细长型井口回接连接器设计

高 攀，段梦兰，董 楠，潘晓东，曹 静，何 杨

（1.复旦大学力学与工程科学系，上海200433；2.中国石油大学海洋油气研究中心，北京102249；3.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；4.中海油研究总院，北京100027） ①

细长型井口回接连接器设计

高 攀1，段梦兰2，董 楠2，潘晓东3，曹 静4，何 杨3

（1.复旦大学力学与工程科学系，上海200433；2.中国石油大学海洋油气研究中心，北京102249；3.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；4.中海油研究总院，北京100027）①

井口回接连接器是顶部张紧立管的重要组成部分，对维持垂直通道的完整性有重要作用。介绍了细长型井口回接连接器的结构、工作原理、主要技术参数和原理样机的制造；计算了锁紧力和关键部件的强度。设计的细长型井口回接连接器用于连接顶部张紧立管和水下井口，具有尺寸小、安装方便、操作安全可靠等优点，适用于多种浮式平台，尤其是SPAR平台。

浮式开采平台；井口连接器；结构；技术指标

顶部张紧立管是目前深水油气开发中最常用的立管之一，其对平台稳定性要求较高，在深水中通常只能用于半潜式平台、张力腿平台和SPAR平台。顶部张紧立管包括张紧器系统、标准单根、特殊单根（龙骨单根、锥形应力单根等）和回接连接器等。回接连接器是顶部张紧立管系统的重要组成部分，用于连接顶部张紧立管和水下井口，同时承受巨大的压力、弯矩和拉伸载荷。回接连接器连接在锥形应

细长型井口回接连接器结构细长，可以顺利地通过平台下放，克服了传统井口回接连接器的缺点；可以承受较大的压力、弯矩和拉伸载荷，确保钻采生产的安全。随着我国对深水及超深水海域的钻探开发，越来越多的顶部张紧立管和井口回接连接器会被应用于半潜式钻井平台、张力腿平台和SPAR平台［1－2］。

1 总体方案及主体结构

1.1 总体方案

井口回接连接器主要用于连接顶部张紧立管和水下井口，维持垂直通道的完整性。井口回接连接器上端与顶部张紧立管通过法兰连接，通过平台上的垂直通道下放至海底与井口连接，在工作中承受巨大的压力、弯矩和拉伸载荷。顶部张紧立管对平台的运动性能要求较高，通常只适用于张力腿平台和SPAR平台。受自身尺寸限制，张力腿平台和SPAR平台的垂直通道尺寸有限，外径较大的回接连接器无法通过［3］。本文设计的细长型井口回接连接器外径更小，能够很好地适用于张力腿平台和SPAR平台。

设计的连接器主要结构均为圆柱筒状结构，如图1。连接器最内部是本体结构，本体上端的法兰盘与顶部张紧立管下端连接，内部与立管中空部分相通。连接器最外层为外壳结构，可以抵御海水的压力，下端设有喇叭口，在安装时起到一定的导向作用。外壳和本体之间为活塞筒，它与本体和密封环分别围成2个液压腔室，分别用于锁紧和解锁。位于活塞筒之下的是锁紧环，它是一个C形的开口环，是连接器的关键部件；锁紧环内壁加工有凹凸的槽，与井口外壁上的凹凸槽配合。本体下部配合有支撑环和支撑腿，用于支撑整个连接器，连接器和井口之间由金属密封环密封。

连接器上有2个液压通道，分别用于锁紧和解锁，如图1。当液压管1通入液压油，液压管2流出液压油时，活塞筒向下运动，驱动锁紧环向内收缩，卡在井口外壁上；反之，活塞筒向上运动，锁紧环向外弹开，解除锁定。除液压解锁外，解锁盘还可以实现机械式解锁，当解锁盘在ROV操作下向上运动时，可以通过螺栓带动活塞筒向上运动，从而进行解锁。

