深水水下连接器的对比与选择

董衍辉，段梦兰，王金龙，郭 宏

（1.中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京102249；2.复旦大学力学与工程科学系，上海200433；3.中海石油研究总院，北京100027） ①

深水水下连接器的对比与选择

董衍辉1，段梦兰1，王金龙2，郭 宏3

（1.中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京102249；2.复旦大学力学与工程科学系，上海200433；3.中海石油研究总院，北京100027）①

水下连接器的选择是水下生产系统设计的关键技术。把国外深水水下连接器产品分为3类，对比分析得到每一类连接器的特点和适用性。指出在水下连接器的选择中需要考虑的要点。介绍了Gemini气田水下生产系统中连接器的选择过程。

深水；水下连接器；分类；选择

水下生产系统是深水油气开发技术中不可缺少的一部分。它包括水下井口、采油树、管汇、PLET、PLEM等，这些设备可以将从各个井口产出的油气进行汇集，通过立管输送到平台。一些水下生产系统还具有油气处理设备，可以对油气进行简单的除砂、水分离等，使油气的输送更容易。水下生产系统的所有设备都要通过跨接管或海底管线连接在一起。

水下连接器用于跨接管与水下设备（管汇、采油树、PLET、PLEM等）的连接。浅水油气田水下设备的连接通常采用螺栓和法兰，并由潜水员进行连接。对于潜水员难以到达的深水油气田，只能依靠ROV（Remotely Operated Vehicle）。螺栓法兰的连接操作比较复杂，而且连接前的管道对中比较困难，ROV难以完成，因此需要专用的深水水下连接器。目前，国外已有多家公司具备了水下连接器的设计和制造技术，而且产品呈现多样化。由于我国深水油气的开发起步较晚，大多数的水下生产设备仍然需要进口，这其中就包括水下连接器。在当前大力发展深水油气的背景下，对水下连接器的深入调查研究是非常必要的。

1 水下连接器的特点及其适用性

国外水下连接器的生产公司包括FMC、Cameron、GE、Aker Solution和Oil States。根据调查结果，水下连接器可以从3个方面来分类：根据连接原理上，水下连接器可以分为套筒式连接器和卡箍式连接器2类；从连接方向分类，水下连接器可以分为垂直连接器和水平连接器2种；对于套筒式连接器，又可以根据驱动方法将其分为液压式和机械式2类。表1是对各生产商产品类型的调查整理结果。每一种分类方法中的2类水下连接器在功能特点和适用性上都有一定的差别，本文将详细地对比研究这些差别。

表1 水下连接器供应商产品类型调查结果

1.1 套筒式连接器与卡箍式连接器

套筒式连接器是目前应用比较广泛的水下连接器。图1a是一种典型的套筒式连接器，其连接原理是：将需要连接的跨接管端部（称之为上毂座）和采油树或管汇的接口（称之为下毂座）的凸缘用10～20个相同的卡爪（Collet Segments）扣在一起，采用液压动力驱动套筒（也叫驱动锁环Actuator Ring）沿卡爪外侧下滑，将围成1个圆周的所有卡爪箍紧，安装过程如图1b所示。

图1 垂直套筒式连接器

另一种是卡箍式连接器，应用相对较少。图2是比较典型的两瓣卡箍式连接器和三瓣卡箍式连接器。它的主体结构由相互铰接的两瓣或三瓣卡钳组成，并通过液压螺栓锁闭。液压螺栓可以由ROV携带相应的扭矩工具拧紧或开启。其连接原理是：上下毂座的凸缘对好之后，卡钳开始钳紧，卡住凸缘的2端，实现锁紧。

图2 卡箍式连接器

2种类型的连接器在工程上都具有超过20a的使用历史，而且都被证明是可靠的。从原理上分析，卡箍式连接器连接方法更简易，结构更简单。但结构的简单是以安装的复杂化为代价的。通常，卡箍式连接器经济性较套筒式连接器要好，但安装更费时。另外，在生产过程中如果需要给连接器增加保温层，选择卡箍式连接器可方便实施。北海的Gullfaks油田因为对承载能力的特殊需求，墨西哥湾的Gemini气田由于时间的紧迫性均选择了套筒式连接器；菲律宾的Malampaya气田由于可靠性和寿命的需要，墨西哥湾的Troika油田由于保温的需要都采用了卡箍式连接器［1］。

