深水水平連接器壓力帽裝置研制

(1.南陽(yáng)二機(jī)石油裝備集團(tuán)股份有限公司，河南 南陽(yáng) 473006；2.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028 ；3.西南油氣田物資分公司 蘇里格項(xiàng)目部，成都 610017)①

壓力帽作為深水連接器的一個(gè)重要部件，其主要作用是封堵連接器轂座，保護(hù)密封區(qū)域[1]。深水連接器從連接結(jié)構(gòu)上分，可分為套筒式連接器和卡箍式連接器兩類[2]，水平連接器通常采用套筒式連接器。深水水平套筒式連接器是深水油氣安全生產(chǎn)的重要保證[3-4]。深水水平連接器壓力帽技術(shù)被國(guó)外壟斷，連接器面臨著安裝困難等問(wèn)題[5]。目前使用的深水水平連接器壓力帽裝置主要是機(jī)械卡箍式和液壓驅(qū)動(dòng)式兩種，這兩種壓力帽裝置均存在缺點(diǎn)。機(jī)械卡箍式壓力帽裝置安裝使用復(fù)雜且使用和維護(hù)成本高；液壓驅(qū)動(dòng)式壓力帽裝置使用和維護(hù)成本高。機(jī)械卡箍式壓力帽裝置需要配一套專用的安裝工具，并且安裝程序比較復(fù)雜，使用成本高；液壓驅(qū)動(dòng)式壓力帽裝置安裝對(duì)接和鎖緊需要一套專用的液壓系統(tǒng)，液壓閥件長(zhǎng)期處于海底，液壓閥件的防腐成本高。

為打破國(guó)外壟斷，形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，由中海油研究總院牽頭，南陽(yáng)二機(jī)石油裝備集團(tuán)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱南陽(yáng)二機(jī)集團(tuán))作為承擔(dān)單位，承擔(dān)了國(guó)家重大專項(xiàng)子課題項(xiàng)目——水下連接器和安裝工具工程樣機(jī)優(yōu)化及配套設(shè)備研制，其中深水水平連接器壓力帽裝置是該項(xiàng)目的研制目標(biāo)之一。深水水平連接器壓力帽裝置能夠用于深水水平連接器轂座端口封堵，并且性能可靠，操作簡(jiǎn)單快捷，對(duì)中準(zhǔn)確性高，對(duì)接效率和鎖緊效率高，使用成本低。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，深水水平連接器壓力帽裝置采用水平套筒式結(jié)構(gòu)，主要由排氣系統(tǒng)和壓力帽主體兩部分組成。水下油氣生產(chǎn)管匯組管道內(nèi)部充裝介質(zhì)時(shí)，排氣系統(tǒng)主要用于對(duì)管道內(nèi)部氣體進(jìn)行排放；壓力帽主體用于壓力帽裝置對(duì)水平連接器轂座的封堵；排氣系統(tǒng)和壓力帽主體固定為一個(gè)整體。壓力帽裝置中接頭和管線采用不銹鋼材質(zhì)，其余金屬部件采用特殊防腐工藝防腐處理，延長(zhǎng)設(shè)備的使用周期，降低后期防腐維護(hù)成本。圖2為壓力帽裝置總裝三維圖。

1.2 技術(shù)參數(shù)

適用連接器類型 水平套筒式連接器

最大工作壓力 34.5 MPa

最大工作水深 1 500 m

設(shè)計(jì)溫度 -18～121 ℃

適用管匯管徑 304.8 mm(12英寸)

鎖緊形式 機(jī)械鎖緊

密封類型 非金屬雙密封

圖1 壓力帽總裝示意

圖2 壓力帽總裝三維示意

1.3 排氣系統(tǒng)

如圖3所示，排氣系統(tǒng)主要由操作面板、球閥、熱刺接頭、接頭和管線等部件組成。排氣系統(tǒng)通過(guò)接頭和管線同壓力帽主體中密封軸的排氣孔連通，通過(guò)操作兩通球閥實(shí)現(xiàn)排氣系統(tǒng)的通斷，把管道內(nèi)部的氣體通過(guò)熱刺接頭排放掉。

圖3 排氣系統(tǒng)

