唐洋;张中根;易典学;刘佩松;安家伟
【摘 要】水下生产系统是深水油田和边际油田开发的一种主流模式.水下生产系统连接器是水下生产系统中将海底井口、采油树系统、管汇系统及水下控制系统进行连接的装置,因而其是构建完整水下生产系统的关键装置之一.为了进一步推进水下生产系统连接器的国产化进程,在调研其国内外研究现状的基础上,对卡爪式、卡箍式以及螺栓法兰3大主要连接器的结构特点和功能原理进行了简要概述,并对其特性进行了比较分析;同时,通过分析3类连接器的典型产品,总结了相关产品技术上所具有的共性,并揭示相关技术的发展趋势;最后,结合以上分析,总结了水下生产系统连接器的定位对中、锁紧和密封等关键技术,并明确了研发的难点所在.通过对现有水下生产系统各类连接器及其关键技术进行分析,可为突破其技术难点,实现其国产化提供建议和明确方向. 【期刊名称】《西南石油大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2019(041)003mlat
【总页数】9页(P160-168)
【关键词】水下生产系统;连接器;定位对中;锁紧;密封
【作 者】唐洋;张中根;易典学;刘佩松;安家伟
【作者单位】西南石油大学机电工程学院,四川成都610500;西南石油大学机电工程学院,四川成都610500;西南石油大学机电工程学院,四川成都610500;西南石油大学机电工程学院,四川成都610500;西南石油大学机电工程学院,四川成都610500
地球物理学会【正文语种】中 文
【中图分类】halinTE953
引 言
随着中国对深水油气资源勘探步伐逐步加快，将大量进行深水水下油气集输作业。水下生产系统可以避免建造昂贵的海上采油平台，节省建设投资，且可靠性高，因此，水下生产系统结合固定式平台、浮式生产平台等设施组成的海上油田开发形式将得到广泛应用。水
下生产系统的核心装备和技术被美国、挪威、巴西等国家掌握，并广泛地应用于北海、西非、巴西、爱尔兰等深水油气田，积累了大量经验。与国外相比，中国主要集中在300 m以内的浅海，水下生产系统相关装备和技术还落后于国外先进水平[1]。
典型的水下生产系统由水下控制系统、水下采油树、水下井口、脐带缆、水下管汇以及跨接管等组成。水下生产系统连接器是实现水下设备、装置及其控制系统等过程串接的“纽扣”，是保障水下生产系统可靠性、系统性和安全性的关键结点[2]。因此，水下生产系统连接器相关技术是海洋油气资源勘探开发的一项核心技术。从20世纪60年代开始，世界各海洋大国加快了水下工程技术的研发速度，水下生产系统连接器得到迅猛发展。国外的几大主要石油装备制造商FMC、Oil States以及Cameron等经过多年技术攻关，已经拥有种类多样的水下生产系统连接器产品，且拥有在不同作业环境下实际运用的丰富经验，但其仅提供服务不出售产品，长期对外实行技术封锁。
中国在海洋油气开采方面起步较晚，相关生产设备长期依赖国外公司提供，耗资巨大。仅中国第一个深水气田LW3-1项目所需的水下生产系统连接器数量就超过88套，全部由Cameron公司提供[3]。到21世纪初，随着中国加大对海洋油气装备研发的投入，以哈尔滨
工程大学、中国石油大学和中海油研究总院为代表的一批科研院所，对水下生产系统连接器开展了大量研究设计工作，并取得了一定的研究成果。但是对用于深水油气集输的水下生产系统，尤其是水下生产系统连接器，中国尚未完全掌握其核心技术，也未形成具有竞争力的核心产品。在当前中国大力发展深水油气资源勘探开发的背景下，深入了解、掌握水下生产系统连接器结构、功能和特性；梳理水下生产系统连接器关键技术及当前技术难点和问题，旨在为下一步的技术突破和国产化研究提供指导及方向。
1 水下生产系统连接器的类别及其特性
1.1 水下生产系统连接器类别
水下生产系统连接器大致可以分为3类：卡爪式连接器，卡箍式连接器以及螺栓法兰式连接器，其各自在结构、功能、原理上有较大区别[4]。
（1）卡爪式连接器