由于连接原理的差异，2种连接器有许多细节上的不同。表2对比了2种连接器的优缺点，其中的每项特点都可能影响油田选择连接器。

除了上面提到的2种原理的连接器外，FMC公司还开发了Torus连接器［3］，其原理类似于套筒式连接器；已被GE并购的VetcoGray公司设计了Mandrel连接器［4］，也是在套筒式连接器的基础上进行了一定的改进后得到的。

表2 套筒式连接器和卡箍式连接器对比

1.2 机械式连接器与液压式连接器

套筒式连接器分为机械式和液压式2种。其主要区别是驱动套筒的液压缸的位置不同，液压缸在连接器本体上，则称为液压式连接器（也被称为集成连接器）（如图3）；液压缸不在连接器上而是在安装工具上，则称为机械式连接器（也被称为非集成式连接器）（如图1a）。

图3 Oil States公司液压式套筒连接器

液压式连接器安装更快速，也免除了复杂的安装工具。但这是以可靠性的降低和单个连接器成本的升高为代价的。机械式连接器在连接安装完成后没有液压装置留在水下，可靠性更高，连接器本身的成本也较低。2种连接器的区别如表3。

1.3 垂直连接与水平连接

大多数类型的连接器都既能用作垂直连接，也能用作水平连接。某种特定形式的连接器的垂直和水平类型并没有显著区别，甚至是相同的，不同的是安装工具以及安装过程的难易程度和安装成本。垂直连接器的对中过程较简单，因而安装也更容易。

但是，连接器方向的选择不是孤立进行的，而是要和跨接管形式的选择一起来考虑。在某个工程开发中，要综合考虑海底地貌、安装复杂程度和成本等因素来决定跨接管、连接器的方向（水平或垂直）。由于垂直连接比水平连接更简单，业界习惯采用垂直刚性跨接管和垂直套筒式连接器连接2个水下设备，这是墨西哥湾工程实践的经验［5］。但这种经验并不一定适用于任何油气田。表4对比了垂直连接和水平连接的优缺点［6］。

表3 液压式连接器和机械式连接器的对比

表4 垂直连接和水平连接的比较

垂直连接和水平连接的安装过程最主要的不同是对中方法的差异。对于垂直连接，对中分为粗对中和精对中2步。粗对中的方法是：通过安装工具上的对中喇叭口，使安装工具的圆环（对中喇叭口的上方）套入下毂座的对中机构。精对中的方法是：利用止口结构的配合使上下毂座同轴，从而保证密封成功（如图4b）。垂直连接器的安装工具如图4a。

图4 垂直连接器安装工具与精对中结构

对于水平连接，通常有3种方法进行导向对中。

1） ROVCON，这种方法采用导向绳对中，也就是利用ROV慢慢收紧导向绳（另一端挂在毂座的两侧），使连接器渐渐靠近毂座并对中，如图5a。

2） STABCON，这种方法先进行垂直导向，通过垂直导向机构（一般为导向锥）使连接器对接到毂座的垂直接收装置上，然后利用ROV横向推进连接器实现对中，如图5b。

3） FMC公司最新设计的UCON连接系统。UCON相对其他的2种方法都更简易，它类似于STABCON，也是先通过垂直导向（采用一种导引槽）落在毂座总成的固定装置上，然后利用液压缸对连接器进行推进，如图6。

图5 FMC传统水平连接器安装方法

图6 FMC新型UCON水平连接器安装方法

2 水下连接器选择的影响因素及基本原则

水下连接器在整个水下生产系统投资中仅占了很小的一部分，但它的选择对生产系统的安装进度和总投资有很大的影响。因此，选择水下连接器首先考虑的不是连接器本身的成本，而是怎样使连接器更好地适合水下生产系统的其他设备并适应安装时间的要求。如果连接器的选择不合适，导致水下生产系统开始运行时无法正常生产，那么修复的成本是巨大的。

在水下连接器的选择中，没有明确的步骤可以遵循，但是在连接器选型时需要考虑对选型有影响的因素，并遵循一些基本原则。在实际选型中，一些油气田可能因为对某一项条件有特殊严格的要求，这一项就成为连接器选择的决定性因素。