1.4 壓力帽主體

如圖4所示，壓力帽主體主要由導(dǎo)向座、連接盤(pán)、驅(qū)動(dòng)環(huán)、導(dǎo)向環(huán)、密封軸、導(dǎo)向塊、鎖緊機(jī)構(gòu)、擋銷、驅(qū)動(dòng)板等部件組成。壓力帽主體設(shè)置在導(dǎo)向座上，且沿水平連接器導(dǎo)向柱水平移動(dòng)，位于水平連接器轂座的前方。通過(guò)水平連接器安裝工具實(shí)現(xiàn)壓力帽裝置對(duì)水平連接器轂座的封堵以及壓力帽的拆卸。

圖4 壓力帽主體

1.5 工作原理

壓力帽裝置對(duì)水平連接器轂座的封堵以及壓力帽裝置的拆卸均通過(guò)水平連接器安裝工具實(shí)現(xiàn)。壓力帽裝置對(duì)水平連接器轂座的封堵過(guò)程分為如下幾個(gè)階段：

1) 通過(guò)吊裝機(jī)構(gòu)將壓力帽裝置吊裝至水平連接器的底座上；同時(shí)將連接器安裝工具安裝于連接器的底座上。

2) 安裝工具的驅(qū)動(dòng)環(huán)板推動(dòng)壓力帽裝置向連接器轂座方向運(yùn)動(dòng)，連接器導(dǎo)向柱穿入壓力帽導(dǎo)向座下部的導(dǎo)向孔內(nèi)，完成壓力帽裝置與連接器轂座的粗對(duì)中。

3) 壓力帽裝置繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，連接器轂座伸入壓力帽導(dǎo)向環(huán)內(nèi)，壓力帽密封軸及其端部的導(dǎo)向塊伸入連接器轂座的中心孔內(nèi)完成壓力帽裝置與連接器轂座的精對(duì)中，并且對(duì)連接器轂座的中心孔進(jìn)行密封。

4) 利用ROV將壓力帽驅(qū)動(dòng)環(huán)上的擋銷拔掉，連接器轂座的端部頂住壓力帽連接盤(pán)使其向壓力帽裝置的方向運(yùn)動(dòng)，完成壓力帽裝置與連接器轂座的對(duì)接。在壓力帽驅(qū)動(dòng)環(huán)和導(dǎo)向環(huán)及鎖緊機(jī)構(gòu)的作用下，完成壓力帽裝置與連接器轂座的鎖緊。

5) 利用ROV將擋銷插入壓力帽驅(qū)動(dòng)環(huán)和連接盤(pán)的插孔內(nèi)，對(duì)壓力帽驅(qū)動(dòng)環(huán)進(jìn)行機(jī)械限位，防止驅(qū)動(dòng)環(huán)意外解鎖。

6) 利用吊裝機(jī)構(gòu)將連接器安裝工具吊離連接器底座。

壓力帽裝置的拆卸過(guò)程和封堵過(guò)程相反，過(guò)程如下：

1) 用吊裝機(jī)構(gòu)將連接器安裝工具吊裝于連接器底座上；利用ROV拔掉驅(qū)動(dòng)環(huán)上的擋銷。

2) 安裝工具上的驅(qū)動(dòng)環(huán)板推動(dòng)壓力帽裝置解鎖；利用ROV將擋銷插入驅(qū)動(dòng)環(huán)的插孔內(nèi)。

3) 安裝工具的驅(qū)動(dòng)環(huán)板繼續(xù)推動(dòng)壓力帽向遠(yuǎn)離連接器轂座的方向運(yùn)動(dòng)直至到達(dá)安裝位置，完成壓力帽裝置的拆卸。

4) 用吊裝機(jī)構(gòu)將安裝工具和壓力帽裝置分別吊離水平連接器的底座。

2 關(guān)鍵技術(shù)和主要特點(diǎn)

現(xiàn)有深水水平連接器壓力帽裝置存在對(duì)中困難，對(duì)接效率和鎖緊效率低，設(shè)備成本和使用成本高等問(wèn)題。研制的壓力帽裝置對(duì)中準(zhǔn)確性高，對(duì)接效率和鎖緊效率高，并且壓力帽裝置對(duì)水平連接器轂座的封堵以及壓力帽裝置的拆卸均通過(guò)水平連接器安裝工具實(shí)現(xiàn)，不需要配置專用的安裝工具，使用成本低。