卡爪式连接器是垂直连接和超深水连接的主要类型，其结构如图1所示。卡爪式连接器主要通过特殊设计制造的卡爪周向均匀地抓合在管端毂座上，再由驱动环驱动其锁紧上、下毂
座，在上毂座、密封圈和下毂座间形成有效密封，实现管线连接。
图1 卡爪式连接器Fig.1 A collet connector
（2）卡箍式连接器
卡箍式连接器常用于水平连接，其主要由上法兰连接体和下法兰连接体两部分组成，主体部分位于上法兰连接体内，其结构如图2所示。
图2 卡箍式连接器主体部分示意图Fig.2 The main part of clamp connector schematic
卡箍式连接器主要通过锁紧螺栓提供预紧力，使卡箍爪和对接管线的凹槽啮合锁紧，从而使密封圈变形、被压入公端芯轴外表面，实现密封连接。
（3）螺栓法兰式连接器
螺栓法兰式连接器主要用于浅水连接，其结构如图3所示。螺栓法兰式连接器直接通过锁紧螺栓提供预紧力，当用于浅水时一般由潜水员操作螺栓进行对中锁紧，但当水深超过650 m的极限潜水深度时，需通过复杂的连接系统对中连接，其深水连接技术仅被少数石油设
备供应商掌握。我的兵之初
图3 螺栓法兰式连接器Fig.3 A bolt flange connector
1.2 水下生产系统连接器特性分析
螺栓法兰式连接器最早用于陆地连接，标准化程度高，设计制造较易，是浅水连接的最佳选择。但对于深水连接，其对中复杂、可靠性不高等劣势逐渐凸显。卡箍式连接器借鉴了螺栓法兰式采用螺栓提供预紧力，同时采用瓣式结构和卡箍爪设计，减少螺栓的数量，使连接对中相对容易，结构更加紧凑，但其螺栓连接导致的对中困难、可靠性差的问题依然存在。
为了满足深水作业快速连接的需要，卡爪式连接器在卡箍式连接器的基础上重新设计了卡箍爪，同时采用驱动环代替锁紧螺栓，使其可靠性增加，且其多带有导向机构，对中误差容忍度高，连接速度更快。但目前卡爪式连接器卡爪结构复杂，标准化程度低是其面临的主要问题。为了下一步水下生产系统连接器的相关研究，表1对3种主要连接器的特性进行了比较分析，为其设计选型提供参考[5-9]。
表1 水下生产系统连接器特性分析Tab.1 Analysis of connector characteristics of subsea production system______类别__________________________________________________________________________________________________________________________优点_缺点_区别螺栓法兰式连接器（1）应用范围广，技术成熟；（2）标准化程度高，设计制造容易，成本低；（3）安装过程可视化程度高。（1）定位对中要求精度高，安装与拆卸相对困难；（2）螺纹易松动，可靠性差；（3）深水螺栓法兰式连接器体积庞大，技术复杂。螺栓直接提供轴向密封力。卡箍式连接器（1）结构紧凑，总体成本低；（2）功能多样，适用范围广，既可用于跨接管又可用于海底电缆的连接；（3）对连接工具要求低。（1）定位对中误差忍受度低，安装效率低；（2）不易直接远程控制解锁；（3）所用螺栓少，但松动对连接器性能影响大。（1）卡箍爪和螺栓提供密封力；（2）瓣式结构。卡爪式连接器（1）对中误差容忍度高，连接快速，安装效率高；（2）可靠性高；（3）ROV 操作____________________________________________________友好，可用安装工具多。（1）设计和加工困难，成本高；（2）结构复杂，维修更换困难；（3）水平连接易导致卡爪松动，密封性差；_______________________________（1）无螺栓连接；（2）一般不适用于标准法兰端口连接。__________
2 水下生产系统连接器典型产品分析
目前，世界范围内拥有水下生产系统连接器成熟产品且掌握核心技术的公司主要有美国的FMC、Cameron和Oil States以及挪威的AkerSolutions等，中国尚无相关公司。通过分析3类主要连接器的典型产品，阐述相关产品技术上具有的共性，揭示相关技术的发展趋势，为其国产化设计提供指导。