2.1 影响因素

由于不同类型的水下连接器适用于不同性质和特点的油气田，所以在进行水下连接器的选择时，要充分考虑油气田的这些参数。影响水下连接器的油气田主要参数有：

1） 跨接管的设计 跨接管的形式决定了水下连接器的形式。如果跨接管设计为垂直形式，那么水下连接器必须选择垂直形式。如果跨接管为水平膨胀弯形式，那么水下连接器必须选择水平形式。另外，跨接管的内径影响套筒式连接器或卡箍式连接器的选择。如果内径较小（例如∅101.6mm），那么需要使用套筒式连接器。

2） 水深 水深越深，对连接器可靠性的要求越高。套筒式连接器在原理上比卡箍式连接器更可靠，所以在大水深的条件下应选择套筒式连接器。

3） 操作方经验 操作方更习惯使用其成功安装过的连接器类型。如果某个项目的操作方是不能改变的，那么操作方经验是需要考虑的重要方面。选用操作方有成功经验的连接器类型可以降低安装失败的风险。

4） 安装时间 液压式连接器比机械式连接器更省时，但其可靠性相对更低。如果安装时间要求不高，尽量选用机械式连接器。

5） 统一性 同一个工程项目最好使用同一类连接器。这样可以共享同一套工具，而且可以降低对工程人员经验的要求。

2.2 基本原则

根据上述对水下连接器影响因素的分析，本文总结了水下连接器选择的一些基本原则。

2.2.1 连接器连接方向（水平／垂直）的确定

1） 如果跨接管的方向必须是水平或垂直的，那么连接器的连接方向要与其一致。

2） 如果操作方对缩短安装时间有强烈的要求，那么尽量选择垂直连接器。

3） 如果跨接管管径比较大，例如＞304.8mm（12英寸），最好选用水平连接器。

4） 如果操作方没有任何特殊的要求，选择垂直连接器成本更低。

2.2.2 连接器原理类型（套筒／卡箍）的确定

1） 对于跨接管管径较小，例如101.6mm（4英寸）的情况，选择套筒式连接器更合理。

2） 对于水深过大（＞1 000m）的情况，选择套筒式连接器可靠性更高。

3） 如果成本控制严格，可以在条件允许的情况下选择卡箍式连接器。

2.2.3 液压／机械式连接器的选择

1） 如果同一个油气田需要的水下连接器很多（例如超过10个），那么选择机械式连接器能够大幅降低成本。

2） 如果需要的连接器不多，但要求安装时间要短，则可选择液压式连接器。

2.3 Gemini气田的连接器选择

2.3.1 Gemini气田基本信息和介绍

Gemini气田的基本信息如表5。

表5 Gemini气田的基本信息

Gemini气田位于墨西哥湾，水深1 036m。该气田水下生产系统安装工期安排紧张，要求水下连接器安装要快速。前期跨接管的设计要求决定了连接器必须采用垂直连接形式。Gemini的水下生产系统具有4个101.6mm（4英寸）柔性跨接管和2个304.8mm（12英寸）刚性跨接管，共需要8个101.6mm（4英寸）管径连接器和4个304.8mm（12英寸）管径连接器［7］。

2.3.2 Cameron公司对Gemini气田连接器的选择过程

Cameron公司根据工程操作方的要求，选择了垂直套筒式连接器（机械式）。该选择是综合考虑本文第2.1节提出的几个影响因素的结果。

1） 跨接管的内径和形式决定了其选择套筒式连接器：对于101.6mm（4英寸）管径的跨接管，由于管径太小，不适合采用卡箍式连接器，只能采用套筒式连接器。跨接管为垂直式，所以连接器也选用垂直式。

2） 考虑操作方的经验：从表1可以看出，Cameron公司没有液压式连接器的制造和安装经验，所以尽量选择机械式连接器。

3） 考虑水深：Gemini气田属于深水油气田，尽量选用套筒式连接器，这样可靠性更高。

4） 考虑安装时间：该工程的安装工期比较紧迫，理应选用垂直液压式连接器。但由于上一条提到的Cameron在这方面经验的缺乏，该工程选用了垂直机械式连接器。

5） 考虑连接器选用的统一性：根据上述几条，确定8个101.6mm（4英寸）管径跨接管使用垂直套筒式连接器，而4个304.8mm（12英寸）的跨接管可以采用套筒式或卡箍式，但是由于卡箍式安装比较慢，而且如果同一个开发项目同时采用套筒式（101.6mm跨接管）和卡箍式（101.6mm跨接管）连接器，那么就需要2套安装工具分开安装。这样不仅增加了安装时间，并且增加了成本，所以统一采用套筒式连接器。之所以选择机械式而不是液压式，是因为连接器数量较多，且集中安装，采用机械式连接器成本更低。

