深水套筒式连接器合格性测试

赵三军,李 博,林建国,罗 俊,刘彦君,刘亚磊,段梦兰

（1.中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京 102249；2.中海油研究总院，北京 100027）

深水套筒式连接器合格性测试

赵三军1,李 博2,林建国1,罗 俊1,刘彦君1,刘亚磊1,段梦兰1

（1.中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京 102249；2.中海油研究总院，北京 100027）

深水套筒式连接器，作为主要水下生产设施的连接，是水下生产系统的重要组成部分。为检测连接器的性能，参照相关标准，在分析连接器所处的环境和所受各种复杂载荷的基础上，提出深水套筒式连接器进行合格性测试的步骤，包括连接器外压测试、内压测试、弯曲测试和扭转测试等。合格性测试对进一步研究连接器的测试具有一定的参考价值。

水下生产系统；连接器；性能；合格性测试

0 引 言

陆地新增油气储量对全球油气储量增长的贡献逐年降低，而海洋油气资源有巨大的潜力，吸引了众多的国家和石油公司。水下生产系统在深水油气田开发中有着广泛的应用，深水套筒式连接器是水下生产系统的重要组成部分，其主要作用是连接水下生产设施，包括水下采油树与水下管汇的连接跨接管与水下采油树的连接、PLET（管道终端）与PLEM（管道终端管汇）的连接等[1-3]。国外的一些公司（如FMC、Oil States、Cameron）已经掌握了深水连接器在设计、制造、测试、安装等方面的关键技术。此外，Marc Bonnissel[4]、P.E.Hadfield[5]和Jostein Aleksandersen[6]等专家和学者也对连接器进行了大量的研究工作。

国外的连接器产品已经非常成熟，但国内对连接器的研究尚处于起步阶段，如哈尔滨工程大学、中国石油大学和中海油研究总院等单位对连接器进行了相关研究工作[7-8]。为了推动连接器和其他水下生产设施的研究，我国设立了两个国家科技重大专项，随着南海“荔湾3-1”油气田的成功开发，我国将进一步推进深水连接器等深水水下设施的研究与国产化。

深水套筒式连接器的合格性测试是连接器研制过程中的一项关键技术，但我国目前的研究主要侧重于连接器功能的实现[9-10]，对连接器的合格性测试研究亟待开展。

1 连接器结构及其工作环境

连接器主要功能是连接海底设备，防止油气泄漏，建立并维持密封环境，抵抗外部载荷（包括内压、弯矩、拉力、扭矩等）。连接器应具有耐腐蚀、锁紧与解锁方便、密封安全稳定、抗压、抗拉、抗弯、抗扭等性能。本文以“荔湾3-1”为目标油气田，根据连接器应具有的功能和性能，设计了如图1所示的深水套筒式连接器。

连接器主要由公轮毂、母轮毂、驱动环、卡爪、密封件等组成。公轮毂是在连接器安装之前随水下设施一起下放至海底，母轮毂是与管道焊接在一起的，连接器主体由螺栓固定于母毂座，卡爪在驱动环的带动下张开和锁紧，驱动环是在液压系统的作用下进行上下运动，连接器采用金属密封。套筒式连接器需要特定的安装工具进行安装。在安装时安装工具首先推动连接器使公轮毂与母轮毂对接，然后带动驱动环沿轴向运动，压迫卡爪旋转，卡爪内侧的两斜面分别与公母轮毂的外斜面贴合接触。驱动环继续运动，卡爪与公母轮毂的接触面发生滑动并传递给轮毂轴向力，母轮毂向公轮毂运动。同时轮毂内部密封面挤压密封件，使其产生形变，形成有效密封。

根据目标油气田的环境条件，连接器应适应1 500m水深、5 000 psi（1psi=6.895 kPa）内压及-18～121℃温度的深海环境条件，且要耐海水及内部油气的腐蚀。由于与连接器连接的管线受到海流等作用，这些载荷也会传递到连接器上，使连接器受到弯矩、扭矩等复杂载荷，测试时要考虑到这些复杂载荷的影响。

目前，国际上有一些水下生产系统测试的标准规范，但是还没有专门针对水下连接器合格性测试的标准规范，而这不能满足连接器合格性测试的要求，亟需开展对连接器合格性测试的研究。参照美国石油学会的API 6A和API 17D，国际标准化组织的ISO 13628和ISO 10423，挪威石油工业标准化组织的NORSOK等水下生产系统的标准规范[11-13]，以及对深水套筒式连接器功能和性能的分析，提出了深水套筒式连接器合格性测试简单的测试步骤，包括外压测试、内压测试、弯曲测试和扭转测试，这对进一步规范连接器的测试具有一定的参考价值。