1) 壓力帽裝置的設(shè)計(jì)尺寸與水平連接器安裝工具相匹配，壓力帽裝置的驅(qū)動(dòng)板與水平連接器安裝工具的驅(qū)動(dòng)環(huán)板相匹配，安裝工具驅(qū)動(dòng)環(huán)板推動(dòng)壓力帽裝置的驅(qū)動(dòng)板完成壓力帽裝置與水平連接器轂座的對(duì)接和鎖緊以及壓力帽裝置的拆卸，不需要配置專用的安裝工具。

2) 壓力帽裝置導(dǎo)向座下部設(shè)置有導(dǎo)向孔，通過(guò)導(dǎo)向孔與連接器導(dǎo)向柱的配合，完成壓力帽裝置與連接器轂座的粗對(duì)中。壓力帽裝置導(dǎo)向環(huán)內(nèi)端部設(shè)置為導(dǎo)向錐面，方便壓力帽裝置與連接器轂座外圓面進(jìn)行精對(duì)中，通過(guò)導(dǎo)向環(huán)內(nèi)圓面和連接器轂座外圓面的配合完成壓力帽裝置與連接器轂座的精對(duì)中。采用粗對(duì)中和精對(duì)中的兩種對(duì)中結(jié)構(gòu)，提高對(duì)中準(zhǔn)確性和對(duì)接效率。

3) 密封性能的優(yōu)劣直接影響并決定整個(gè)海洋石油開(kāi)采系統(tǒng)的安全性和可靠性[6]。壓力帽裝置密封軸上設(shè)置兩道非金屬密封環(huán)，與連接器轂座密封面接觸并形成密封環(huán)帶，保證管匯管道內(nèi)壓力不外泄。密封軸端部的導(dǎo)向塊采用塑料材料，且其端部周向倒角，在密封軸與連接器轂座的端口對(duì)接過(guò)程中，起到導(dǎo)向和保護(hù)密封面的作用。

4) 壓力帽裝置的連接盤(pán)將密封軸及導(dǎo)向環(huán)連成整體，保證其同軸度。

5) 壓力帽裝置導(dǎo)向環(huán)的周向開(kāi)有徑向?qū)蚩?，?dǎo)向孔內(nèi)設(shè)置有機(jī)械鎖緊機(jī)構(gòu)，將連接器轂座鎖緊；鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)置有導(dǎo)向板和復(fù)位彈簧，提高鎖緊效率和解鎖效率。

6) 所有水下生產(chǎn)設(shè)施的安裝、操作等均需通過(guò)ROV輔助進(jìn)行，ROV得到廣泛應(yīng)用[7-10]。壓力帽裝置驅(qū)動(dòng)環(huán)的周向開(kāi)有徑向插孔，插孔內(nèi)插設(shè)擋銷，擋銷端部設(shè)置有ROV夾持把手，ROV可以獨(dú)立插拔擋銷，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)環(huán)的機(jī)械限位，防止驅(qū)動(dòng)環(huán)意外解鎖。

7) 關(guān)鍵部件采用特殊防腐工藝，提高設(shè)備在深海中的耐腐蝕性，延長(zhǎng)設(shè)備的使用周期，降低后期防腐維護(hù)成本。

3 性能驗(yàn)證

3.1 壓力帽主體金屬件有限元計(jì)算

壓力帽裝置主體金屬件按52 MPa的試驗(yàn)內(nèi)壓和15 MPa的海水外壓進(jìn)行有限元計(jì)算。其中，密封軸的內(nèi)腔及底面施加52 MPa的試驗(yàn)內(nèi)壓，其余裸露于海水的部分施加15 MPa的外壓。

壓力帽裝置主體金屬件的材質(zhì)為合金鍛鋼；彈性模量E=205 940 MPa，泊松比υ=0.27，密度ρ=7.75×103kg/m3，屈服應(yīng)力σs=835 MPa，極限應(yīng)力σb=985 MPa。

有限元應(yīng)力云圖分析結(jié)果如圖5所示，最大應(yīng)力值為537 MPa，小于材質(zhì)的屈服835 MPa，滿足強(qiáng)度要求；有限元位移云圖分析結(jié)果如圖6所示，最大位移值為0.705 mm，小變形不影響結(jié)構(gòu)的使用，在設(shè)計(jì)接受范圍內(nèi)。壓力帽主體金屬件設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足工況要求。