2.1 卡爪式连接器典型产品分析
在众多卡爪式连接器供应商中，FMC的技术极为先进，其代表产品KC-4型连接器具有毂座结构简单、力矩平衡指细长、驱动环和卡爪配合良好、自锁效果好等优点。同时KC-4型连接器采用的KX透镜密封圈[10]，为FMC公司为深水连接而设计的专用密封圈，其最高设计压力103.4 MPa，最大应用水深3 000 m。该密封圈形状可变，制造公差和对中误差能得到有效补偿，同时其采用的密封面不同区设计，使得在主密封区损坏后提供了后备密封能力[11-12]。
除FMC公司外，卡爪式连接器典型产品还有Cameron公司的立式可回收卡爪连接器以及Oil
States公司的Hydro Tech连接器，如图4、图5所示。Cameron公司该型卡爪式连接器用途广，对中误差容忍度高，但重量大，对遥控潜水器（Remote Operated Vehicle，ROV）的要求很高。Oil States公司的Hydro Tech连接器，可容纳7°的倾角误差，安装更为容易，同时在配套ROV全程协助下，仅30 min就可完成连接，但装置整体结构复杂，加工制造成本较高[13-14]。
图4 Cameron公司立式可回收卡爪连接器Fig.4 Vertical retrievable collet connector
图5 Hydro Tech连接器Fig.5 Hydro Tech connector
通过上述典型产品分析，相关产品具有以下共性[15]：（1）密封连接效果好。国外产品普遍采用自紧式金属密封，同时针对不同的作业环境对标准透镜密封圈进行了专用优化设计，密封效果得到较大提升。（2）对中连接速度快。国外产品普遍具有较好对中性能，这主要得益于其成熟的结构设计以及先进的ROV控制技术。
2.2 卡箍式连接器典型产品分析
FMC公司是最早研制卡箍式连接器的公司之一，图6为该公司早期的一款典型卡箍式连接
器，该连接器采用两瓣式卡箍结构，采用双螺栓提供径向密封力，相比当时主流连接器大大减少了螺栓的数量，安装更快速方便。与FMC公司产品结构不同，VECTOR公司卡箍式连接器则采用三瓣式结构，如图7所示。VECTOR公司该型连接器采用一根紧固螺栓连接，结构简单且连接迅速可靠，同时其采用的双球面密封圈，具有质量轻、密封效果好等特点[16-17]。
通过上述产品的分析可知，三瓣式卡箍结构设计由于建模容易、安装方便、受力均匀等优点，使其得到更为广泛的应用。其次，为实现快速连接，目前普遍采用一根锁紧螺栓锁紧，且对锁紧螺栓的锁紧方式均进行了不同程度的优化，使其更易操作，这是卡箍式连接器的必然发展趋势。
图6 FMC公司典型卡箍式连接器Fig.6 FMC typical clamp connector
图7 VECTOR公司典型卡箍式连接器Fig.7 VECTOR typical clamp connector
2.3 螺栓法兰式连接器典型产品分析
为了适应深水连接的需要，Acergy公司和Sonsub公司于20世纪90年代分别研发了针对深
水的螺栓法兰连接系统MATIS和BRUTUS。MATIS系统和BRUTUS系统功能上无太大区别，均能实现对孔、插入螺栓、拧紧螺母、预紧螺栓和放置密封垫圈等功能，且各功能模块均安装在一个框架内。同时深水法兰自动连接机具上均安装有浮力材料，且能通过ROV进行信息交换和动力传输，方便水下操作。上述连接器由于采用工业标准件，具有连接可靠、费用低、采购周期短等特点[16]。但是整套系统复杂，连接速度慢，对中要求高。
通过对典型产品的分析可知，相关产品具有以下共性[18]：
（1）模块化设计；
（2）工具库采用三瓣式开合结构；
（3）法兰连接螺栓采用双头螺柱；
可见短波红外高光谱相机（4）螺栓预紧采用液压螺栓拉伸器完成；
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