MT-E50F深水鉆井隔水管終端接頭研制

羅 強(qiáng)，郭衛(wèi)華，楊 虎，楊紅剛，張彩瑩，鄭萬里，張 坤

（1.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721002；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721002；3.中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 廊坊065201）①

隔水管終端接頭是深水鉆井隔水管系統(tǒng)下部組件（Lower Marine Riser Package，LMRP）的組成件，是隔水管單根與隔水管下部撓性接頭間的過渡連接件，主要為隔水管系統(tǒng)節(jié)流／壓井管線和輔助管線提供終端出口，并向隔水管串內(nèi)補(bǔ)充泥漿。目前，國外隔水管終端接頭主要生產(chǎn)廠家為美國國民油井（NOV）、Dril-Quip、mhwirth、GE 等公司［1-3］，可 生產(chǎn)各種載荷級(jí)別的隔水管終端接頭，其產(chǎn)品性能可靠、技術(shù)成熟，但價(jià)格昂貴。目前國內(nèi)使用的鉆井隔水管系統(tǒng)所用終端接頭均為國外進(jìn)口。寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱寶石機(jī)械）自2007年開始對(duì)鉆井隔水管終端接頭進(jìn)行研究，于2018年成功開發(fā)了額定載荷為8 896 k N 的MT-E50F 型深水鉆井隔水管終端接頭。

1 隔水管終端接頭技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

MT-E50F型隔水管終端接頭主要由主管體總成、節(jié)流／壓井管線總成、泥漿增壓管線總成、液壓管線總成、支承架、液控閘閥、直角接頭、插接法蘭等組成，如圖1所示。

圖1 MT-E50F型隔水管終端接頭結(jié)構(gòu)示意

MT-E50F型隔水管終端接頭上部采用額定載荷級(jí)別為E 級(jí)的法蘭式隔水管接頭，保證了MTE50F型隔水管終端接頭與法蘭式深水鉆井隔水管系統(tǒng)具有良好的連接互換性；終端接頭下部通過API法蘭與下部撓性接頭連接。MT-E50F 型隔水管終端接頭主管體整體鍛造焊接而成，承載性能好［4］；節(jié)流／壓井管線總成與液壓管線總成出口與終端接頭主管體總成呈45°，由角接頭和API Spec 6A標(biāo)準(zhǔn)法蘭焊接而成。在MT-E50F 型隔水管終端接頭主管總成管壁上設(shè)計(jì)了馬鞍形入口，泥漿增壓管線總成通過直角接頭和插接焊接于主管體總成，馬鞍形入口內(nèi)的插接法蘭使隔水管串單根外圍的泥漿增壓管線與隔水管串主管體相通，保證了終端接頭主管體總成整體鍛造結(jié)構(gòu)，并在直角接頭與泥漿增壓管線總成之間配置了具有失效保護(hù)機(jī)制的進(jìn)口水下液控閘閥，用于打開與關(guān)閉泥漿增壓管線與隔水管串主管體間的通道。

1.2 工作原理

MT-E50F型隔水管終端接頭作為隔水管LMRP的組成部分，與隔水管下部撓性接頭等隔水管LMRP組成件預(yù)安裝在一起，采用隔水管運(yùn)行工具連接下放或拆卸回收。MT-E50F 型隔水管終端接頭的節(jié)流／壓井管線總成通過高壓軟管或鋼制彎管跨接管線與BOP組連接，進(jìn)行壓井和節(jié)流操作，液壓管線總成以同樣的方式與水下BOP 控制系統(tǒng)連接，為BOP控制系統(tǒng)提供液壓源。如圖2所示。