圖5 壓力帽主體金屬件應(yīng)力云圖

圖6 壓力帽主體金屬件位移云圖

3.2 非金屬密封環(huán)有限元計(jì)算

運(yùn)用ANSYS軟件模擬非金屬密封環(huán)受額定內(nèi)壓和外壓的作用，根據(jù)計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證其是否失效。非金屬密封環(huán)在承壓前先被壓縮，之后受到15 MPa的外壓和34.5 MPa的額定內(nèi)壓。通過(guò)有限元分析和建模得到非金屬密封環(huán)的在外壓工況下和在內(nèi)壓工況下的應(yīng)力圖。如圖7～8所示。 在密封環(huán)在擠壓受壓的情況下，最大接觸應(yīng)力(CPRESS)為26.38 MPa，大于海水外壓15 MPa。由有限元建模分析可知，非金屬密封環(huán)密封有效。密封環(huán)在擠壓受壓的情況下，最大接觸應(yīng)力(CPRESS)為48.2 MPa，而額定內(nèi)壓為34.5 MPa，48.2 MPa>34.5 MPa，由有限元建模分析可知，非金屬密封環(huán)密封有效。

圖7 外壓15 MPa下非金屬密封環(huán)接觸應(yīng)力

3.3 靜水壓試驗(yàn)

深水產(chǎn)品試驗(yàn)合格后方能用于水下生產(chǎn)，確保其在深海環(huán)境下的安全性和可靠性[8]。為了驗(yàn)證壓力帽裝置的性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)和技術(shù)協(xié)議及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求對(duì)壓力帽進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，靜水壓試驗(yàn)壓力為額定工作壓力的1.5倍，靜水壓試驗(yàn)的驗(yàn)收準(zhǔn)則為保壓期間無(wú)可見(jiàn)泄漏[9]。

圖8 內(nèi)壓34.5 MPa下非金屬密封環(huán)接觸應(yīng)力

2018-12，在南陽(yáng)二機(jī)集團(tuán)高壓試驗(yàn)室進(jìn)行壓力帽裝置的靜水壓試驗(yàn)，通過(guò)連接器安裝工具完成壓力帽與連接器轂座的對(duì)接和鎖緊，并插上限位銷，使用智能數(shù)控試壓系統(tǒng)對(duì)壓力帽進(jìn)行注水加壓。根據(jù)API Spec 17D的要求，靜水壓試驗(yàn)壓力為52 MPa，采用分級(jí)加壓的方式，初始試驗(yàn)壓力為2 MPa，每級(jí)遞增試驗(yàn)壓力的10%，直至加壓到52 MPa，除最后一次保壓15 min外，其它每級(jí)單獨(dú)保壓3 min。

然后把壓力降到零，再逐級(jí)加壓到52 MPa，并進(jìn)行保壓，保壓期間無(wú)可見(jiàn)泄漏，壓降不大于試驗(yàn)壓力的3%。

兩次保壓期間均無(wú)可見(jiàn)泄漏，壓降為0.2 MPa，壓降不大于試驗(yàn)壓力的3%，試驗(yàn)結(jié)果滿足性能指標(biāo)，滿足壓力帽裝置的工況要求。

4 技術(shù)創(chuàng)新

1) 壓力帽裝置對(duì)水平連接器轂座的封堵以及壓力帽裝置的拆卸均由水平連接器安裝工具完成，不用單獨(dú)配置安裝工具，設(shè)備成本及使用成本低。

2) 壓力帽裝置采用粗對(duì)中和精對(duì)中兩種對(duì)中結(jié)構(gòu)，對(duì)中準(zhǔn)確性高，對(duì)接效率高。

3) 壓力帽裝置操作方便快捷，工作效率高。

4) 壓力帽裝置密封可靠，設(shè)置有機(jī)械鎖緊和機(jī)械限位，性能可靠。

5) 壓力帽裝置鎖緊機(jī)構(gòu)的鎖緊效率和解鎖效率高。

5 結(jié)論

1) 研制開(kāi)發(fā)的深水水平連接器壓力帽裝置滿足工況要求，性能可靠，工作效率高，設(shè)備成本及使用成本低。

2) 通過(guò)有限元計(jì)算和靜水壓試驗(yàn)的驗(yàn)證，壓力帽裝置的性能指標(biāo)達(dá)到了項(xiàng)目預(yù)期要求。

3) 壓力帽裝置的研制可為后期深水水平連接器壓力帽裝置的工程應(yīng)用和國(guó)產(chǎn)化提供有力的技術(shù)支持。