深海油气井口连接器水下锁紧及自锁紧研究及应用

杨壮春，孙　维，张鹏举，施　佳，李曼迪，夏　欣

(1.中海石油深海开发有限公司，广东 珠海 519000；2.美钻能源科技(上海)有限公司，上海 200000)



深海油气井口连接器水下锁紧及自锁紧研究及应用

杨壮春1，孙维1，张鹏举2，施佳2，李曼迪2，夏欣2

(1.中海石油深海开发有限公司，广东 珠海 519000；2.美钻能源科技(上海)有限公司，上海 200000)

摘要：水下采油树的井口连接器的规范等级为PSL 3G，设计压力为69 MPa(10 000 psi)，温度范围为-46～121 ℃。分析了机械独立式井口连接器，其具有结构简单、紧凑、操作方便和可靠性高等优点，可以实现机械锁紧与解锁功能，同时具备自锁能力，能满足大通径、高压金属密封要求。根据API Spec 17D第2版标准要求，对连接器进行了理论分析，并应用SolidWorks软件对连接器的卡牙做了有限元计算。

关键词：井口连接器；机械锁紧与解锁；摩擦自锁；大通径；高压金属密封

近年来，随着世界各国对海洋油气资源的大力勘探和发展，水下采油树得到了广泛应用。水下采油树井口连接器为采油树的重要部件，它可以和采油树本体设计为一个整体，也可以独立设计，因此，按结构形式划分，井口连接器包括整体式和独立式；但按驱动方式划分，井口连接器又分为机械式和液压式[1]。

图1　　　液压整体式井口连接　　　器安装示意图

在国外，水下井口连接器已有成熟的类似产品；但在国内，仍然属于发展初期。目前，MSP-drilex公司已开发并应用的井口连接器有2类(见图1和图2)：液压整体式井口连接器和机械独立式井口连接器。本文所分析的水下采油树井口连接器为机械独立式井口连接器。

图2　机械独立式井口连接器安装示意图

液压整体式井口连接器结构复杂，精度要求高，为了保证解锁功能，一般应配备二次机械式解锁机构[2]。液压整体式井口连接器可通过液压远程控制井口连接器的解锁与锁紧，由于液压密封的需要，连接器的加工精度相对要求较高。机械独立式井口连接器结构简单，动作单一，仅需通过专用工具对井口连接器的提拉杆进行操作，即可实现连接器的锁紧与解锁，且加工精度要求相对较低。

1方案设计

井口连接器的主要功能为实现采油树本体与井口头的对接锁紧和解锁，在锁紧时保证预密封，并且具备自锁功能。本文所讨论的井口连接器为机械独立式井口连接器(以下简称“井口连接器”)，其总体设计方案图如图3所示。

图3　井口连接器总体设计方案图

井口连接器与树本体是通过螺纹联接的，螺纹为特殊螺纹，具有良好的承压能力。连接盘上设有喇叭口，在安装时起到一定的导向作用。采油树与井口连接通过8块卡牙进行锁紧与解锁，8块卡牙安装于连接器本体中，围绕中轴呈辐射状均布(见图4)。通过提拉杆下压下压环，使得8块卡牙整体向中轴线移动，从而达到对井口头的锁紧；提拉杆向上移动，下压环不再压紧8块卡牙，下压环与卡牙间存在间隙，当使用专用工具收回采油树时，8块卡牙同时往回退，从而实现解锁。在8块卡牙锁紧的过程中，可以调节下压环的行程，从而达到调节采油树本体与井口头间的金属密封预密封力；同时，当外力撤去时，由于下压环与卡牙接触面的特殊结构，保证解锁力始终在当量摩擦锥内，从而达到自锁的目的[3]。