图1 细长型井口回接连接器结构

1.2 主体结构

主体结构包括本体和外壳2部分，本体是连接器的中心部分，提供立管到井口之间的通道，外壳保护连接器内部，抵御外部水压。

1.2.1 本体

连接器本体（如图2）上部有与立管连接的法兰，中部有带有通孔的大凸台，下部有凹槽与支撑环配合，下端部有与金属密封圈配合的内锥面。为与外壳配合，本体中部大凸台外表面加工螺纹（或加工螺纹孔，采用螺栓连接）。大凸台上有多个通孔，供解锁螺栓和液压管通过。本体中部的大凸台之下还有1个小凸台，用于和活塞筒构造液压腔，小凸台上加工有密封槽。

图2 连接器本体

1.2.2 外壳

外壳呈薄圆筒状，外径比本体稍大，上部有内螺纹与本体配合，下部有内凸台，下端呈喇叭口状。外壳承受巨大静水压力和拉伸载荷，需采用优质钢材制造。

1.3 锁紧和解锁机构

锁紧和解锁机构主要由活塞筒、锁紧环和解锁盘组成，用于实现连接器与井口之间的连接和断开。

1.3.1 活塞筒

活塞筒（如图3）呈空心筒状，主要用于驱动锁紧环收缩。活塞筒上端加工有多个螺纹孔，其中2个螺纹孔内加工有液压通道，其余螺纹孔与解锁螺栓连接。活塞筒内部中上部位有1个凸台，可与本体和密封环分别构建2个液压腔，凸台内壁加工有密封槽。活塞筒内部中下部位有1个内锥面，当活塞筒向下运动到一定位置后，此锥面能坐接于支撑腿外侧，起到限位作用。活塞筒下端还有1个锥面，此锥面能够与锁紧环外锥面配合，驱动锁紧环收缩。

图3 活塞筒

1.3.2 锁紧环

锁紧环（如图4）是一个C形的开口圆环，内壁加工有与井口外壁配合的凹凸槽，外壁分为上、下2段，中间斜面过渡，斜面与活塞筒下端内锥面配合。当活塞筒向下运动时，活塞筒下端锥面沿锁紧环外壁锥面运动，从而推动锁紧环向内收缩，使锁紧环的内壁卡入井口的外表面，实现与井口连接。当活塞筒向上移动，锁紧环外壁不再受到限制时，锁紧环自动弹开，实现与井口的断开。锁紧环必须具有良好的弹性，因此采用优质弹簧钢制造［4］。

图4 锁紧环

1.3.3 解锁盘

解锁盘（如图5）呈圆环状，为便于装配，由2个半圆环拼成。解锁盘分为上、下2部分，直径上部大、下部小，上部和下部之间形成1个台肩，以供ROV进行操作。解锁盘上有多个通孔，供解锁螺栓和液压管通过，液压管和解锁螺栓的下端与活塞筒连接。当液压解锁失效时，可利用ROV操作解锁盘向上运动，从而带动活塞筒向上运动，断开与井口的连接。

图5 解锁盘

2 初步计算与技术参数

主要包括锁紧力计算和关键部件的强度计算。井口回接连接器既承受上部立管对它的拉力，又承受内部压力、海水静载和海流的作用［5－6］。初步计算使用ABAQUS软件，考虑外部水压17MPa、内部压力34.5MPa（5 000psi）和拉伸载荷1 000kN。

在锁紧过程中，活塞筒所受作用力的变化如图6所示。由图6可见，锁紧过程最大作用力约为55 kN，由活塞筒内液压作用面积可换算出最大液压压力约为2.3MPa。正常工作时，在所有载荷的作用下，连接器的危险点位于锁紧环上，如图7。因此，锁紧环必须采用优质弹簧钢制造。

