力，使得環(huán)形線接觸變?yōu)榄h(huán)形帶狀接觸，實現(xiàn)密封。該方式優(yōu)點：（1）有效壓力區(qū)小；（2）接觸應(yīng)力高，易實現(xiàn)高壓密封；（3）透鏡墊球面和錐形密封面配合，可使接觸應(yīng)力相對均勻的分布；（4）對中自位性好。缺點：（1）當(dāng)介質(zhì)溫度劇變時，軸向補償能力差，易泄漏；（2）接觸面光潔度要求高，密封圈易損壞。

類型2：O型圈密封，如圖13b所示，利用O型圈極好的彈性變形能力，在較小的預(yù)緊力作用便可達到較好的密封要求。該方式優(yōu)點：（1）尺寸和溝槽已標(biāo)準(zhǔn)化，互換性強；（2）耐高溫，使用溫度范圍廣；（3）能自封，密封可靠性高。缺點：（1）密封比壓??；（2）對中要求高。

圖13 常用密封方式Fig.13 Typical sealing methods

除上述外，還有復(fù)合式密封結(jié)構(gòu)，例如由金屬透鏡墊和O型密封圈組合形成的復(fù)合密封，如圖14所示。此種結(jié)構(gòu)綜合了上述兩種密封方式的優(yōu)點，既有較好的對中性，又具有溫度補償能力和自緊性，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且對材料有更高要求。隨著油氣勘探走向深水，復(fù)合密封結(jié)構(gòu)將得到廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化以及選用更合適的密封材料將是提高連接器密封性能的關(guān)鍵。

圖14 復(fù)合密封結(jié)構(gòu)Fig.14 Composite sealing structure

4 結(jié) 語

從21世紀(jì)初以來，以哈爾濱工程大學(xué)為代表的一批科研單位對水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器進行了大量深入研究，初步實現(xiàn)了水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器主要關(guān)鍵技術(shù)的國產(chǎn)化設(shè)計。在此背景下，借鑒國外成熟產(chǎn)品設(shè)計思路，分析現(xiàn)有水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器及其關(guān)鍵技術(shù)，不斷完善優(yōu)化連接器結(jié)構(gòu)，最終設(shè)計出成熟的水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器產(chǎn)品，是當(dāng)前急需進行的工作。

（1）卡爪式連接器是目前較為理想的深水生產(chǎn)系統(tǒng)連接器類型，但其卡爪結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題尚待解決。同時國外卡爪式連接器連接迅速的原因之一是其ROV控制技術(shù)的成熟，連接器國產(chǎn)化的最終應(yīng)用需要有與其相關(guān)設(shè)備的國產(chǎn)化應(yīng)用作為支撐，否則將很難獲得市場。

（2）國外主要設(shè)備供應(yīng)商的相關(guān)產(chǎn)品往往具有優(yōu)異的密封性能，且能承受較高的壓力和水深，這和國外新型密封材料的發(fā)展息息相關(guān)。