2 外压测试

根据API 17D的规定，进行外压测试和内压测试时，本体静水压试验压力最低应为额定工作压力的1.5倍，初始压力不应高出规定试验压力的5%[12]。为了查看连接器各个部件的应力应变情况，需要在连接器上贴应变片，预先用有限元软件Abaqus对连接器进行了数值模拟，得到了连接器应力分布情况，如图2所示。由于测试时连接器两端需要封堵打压，不能在内部贴片，外部贴片时要防止应变片被挤压；此外，为了便于布线，综合考虑后，应变片贴在如图3所示的黑点位置。

2.1 外压测试的目的

外压测试的目的是检验连接器能否承受所处工作环境的外压。本文研究的连接器是适用于1500m水深的，所要承受的外压为15MPa。

2.2 测试设备

由于测试时要制造外部高压环境并需要采集贴

片点的数据，所以需要的设备主要有高压试验舱、智能数控试压系统和静态数据采集系统。

2.3 测试步骤

（1）按图纸、技术文件要求，将连接器组装完整，在设定的测点位置贴好应变片，确保每个应变片完好无损，正常工作，并连接到数据采集系统。用盲板将连接器两端封堵，保证密封可靠。然后，将连接器放入高压舱中，连接好测试管线，如图4所示。

（2）加载外压，逐级加载到22.5MPa（1500m水深外压的1.5倍）。初始外压为1.125MPa（试验压力的5%），每级保持15min，每隔3min记录一次连接器内部压力数据。分别将外压设定为7.5，10，12.5 MPa，按要求记录各级数据。外压加载到15MPa时，保压30min，记录相关数据，再逐级加压到22.5MPa，保压30min，记录相关数据。

（3）测试完成后，缓慢卸载高压舱压力，拆开连接器，然后对连接器进行无损检测。

2.4 接受准则

连接器内压测试接受准则为测试过程中没有泄露。保压时，压力的变化不大于试验压力的5%，则视为没有泄露。

3 内压测试

3.1 内压测试的目的

由于内部油气的作用，连接器工作时会承受一定的内压，而内压会对连接器的密封效果产生较大影响。内压测试的目的是检测连接器能否承受额定内压。本文研究的连接器应能承受的额定内压为34.5MPa。

3.2 测试设备

由于连接器需要安装到内压试验台上并采集贴片点的数据，所以需要的设备主要有内压试验台、智能数控试压系统和静态数据采集系统。

3.3 测试步骤

（1）将装配好的连接器安装在内压试验台上，连接好管线，如图5所示。

（2）通过盲板上的孔进行打压，采用分级加压的方式进行，初始压力为1.7 MPa，每级增长3.4 MPa，每级保压15min。从保压开始时间开始采集应力数据，每隔3min记录一次。逐级加压到额定工作压力34.5MPa，保压30min。然后再逐级加压到51.7MPa，保压30min。

（3）测试完成后，缓慢卸载内压，拆开连接器，然后对连接器进行无损检测。

3.4 接受准则

连接器内压的接受准则为测试过程中没有泄露。

4 弯曲测试

4.1 弯曲测试目的

连接器在海底工作时要承受因海流和跨接管等作用产生的弯矩。弯曲测试是在额定压力条件下，测试连接器抗弯曲能力。

4.2 测试设备

由于连接器要安装到弯曲试验台上，通过液压系统来控制加载弯矩，还有采集贴片点的数据，所以需要的设备主要有弯曲试验台、液压控制系统、智能数控试压系统和静态数据采集系统。

4.3 测试步骤

（1）把连接器安装到弯曲试验台上，将弯曲试验台上的液压缸连接到连接器上，连接器两端加盲板封堵后，打内压到额定工作压力34.5 MPa，如图6所示。

（2）启动液压缸，调节节流阀，使液压缸缓慢动作，观察内压压力表是否有明显压降，若正常，则进

行连续试验，使液压缸保持施加额定弯矩15min。在保持施加弯矩的过程中，每隔3min记录一次数据。

（3）测试完成后，缓慢卸载弯矩，然后再缓慢卸载内压，拆开连接器，然后对连接器进行无损检测。

4.4 接受准则

连接器弯曲测试的接受准则是在承受一定弯矩时不发生泄露。

5 扭转测试

5.1 扭转测试的目的

连接器在海底工作时要承受因海流和跨接管等作用产生的扭矩，扭转测试的目的是检测连接器能否承受因海流和跨接管作用产生的扭矩。

5.2 测试设备

由于连接器要安装到扭转试验台上，通过液压系统来控制加载扭矩，还要采集贴片点的数据，所以需要的设备主要有扭转试验台、液压控制系统、智能数控试压系统和静态数据采集系统。