图4　卡牙

2关键技术

锁紧机构的设计是保证采油树与井口连接的关键。它既要承受由环空高压引起的轴向分离力，同时还要保证足够的密封力，且要求整个服役期间可靠自锁。卡牙的卡齿面为特殊的卡齿，卡齿面分布于2α的锥角的锥面上；下压环和卡牙的接触面也处于2α的锥角的锥面上.卡牙径向截面图如图5所示。卡牙与下压环接触面受力分析图如图6所示。图6中，没有体现连接器本体对卡牙的摩擦力和支承力，卡牙所受的径向分离力和下压环斜面的支持力及摩擦力是确保自锁的关键因素。对卡牙的径向分离力沿斜面做正交分解，正压力为垂直斜面向左，下滑力为沿斜面向下。设卡牙与下压环的滑动摩擦因数(静摩擦因数稍大，此处认为相等)为μ，则最大允许的静摩擦力Fμ=μFn。

图5　卡牙径向截面图　　　　　　图6　卡牙受力图

在实际生产中，井内的压力并不稳定，由于井内的压力存在波动，必然会对井口设备产生振动，这种载荷长期的作用，仍然可能使得卡牙松动，导致密封力减小，引起金属密封失效；因此，为了确保整个服役期间可靠自锁，防止下压环轴向的缓慢地微观窜动，应在提拉杆上端安装防松装置(见图7)。

图7　带有放松装置的机械独立式井口连接器安装示意图

提拉杆上端有多道环齿结构，防松装置通过锁紧卡块(类似图5中卡牙的卡齿)嵌入提拉杆的环齿结构，防松装置安装于顶板上，顶板安装于采油树本体顶部，可以起到防提拉杆轴向窜动的作用。为了使下压环与卡牙在自锁时具备一定的预紧力，通常使卡牙与下压环处于过盈配合，这在保证密封力的同时，也能延长井口连接器的防松寿命[4]。

3理论分析

通常保证自锁的方式有2种：1)在摩擦因数一定的情况下，尽量减小接触面的角度；2)在接触面角度一定的情况下，尽量增大摩擦因数。水下设备通常应考虑防腐，一方面通过牺牲阳极阴极保护的方法对设备进行保护；另一方面通过防腐涂层进行保护。根据API SPEC 17D，PTFE涂层的摩擦因数为μ=0.07，摩擦角φ=arctanμ=4°15′，因此，当卡牙和下压环采用PTFE做涂层时，斜面接触角度应≤4°。

在卡牙锁紧到位后，如果继续下压下压环，则卡牙与下压环间将过盈预紧(见图8)。图8中，假设卡牙与下压环间可调过盈量为Δδ，下压环调节位移为ΔL=Δδ/sinα。取Δδ=1 mm，α=4°，则调节位移ΔL=19.11 mm；当α=3°时，则调节位移ΔL=28.65 mm。显然，随着接触面角度的降低，调节位移迅速增大。卡牙与下压环位置关系如图9所示，考虑到加工制造引起的接触面偏差，实际上卡牙与下压环的锁紧先由线接触，逐渐变为面接触，预紧力不断增大。由于空间结构的限制，调节位移不宜过大，在可调节过盈量一定的情况下，只能增大接触面角度；因此，为了保证满足具有一定调节空间的预紧力的要求，接触面角度只能在不大于摩擦角的情况下做小幅度改变[5]。

图8　过盈与位移　　　图9　卡牙与下压环位置关系图

将下压环近似看作刚体，变形完全来自卡牙，忽略卡牙的结构影响，将卡牙看作方块，则卡牙所受侧向预紧力可近似表达为FΔδ=kΔδ。k为刚度系数，k=EA/L。其中，弹性模量E=206 GPa，接触面积A=2.165×104mm2，卡牙径向厚度L=154 mm，则k=2.896×1013N/mm。下压环的下压力为FY=4FΔδ/sinα。函数μ(Δδ)表示摩擦因数随过盈量增加的变化情况。当接触面接触距离小到一定程度时，摩擦因数会明显增大，但卡牙与下压环材料间有涂层，因此，摩擦因数≤1，说明下压力计算方法是合适的。由此，下压力可改写为FY=4kΔδ/sinα，取Δδ=1 mm，α=4°，则FY=1.660×1013N，显然，该力是十分巨大的，实际不会产生如此巨大的松动力，提供如此巨大的力对驱动装置来说也是无法达到的。井口连接器的设计压力为Pw=69.0 MPa，金属密封圈的最大冗余直径(见图10)G=526.33 mm，则中心分离力FF=4πG·2Pw=1.501×107N。中心分离力即为最大可能的轴向松动力。

