水下连接器故障分析及预防

史建东，弓大为

水下连接器故障分析及预防

史建东1，弓大为2

（1.中国石油化工集团公司上海海洋石油局第三海洋地质调查大队，上海 200137；2.Dril-Quip Asia Pacific Pte. Ltd., Singapore）

介绍了海洋石油钻井设备水下连接器，以H-4型水下连接器在现场使用中出现的故障现象为例，通过对H-4型水下连接器的结构原理的分析，分析在现场使用连接器发生脱不开故障的原因，并根据原因介绍了其预防的措施；旨在为海洋浮式钻井平台现场使用水下连接器作业提供借鉴和指导作用。

井口设备；水下连接器；故障分析；预防

随着陆地石油资源的日益衰竭，海上石油的开发蓬勃兴起。我们国家的石油开发也从陆地转向了海洋，并且开始了深水油气田的勘探和开发[1]。油气田的勘探开发离不开精良可靠的石油装备，石油装备在海上油气田的勘探开发中尤其显得重要，将直接影响到勘探开发的质量和经济效益。海上石油装备种类繁多，其中水下连接器就是用于海洋钻井平台的一套必不可少的关键设备。它是连接水下井口装置各大系统之间的重要工具，主要用于浮式钻井装置防喷器与井口系统的连接，连接下隔水管组和防喷器组以及防喷器与水下井口。水下连接器一般都是由远程液压遥控来实现远程连接和脱开，要求结构简单、动作迅速、连接可靠。在正常钻井作业过程中连接器与井口头、防喷器组、下隔水管组、隔水管系统组成钻井液的循环通道；在井控的过程中连接器与防喷器组一起满足井控的要求，并在应急解脱时能够迅速脱开保证钻井装置的安全[2-6]。

目前市场上使用的这种连接器主要来自国外厂家，如GE VETCO GRAY公司 的H-4系列连接器，DRIL-QUIP公司的DX系列连接器以及CAMMERON公司的连接器[4]。其中H-4系列连接器市场占有率达70%。本文分析的就是H-4连接器在现场使用中多次出现无法正常打开的故障现象。

1 现场出现的故障情况

（1）在试压桩上对防喷器组试压后，无法打开。试压时按照厂家要求的工作压力对其进行操作，锁紧压力1 500 磅/平方英寸（10 342 kPa），指示杆位置正确，液压控制液流量正确，试压结束后，按照正常操作打开，指示杆位置正确，液压控制液流量正确。进行上提时，发现无法脱开，在防喷器行车或叉车允许的提升能力下也无法脱开。

（2）在回收作业中无法脱开。防喷器钻井作业结束，准备回收防喷器及隔水管，按照正常操作，无法脱开。经检查，指示杆位置正确，液压控制液流量正确，再多次进行开关操作，并进行多次过提释放，脱开很困难。

2 故障原因分析

2.1 H-4连接器简介

连接器如图1、图2所示。

连接器主要由上本体、下本体、锁环、锁紧卡块、液压活塞系统组成，锁紧卡块上下分别有上、下防磨环，液压活塞通过活塞连杆与锁环连接。

图1 连接器示意图

图2 连接器工作示意图

上本体上端有API接头，与防喷器组或下隔水管组其他部件相连，下部有与井口头相配套的“VX”钢圈槽。

2.2故障原因分析

分析上述故障现象：液压控制液流量正确，而且无泄漏，说明控制系统正常；指示杆是固定安装在锁环上的，指示杆显示的位置就是锁环上下运动的位置，指示杆的位置正确，证明锁环位置也是正确的，说明活塞、连杆及其锁环工作都正常。

那么问题就可能出在锁紧卡块上了，锁紧卡块是由一个完整的圆形环线性切割分成12片组成的，每两个卡块之间有两只弹簧和导向销子连接，卡块外表面有24度的斜角与锁环配合，内有卡块槽与井口头连接，每个卡块槽都有45度倒角，正常情况下当向上提起连接器时，会在卡块的45度斜面上产生一个径向的分力以促使卡块脱开，过提力越大这个分力就越大，一般在增加过提力的情况下连接器应该能够正常脱开。进一步分析这个结构，在卡块的上下各有一个防磨环，卡块与防磨环之间有一定的间隙，这个间歇可以用来储存润滑油脂并保证卡块的自由运动。间隙的大小在产品设计中是严格控制的，如果间隙大小发生变化就会影响卡块的运动。在正常的使用中间隙的实际大小有可能产生变化：一方面使用的润滑油脂在海水中夹杂杂质会附在卡块与防磨环的表面，造成间隙减小；另一方面在油脂不足的情况下会造成表面磨损间隙增大，并且产生磨损痕迹；此外防磨环产生形变间隙也会产生变化。经过对连接器的结构分析并结合对故障连接器的拆解检查情况，连接器脱不开的主要原因有以下三点：