图6 连接器锁紧过程作用力

图7 C形锁紧环应力分析结果（MPa）

根据细长型井口回接连接器的设计和初步计算结果，确定其主要技术参数为：

安全工作载荷 1 000kN＋2.5MN·m

工作水深 1 700m

操作压力 5MPa

锁紧液量 1.1L

解锁液量 1.2L

最大外径 825.5mm（32.5英寸）

3 样机制造

以1∶2的比例制造的样机如图8。样机能够顺利地实现连接器的锁紧和解锁。在样机制造、试验过程中遇到了一些问题，但都得到解决，据此总结出了一些经验和教训。

1） 样机的筒状结构、单个零部件较重以及各个零部件之间的过渡、过盈配合使得装配过程耗时较长。

2） 样机活塞上的液压通道是由钻床钻通孔，之后焊接外部的工艺加工而成，其焊接质量极其重要。

3） 现场试验结果表明：C形环的锁紧效果明显，但是在解锁后回接连接器不能顺利地从井口上移除，经过拆卸发现C形环发生了轻微的塑性变形。分析表明：对C形环的材料选择以及热处理要求较高，若选择不当则不会达到预计的设计效果。

图8 细长型井口回接连接器原理样机

4 结论

1） 设计的细长型井口回接连接器结构细长，采用液压驱动，具有备用机械解锁装置。

2） 该连接器具有尺寸小、安装方便、操作安全可靠等优点，特别适用于垂直通道空间较小的平台。

3） 在后续工作中，应该对该井口回接连接器的密封性能进行深入的研究，提高其可靠性。

［1］ 赵洪山，刘新华，白立业.深水海洋石油钻井装备发展现状［J］.石油矿场机械，2010，39（5）：68－74.

［2］ O’Sullivan E J，Shilling R B，Conair A D，et al.Horn Mountain Spar Risers——Evaluation of Tension and Installation Requirements for Deepwater Dry Tree Risers［C］／／Houston：Offshore Technology Conference，2003.

［3］ Skeels H B，Johnson J B，Koleilat B M，et al.Development of a Novel Tieback Connector with High Mechanical Strength Capacity for Spar Floating Production Facilities and Their Production Risers［C］／／Houston：Offshore Technology Conference，1997.

［4］ 钢铁材料手册总编辑委员会.钢铁材料手册：第8卷［K］.北京：中国标准出版社，2004.

［5］ 兰洪波，张玉霖，菅志军，等.深水钻井隔水管的应用及发展趋势［J］.石油矿场机械，2008，37（3）：96－98.

［6］ 张宗峰，袁姗姗，张立平.隔水管快速接头有限元分析［J］.石油矿场机械，2009，38（6）：42－46.

Design of Slim Wellhead Tieback Connector

GAO Pan1，DUAN Meng－lan2，DONG Nan2，PAN Xiao－dong3，CAO Jing4，HE Yang3
（1.Department of Mechanics and Engineering，Fudan University，Shanghai 200433，China；2.Offshore Oil ＆Gas Research Center，China University of Petroleum，Beijing102249，China；3.Offshore Oil Engineering Company，Ltd.，Tianjin300451，China；4.CNOOC Research Institute，Beijing100027，China）

Wellhead connector is an important part of a top tensioned riser and plays a very important role in maintaining the integrity of the vertical access.In this paper，the general design and main components of the slim wellhead connector are provided；the working principle and technical parameters of the connector are introduced；the development of prototype is presented；the primary analysis and calculation are made；and the characteristics of the connector are discussed.The slim wellhead tieback connector provided is used for connecting a top tensioned riser and a subsea wellhead.The connector provided，which has many advantages like small size，convenient installation and reliable operation and so on，can be used for TTRs on several kinds of platforms，especially the SPAR platform.

floating production platform；wellhead connector；structure；technical index

1001－3482（2011）12－0029－04

TE952

A

2011－06－14

国家高技术研究发展计划（863计划）专项经费资助（2008AA09A105－01）

高 攀（1989－），男，河南南阳人，博士研究生，主要从事海洋石油装备力学方面的研究，E－mail：gaopan1989＠yahoo.cn。力单根下部（或制作为一个整体），由平台上的垂直通道下放至井口。由于平台整体尺寸限制，张力腿平台和SPAR平台的垂直通道尺寸较小。传统的井口回接连接器尺寸较大，难以适用于大尺寸的井口和立管。