图10　金属密封最大密封直径示意图

综上所述，在设计时，考虑加工误差，应保证自锁及足够的预紧力，取过盈量取Δδ=1 mm，接触面角度取α=4°；但考虑到预紧困难，可以对卡牙和下压环接触面做相应的处理，使摩擦因数增大。

4关键件的有限元分析

卡牙的危险点在卡齿处，它受到井内压力的轴向分离力作用。最大分离力为FFM=4πG·2PT=4πG×2×1.5PT=2.252×107N，每块卡牙的轴向分离力为FKF=FFM/8=2.815×106N。卡牙材料性能见表1。

表1　卡牙材料性能

本文分析主要关注卡牙卡齿的强度。在锁紧状态下，近似将卡牙侧面和地面接触面看作无弹性位移，即可在该位置增添刚性约束。有限元分析如图11所示。由图11可以看出，最大应力强度σeq=455.4 MPa，许用应力σE=517 MPa，安全系数S.F=4σE/σeq=1.135，强度满足设计要求。

图11　卡牙应力云图

5结语

通过上述分析，可以得出如下结论。

1)井口连接器的锁紧型面为锥面；而液压整体式井口连接器的锁紧型面为柱面。因此，井口连接器预紧力可调节，其适应井内压力变化的能力更强，在长时间工作之后，锁紧型面松动时，可以通过下压预紧，继续维持良好的密封。

2)与液压整体式井口连接器相比，井口连接器自身没有液压驱动装置，因此，加工精度、表面粗糙度相对要求较低；同时，由于锥面锁紧型面设计，其允许加工误差能力更高。

3)井口连接器拥有防松机构，在预紧力不足的情况下，仍然可以依靠防松机构防止提拉杆后退。过盈量仅需0.01 mm，就可以维持自锁。

4)MSP-drilex公司已完成对该井口连接器的压力测试，井口连接器锁紧并实现高压(测试压力为103.5 MPa)密封，验证了井口连接器强度满足要求，密封能力良好。

参考文献

[1] 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，2012，20(4)：111-114.

[2] 高攀,段梦兰,董楠,等.细长型井口回接连接器设计[J]. 石油矿场机械，2011,18(12)：120-124.

[3] 龚铭煊,刘再生,段梦兰,等.深海水下采油树下放安装过程分析与研究[J]. 石油机械，2013,17(4)：151-156.

[4] 李婷婷,董楠,段梦兰,等.深水管道装置安装方法研究[J]. 石油机械，2012,17(5)：178-182.

[5] 王莹莹,段梦兰,冯玮,等.深水管汇安装方法及其在南海荔湾3-1气田中应用研究[J]. 海洋工程，2011,16(3)：100-104.

责任编辑郑练

Deep-sea Wellhead Connector Locking and Self-locking of Underwater Research and Application

YANG Zhuangchun1, SUN Wei1, ZHANG Pengju2, SHI Jia2, LI Mandi2, XIA Xin2

(1.CNOOC Deepwater Development Co., Ltd., Zhuhai 519000, China; 2.Meizuan Energy Technology (Shanghai)Co., Ltd., Shanghai 200000, China)

Abstract：For the subsea wellhead tree connector,the product specification level is PSL 3G, the design pressure is 69 MPa (10 000 psi), and the temperature range is -46-121 ℃. Connector involved is a mechanical type wellhead connector, which has a simple and compact structure, easy operation and high reliability.It can achieve mechanical locking and unlocking function, along with self-locking capabilities, to meet large diameter, high-pressure metal seal claim. According to API Spec. 17D of the second version of the standard requirements of the connector theoretical analysis, and apply software SolidWorks to analyze the card connectors teeth with finite element calculation.

Key words:wellhead connector, mechanical locking and unlocking, friction and self-locking, chase drive, high-pressure metal seal

收稿日期：2015-10-09

作者简介：杨壮春(1964-)，男，高级工程师，主要从事海洋工程等方面的研究。

中图分类号：TE 952

文献标志码:B