3 结论

1） 水下连接器的选择在水下生产系统的设计中十分关键。选择的过程要根据油气田的环境状况和操作方的要求来进行，而且要基于对各种类型的水下连接器特点的深入了解。

2） 套筒式连接器的安装过程更快，也更适用于超深水的油气田。卡箍式连接器结构简单，成本较低，而且特别适合在连接器需要进行保温时应用，但它不适合小管径跨接管的连接，用于超深水的也比较少。

3） 机械式和液压式连接器的区别仅在于液压缸是否在连接器本体上。这一区别影响到了安装速度和成本，设计人员需要权衡对速度和成本的要求做出选择。

4） 垂直和水平连接器的主要区别在于安装的难易程度。但是，连接器的方向选择水平还是垂直，不仅和连接器本身有关，还要考虑跨接管和采油树等需要连接的设备所采用的输出管线的形式。

［1］ Sanjay K Reddy.Oceaneering Intervention Engineering，B.Mark Paull，Kerr－McGee Corporation，Bjorn E.HaIs，Oceaneering International Services Ltd.Diverless Hard－Pipe Connection Systems for Subsea Pipelines and Flowlines［C］／／Offshore Technology Conference Proceedings，OTC Paper No.7269，May 1996.

［2］ FMC Technologies.Torus Tie－in System［EB／OL］.（2011－11－13）［2011－11－13］.http：／／www.fmctechnologies.com／en／SubseaSystems／Technologies／SubseaProductionSystems／TieInAndFlowlines／VerticalAndHorizontalTieIn－Systems／VerticalTieIn／TorusTie.aspx.

［3］ GE Energy.DG and DG－2mandrel connector system［EB／OL］.（2011－11－13）［2011－11－13］.http：／／www.ge－energy.com／products＿and＿services／products／subsea＿trees＿manifolds＿and＿connection＿systems／DG＿and＿DG－2＿Mandrel＿Connector＿System.jsp.

［4］ Peter M Roberts.Reducing Lost Time between Exploration and Production of Deepwater Oil ＆Gas Fields：The contribution from Diverless Connector Selection［Z］.

［5］ Giovanni Corbetta，David S Cox.Deepwater Tie－Ins of Rigid Lines：Horizontal Spool or Vertical Jumper［Z］.

［6］ McKeehan D S，Freet T G.DeeDwater Flowline Tie－ins and Jumpers：What works best［C］／／Offshore Technology Conference Proceedings，OTC Paper No.7269，May 1993.

［7］ Andrew Jefferies.Deep Sea Development Services Inc.Gemini Subsea System Design［C］／／Offshore Technology Conference Proceedings.OTC Paper No.11866，May 2000.

Comparison and Selection of Deepwater Subsea Connectors

DONG Yan－hui1，DUAN Meng－lan1，WANG Jin－long2，GUO Hong3
（1.Offshore Oil and Gas Research Center，China University of Petroleum（Beijing），Beijing102249，China；2.Department of Mechanics and Engineering Science，Fudan University，Shanghai 200433，China；3.CNOOC Research Center，Beijing100027，China）

Subsea connectors are one of the most important facilities in subsea production systems.The selection of their types is critical in the subsea production system design.Different types of subsea connectors from foreign companies were investigated，and were categorized into some groups.Based on these categorizations，the characteristics and application of each type was analyzed，resulting in some key points that should be considered in subsea connector selections.The Gemini gas field was taken as an example to illustrate the process of the connector selection in a subsea production system.

deep water；underwater coupling；classification；selection

1001－3482（2012）04－0006－07

TE952

A

2011－10－10

国家重大专项“水下管汇连接器样机研制”（2011ZX05026－003－02）；国家重大专项“深水水下生产设施制造、测试装备及技术”（2011ZX05027－004）

董衍辉（1988－），男，山东宁阳人，硕士研究生，主要从事海洋石油机械与安全方面的研究，E－mail：dongyanhwee＠qq.com。