（1）使用了不合格的油脂：连接器在海底的特殊环境使用，为保证润滑有效，所用润滑油脂有严格要求，必须具备防海水乳化变质、低温下结块等特性，一般厂家都有推荐的型号。不合格的油脂在海水的作用下产生乳化变质、低温结块等情况，从而导致实际间隙变小，卡块活动时摩擦过大，造成连接器无法脱开；

（2）设计间隙的可取范围过大：有些产品出厂虽然是合格的但是其间隙已经接近规定的下限，这时检验一般可以通得过，实际上其间隙已经过小，在正常使用中，就容易出现连接器脱不开的现象；

（3）另外在使用过程中，由于防磨环在受力和摩擦作用下，有时会出现波纹状变形，造成局部间隙偏大或偏小的情况，也会导致卡块卡住从而使连接器无法脱开。

3 预防措施

（1）我们在现场使用中，首先要确保连接器润滑有效，所用油脂必须用厂家推荐的符合要求的油脂，并且保持干净，不使用过期油脂。每次连接器回收上来后，要检查锁紧卡块、防磨环的损坏和润滑状况，及时检查间隙的大小，必要时要清洗和打磨锁紧卡块，再用新的专用油脂把旧的油脂全部替换掉。如果锁紧卡块与防磨环间隙超差，则必须打开连接器，更换连接器上、下防磨环。

（2）在连接器每次使用前和回收后要检查间隙是否满足要求，如果防磨环有变形、间隙接近下限或不在规定范围内，就要进行拆解或与厂家联系进行检修。

（3）按操作手册正确使用和保养连接器，防止不正当使用和放置连接器，避免受力不当引起局部变形。

“勘探三号”平台自从按以上预防措施实施H-4连接器的规范操作后，很少出现连接器脱不开的现象。

4 结论

综上所述，连接器锁紧卡块与防磨环之间的间隙非常重要，这个间隙的变化是使用中发生连接器脱不开的一个主要原因，在使用中需要特别关注。我们在现场使用中，要按照操作手册正确使用和保养连接器，使用合格干净的油脂，确保润滑有效，防止连接器锁紧卡块与防磨环之间间隙产生变化；及时检查间隙的大小，及时更换和送修间隙不合格的连接器；这样可以避免和减少连接器正常操作中发生脱不开的故障现象，从而节省作业时间和作业成本。

[1] 牛华伟，郑军，曾广东．深水油气勘探开发——进展及启示[J].海洋石油，2012，32（4）：1-6．

[2] 廖谟圣．国外浮式海洋石油钻井装置配备的钻井水下设备概况[J]．国外地质勘探技术，1982（5）：11-13．

[3] Hansen R L, Rickey W P. Evolution of subsea production systems: a worldwide overview[C]．OTC7628, 1994．

[4] 王定亚，邓平，刘文霄．海洋水下井口和采油装备技术现状及发展方向[J]．石油机械，2011，39（1）：75-79．

[5] 彭飞，段梦兰，范嘉堃，等．深水连接器锁紧机构双重密封设计研究[J]．机械设计与制造，2014（4）：7-10．

[6] 王军，罗晓兰，段梦兰，等．深水采油树井口连接器锁紧机构设计研究[J]．石油矿场机械，2013，42（3）：16-21．

Failure Analysis and Prevention for Subsea Connector

SHI Jiandong1, GONG Dawei2
（1.No.3Marine Geological Investigation Party,Shanghai Offshore Petroleum Bureau,SINOPEC,Shanghai200137,China; 2.Dril-Quip Asia Pacific Pte. Ltd.,Singapore）

A kind of subsea connector for offshore oil drilling equipment is introduced in this article. H-4 type subsea connector is taken as an example to analyze the troubles occurred on spots. Through analysis of the construction mechanism, the reasons for the troubles on H-4 subsea connector are analyzed. In addition, the preventive measures are introduced. It may have reference and provide guidance for those who use this kind of connector on floating platform.

wellhead equipment; H-4 subsea connector; failure analysis; prevention

TE921+.5

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2014.03.106

1008-2336（2014）03-0106-03

2014-05-12；改回日期：2014-05-20

史建东，男，1971年生，双学士，主要从事石油机械工作。E-mail：1029095383@qq.com。