圖2 MT-E50F型隔水管終端接頭工作原理示意

正常鉆井時(shí)，鉆井液泵入中空的鉆桿，用來冷卻和潤滑鉆頭，并攜帶鉆屑沿著隔水管串與鉆桿間的環(huán)空返回鉆臺(tái)面，返回的泥漿在鉆臺(tái)面進(jìn)行分離重新利用，此時(shí)，泥漿增壓管線內(nèi)被泵入額外的鉆井泥漿，在彈簧的作用下，該泥漿增壓管線總成的水下液控閘閥處于常開狀態(tài)，泥漿通過MT-E50F 型隔水管終端接頭主管體進(jìn)入隔水管串與鉆桿間的環(huán)空，沖刷鉆屑返回鉆臺(tái)面，并防止泥漿堵塞隔水管管串。MT-E50F型隔水管終端接頭的水下液控閘閥具有失效保護(hù)機(jī)制，采用液控和ROV 雙重控制方式。當(dāng)需要進(jìn)行隔水管串的密封測(cè)試或其他情況時(shí)，可通過液壓或ROV 關(guān)閉液控閘閥，其中液壓控制的液壓源來自隔水管LMRP控制系統(tǒng)。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 等強(qiáng)度螺栓連接

隔水管接頭具有承載大、螺栓螺紋易損失效特點(diǎn)。根據(jù)螺栓受力特性，螺母采用錐面偏心結(jié)構(gòu)，可防止終端接頭螺栓、螺母脫落［5］。該結(jié)構(gòu)保證了終端接頭承載可靠性，實(shí)現(xiàn)了螺栓螺母等強(qiáng)度承載，提高了上接頭螺栓、螺母承載能力及螺栓使用壽命。MT-E50F型隔水管終端接頭等強(qiáng)度螺栓結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 高壓動(dòng)態(tài)密封

MT-E50F型隔水管終端接頭的節(jié)流／壓井管線密封壓力達(dá)69 MPa，液壓管線工作壓力20.7 MPa，泥漿增壓管線工作壓力34.5 MP。MT-E50F 型隔水管終端接頭須密封內(nèi)部泥漿、外部海水等，要求其密封具備高可靠性。同時(shí)由于波浪、流、溫度變化等載荷的作用，導(dǎo)致節(jié)流／壓井管線和輔助管線在終端接頭和隔水管單根間發(fā)生彎曲變形，造成節(jié)流／壓井管線和輔助管線公接頭、母接頭間偏心磨損，進(jìn)而造成密封失效。為此，MT-E50F型隔水管終端接頭上部與隔水管單根間采用大尺寸螺紋連接式密封襯套和雙向組合式密封圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證了隔水管串工作過程中的泥漿有效循環(huán)；終端接頭與隔水管單根間節(jié)流／壓井管線和輔助管線采用雙道徑向插接耐磨密封設(shè)計(jì)；節(jié)流／壓井管線和泥漿管線母頭與公頭分別采用堆焊與噴焊耐磨性材料技術(shù)，既實(shí)現(xiàn)了節(jié)流／壓井管線和輔助管線高壓動(dòng)態(tài)耐磨密封，又保證了安裝方便、連接迅速。

圖3 等強(qiáng)度螺栓連接示意

2.3 高強(qiáng)度厚壁管體全熔透對(duì)接環(huán)焊技術(shù)

MT-E50F型隔水管終端接頭主管體位于隔水管串主承載路徑上，為保證終端接頭高承載能力和焊縫疲勞壽命，主管體總成采用高強(qiáng)度厚壁管型鍛件焊接而成，并且鍛件間焊縫須全熔透。由于主管體內(nèi)徑較小，無法在主管體內(nèi)施焊，手工電弧焊效率低、對(duì)焊工操作技術(shù)要求高等缺點(diǎn)，宜采用自動(dòng)焊接方法。通過對(duì)比分析埋弧焊（SAW）、氣體保護(hù)焊（GMAW）和鎢級(jí)氬弧焊（TIG）等自動(dòng)焊焊接熱影響區(qū)、自動(dòng)化程度、表面質(zhì)量、殘余應(yīng)力、焊接速度等特點(diǎn)，并進(jìn)行V 型、U 型坡口與焊接方法匹配工藝試驗(yàn)及工藝參數(shù)與焊縫質(zhì)量、效率的對(duì)比評(píng)價(jià)，最終確定了具有電弧能量集中、熱影響區(qū)小、易熔透、效率高等優(yōu)勢(shì)的TIG 全位置自動(dòng)焊接方法，保證了MT-E50F型隔水管終端接頭主管體的焊接質(zhì)量。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證MT-E50F型隔水管終端接頭軸向承載性能、承壓、密封性能及連接互換性，根據(jù)API Spec 16F規(guī)范要求，進(jìn)行額定載荷拉伸、壓力試驗(yàn)［6-13］。