5.3 测试步骤

（1）把连接器安装到扭转试验台上，将弯曲试验台上的液压缸连接到连接器上，连接器两端加盲板封堵后打内压到额定工作压力34.5 MPa，如图7所示。

（2）同步启动双液压缸，调节节流阀，使液压缸缓慢动作，观察内压压力表是否有明显压降，若正常，则进行连续试验，双液压缸保持施加的额定扭矩15min，每隔3min记录一次数据。

（3）测试完成后，缓慢卸载扭矩，然后再缓慢卸载内压，拆开连接器，然后对连接器进行无损检测。

5.4 接受准则

连接器扭转测试的接受准则是在承受一定扭矩时不发生泄露。

6 结束语

本文对深水套筒式连接器的合格性测试方法进行了初步探索：（1）分析了深水套筒式连接器的结构和所处的工作环境，得出连接器在安装与运行过程中在内压、外压、弯曲、扭转等复杂载荷的作用下需要测试的条件与测试要求；（2）对深水套筒式连接器合格性测试提出了简单的测试步骤，包括内压测试、外压测试、弯曲测试和扭转测试，这对进一步规范连接器的测试具有一定的参考价值。

[1]Allensworth D C，Crown T W.Subsea gang connector system：United States，US7172447 B2[P].2007-02-06.

[2]王莹莹，王德国，段梦兰，等.水下生产系统典型布局形式的适应性研究[J].石油机械，2012，40（4）：58-63.

[3]董衍辉，段梦兰，王金龙，等.深水水下连接器的对比与选择[J].石油矿场机械，2012，41（4）：6-12.

[4]Bonnissel M.Gel based materials for high insulation and long cooldown time in deep water[C]∥Offshore Technology Conference Houston Texas，2004.

[5]Hadfield P E，Balnaves C，Brookes D A，et al.DMaC：flowline and umbilical connections for commercial application[C]∥Offshore Technology Conference Houston Texas，1994.

[6]AleksandersenJ.Autonomous subsea tie in system（AUSTIN）forlarge diameterpipelines in deep waters [C]∥International Offshore and Polar Engineering Conference Stavanger Norway，2001.

[7]谭磊.水下管道卡压式连接器与连接机具关键技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

[8]周游，段梦兰，郭宏，等.深水水平套筒式连接器定位技术[J].石油矿场机械，2013，42（9）：18-22.

[9]王立权，安少军，王刚，等.深水海底管道套筒连接器设计与分析[J].哈尔滨工程大学学报，2011，32（9）：1103-1107.

[10]安少军.深水海底管道套筒连接器密封接触特性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

[11]梁稷，姚宝恒，曲有杰，等.水下生产系统测试技术综述[J].中国测试，2012，38（1）：38-40.

[12]ANSI/API SPECIFICATION 17D.Design and Operation ofSubseaProduction Systems-SubseaWellhead and Tree Equipment[S].2011.

[13]ANSI/API SPECIFICATION 6A.Specification for Wellhead and Christmas Tree Equipment[S].2011.

Qualification testing for deepwater collet connector

ZHAO San-jun1，LI Bo2，LIN Jian-guo1，LUO Jun1，LIU Yan-jun1，LIU Ya-lei1，DUAN Meng-lan1
（1.Offshore Oil and Gas Research Center，China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China；2.CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China）

Deepwater collet connector is one of the most important components in subsea production system.It is mainly used to connect the subsea production facilities.In order to detect the properties of the connector,reference to the relevant standards and based on the analysis of the environment and varieties of complex loads of the connector,qualification testing for deepwater collet connector were tentatively proposed,including external pressure testing,internal pressure testing,bending testing and torsion testing.The qualification testing can be referenced for further research on testing for connector.

subsea production system;connector;properties;qualification testing

TE952；TM930.12；TE927；TE54

：A

：1674-5124（2014）04-0026-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.007

2013-12-07；

：2014-02-20

国家科技重大专项（2011ZX05026-003-02，2011ZX05027-004）

赵三军（1987-），男，河北泊头市人，硕士研究生，专业方向为海洋石油装备研究。