3.1 額定載荷拉伸試驗(yàn)

按照API Spec 16F規(guī)范要求，在20 000 k N 提升設(shè)備靜載試驗(yàn)裝置上進(jìn)行了MT-E50F型隔水管終端接頭8 896 k N 額定載荷拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)中載荷施加至8 902 k N，保持10 min，并對(duì)該接頭的高應(yīng)力區(qū)域和低應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果未超過材料的設(shè)計(jì)許用強(qiáng)度；試驗(yàn)后上法蘭、下法蘭、焊縫等關(guān)鍵承載部位磁粉探傷，滿足API Spec16F規(guī)范要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，MT-E50F型隔水管終端接頭滿足靜載工作要求，高強(qiáng)度厚壁管體TIG 全位置熱絲脈沖焊接工藝可靠，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 壓力試驗(yàn)

壓力試驗(yàn)中，MT-E50F型隔水管終端接頭上接頭與同型號(hào)隔水管單根公接頭端連接，終端接頭下接頭與下部撓性接頭連接，采用試驗(yàn)工裝封堵隔水管單根、下部撓性接頭和節(jié)流／壓井管線和輔助管線，連接過程中，MT-E50F 型隔水管終端接頭的上法蘭、節(jié)流／壓井管線總成、泥漿增壓管線總成和液壓管線總成與法蘭式深水鉆井隔水管單根和下部撓性接頭各接口能應(yīng)自由裝入，具有良好的互換性。MT-E50F型隔水管終端接頭與隔水管單根連接后，采用國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心的400 MPa靜水壓試驗(yàn)裝置對(duì)MT-E50F型隔水管終端接頭主管體、節(jié)流／壓井管線、泥漿增壓管線和液壓管線分別進(jìn)行了1.5倍和1倍額定工作壓力的靜水壓強(qiáng)度試驗(yàn)和密封試驗(yàn)。按照API Spec 16C 規(guī)范要求，試驗(yàn)時(shí)逐級(jí)升至試驗(yàn)壓力，第1 次穩(wěn)壓3 min，第2次穩(wěn)壓15 min，MT-E50F 型隔水管終端接頭各試壓部件在穩(wěn)壓期內(nèi)無泄露，無異常響聲，無可見變形，在穩(wěn)壓期內(nèi)壓力變化應(yīng)小于試驗(yàn)壓力的5%或3.45 MP（500 psi），試驗(yàn)后焊縫的無損檢測(cè)滿足API Spec 16F 規(guī)范要求，表明MT-E50F 型隔水管終端接頭高壓動(dòng)態(tài)密封設(shè)計(jì)可靠，滿足深水鉆井使用要求。

4 結(jié)論

1） MT-E50F型深水鉆井隔水管終端接頭遵循API Spec 16F、API Spec 16C 規(guī)范，采用等強(qiáng)度螺栓連接、雙道徑向插接耐磨密封設(shè)計(jì)、高強(qiáng)度厚壁管體全熔透對(duì)接焊接等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，解決了深水隔水管終端接頭高承載、高壓動(dòng)態(tài)密封等難題。

2） 該裝置軸向載荷拉伸試驗(yàn)和靜水壓試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，表明高強(qiáng)度厚壁管體全熔透焊接工藝和雙道徑向插接耐磨密封設(shè)計(jì)等滿足深水鉆井使用要求，與法蘭式深水鉆井隔水管系統(tǒng)具有良好的配套，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。