深水水平连接器压力帽装置研制

(1.南阳二机石油装备集团股份有限公司，河南 南阳 473006；2.中海油研究总院有限责任公司，北京 100028 ；3.西南油气田物资分公司 苏里格项目部，成都 610017)①

压力帽作为深水连接器的一个重要部件，其主要作用是封堵连接器毂座，保护密封区域[1]。深水连接器从连接结构上分，可分为套筒式连接器和卡箍式连接器两类[2]，水平连接器通常采用套筒式连接器。深水水平套筒式连接器是深水油气安全生产的重要保证[3-4]。深水水平连接器压力帽技术被国外垄断，连接器面临着安装困难等问题[5]。目前使用的深水水平连接器压力帽装置主要是机械卡箍式和液压驱动式两种，这两种压力帽装置均存在缺点。机械卡箍式压力帽装置安装使用复杂且使用和维护成本高；液压驱动式压力帽装置使用和维护成本高。机械卡箍式压力帽装置需要配一套专用的安装工具，并且安装程序比较复杂，使用成本高；液压驱动式压力帽装置安装对接和锁紧需要一套专用的液压系统，液压阀件长期处于海底，液压阀件的防腐成本高。

为打破国外垄断，形成自主知识产权，由中海油研究总院牵头，南阳二机石油装备集团股份有限公司(以下简称南阳二机集团)作为承担单位，承担了国家重大专项子课题项目——水下连接器和安装工具工程样机优化及配套设备研制，其中深水水平连接器压力帽装置是该项目的研制目标之一。深水水平连接器压力帽装置能够用于深水水平连接器毂座端口封堵，并且性能可靠，操作简单快捷，对中准确性高，对接效率和锁紧效率高，使用成本低。

1 结构及工作原理

2.1 总体结构

如图1所示，深水水平连接器压力帽装置采用水平套筒式结构，主要由排气系统和压力帽主体两部分组成。水下油气生产管汇组管道内部充装介质时，排气系统主要用于对管道内部气体进行排放；压力帽主体用于压力帽装置对水平连接器毂座的封堵；排气系统和压力帽主体固定为一个整体。压力帽装置中接头和管线采用不锈钢材质，其余金属部件采用特殊防腐工艺防腐处理，延长设备的使用周期，降低后期防腐维护成本。图2为压力帽装置总装三维图。

1.2 技术参数

适用连接器类型 水平套筒式连接器

最大工作压力 34.5 MPa

最大工作水深 1 500 m

设计温度 -18～121 ℃

适用管汇管径 304.8 mm(12英寸)

锁紧形式 机械锁紧

密封类型 非金属双密封

图1 压力帽总装示意

图2 压力帽总装三维示意

1.3 排气系统

如图3所示，排气系统主要由操作面板、球阀、热刺接头、接头和管线等部件组成。排气系统通过接头和管线同压力帽主体中密封轴的排气孔连通，通过操作两通球阀实现排气系统的通断，把管道内部的气体通过热刺接头排放掉。

图3 排气系统

1.4 压力帽主体

如图4所示，压力帽主体主要由导向座、连接盘、驱动环、导向环、密封轴、导向块、锁紧机构、挡销、驱动板等部件组成。压力帽主体设置在导向座上，且沿水平连接器导向柱水平移动，位于水平连接器毂座的前方。通过水平连接器安装工具实现压力帽装置对水平连接器毂座的封堵以及压力帽的拆卸。

图4 压力帽主体

1.5 工作原理

压力帽装置对水平连接器毂座的封堵以及压力帽装置的拆卸均通过水平连接器安装工具实现。压力帽装置对水平连接器毂座的封堵过程分为如下几个阶段：

1) 通过吊装机构将压力帽装置吊装至水平连接器的底座上；同时将连接器安装工具安装于连接器的底座上。

2) 安装工具的驱动环板推动压力帽装置向连接器毂座方向运动，连接器导向柱穿入压力帽导向座下部的导向孔内，完成压力帽装置与连接器毂座的粗对中。

3) 压力帽装置继续向前运动，连接器毂座伸入压力帽导向环内，压力帽密封轴及其端部的导向块伸入连接器毂座的中心孔内完成压力帽装置与连接器毂座的精对中，并且对连接器毂座的中心孔进行密封。

4) 利用ROV将压力帽驱动环上的挡销拔掉，连接器毂座的端部顶住压力帽连接盘使其向压力帽装置的方向运动，完成压力帽装置与连接器毂座的对接。在压力帽驱动环和导向环及锁紧机构的作用下，完成压力帽装置与连接器毂座的锁紧。

5) 利用ROV将挡销插入压力帽驱动环和连接盘的插孔内，对压力帽驱动环进行机械限位，防止驱动环意外解锁。

6) 利用吊装机构将连接器安装工具吊离连接器底座。

压力帽装置的拆卸过程和封堵过程相反，过程如下：

1) 用吊装机构将连接器安装工具吊装于连接器底座上；利用ROV拔掉驱动环上的挡销。

2) 安装工具上的驱动环板推动压力帽装置解锁；利用ROV将挡销插入驱动环的插孔内。

3) 安装工具的驱动环板继续推动压力帽向远离连接器毂座的方向运动直至到达安装位置，完成压力帽装置的拆卸。

4) 用吊装机构将安装工具和压力帽装置分别吊离水平连接器的底座。

2 关键技术和主要特点

现有深水水平连接器压力帽装置存在对中困难，对接效率和锁紧效率低，设备成本和使用成本高等问题。研制的压力帽装置对中准确性高，对接效率和锁紧效率高，并且压力帽装置对水平连接器毂座的封堵以及压力帽装置的拆卸均通过水平连接器安装工具实现，不需要配置专用的安装工具，使用成本低。

1) 压力帽装置的设计尺寸与水平连接器安装工具相匹配，压力帽装置的驱动板与水平连接器安装工具的驱动环板相匹配，安装工具驱动环板推动压力帽装置的驱动板完成压力帽装置与水平连接器毂座的对接和锁紧以及压力帽装置的拆卸，不需要配置专用的安装工具。

2) 压力帽装置导向座下部设置有导向孔，通过导向孔与连接器导向柱的配合，完成压力帽装置与连接器毂座的粗对中。压力帽装置导向环内端部设置为导向锥面，方便压力帽装置与连接器毂座外圆面进行精对中，通过导向环内圆面和连接器毂座外圆面的配合完成压力帽装置与连接器毂座的精对中。采用粗对中和精对中的两种对中结构，提高对中准确性和对接效率。

3) 密封性能的优劣直接影响并决定整个海洋石油开采系统的安全性和可靠性[6]。压力帽装置密封轴上设置两道非金属密封环，与连接器毂座密封面接触并形成密封环带，保证管汇管道内压力不外泄。密封轴端部的导向块采用塑料材料，且其端部周向倒角，在密封轴与连接器毂座的端口对接过程中，起到导向和保护密封面的作用。

4) 压力帽装置的连接盘将密封轴及导向环连成整体，保证其同轴度。

5) 压力帽装置导向环的周向开有径向导向孔，导向孔内设置有机械锁紧机构，将连接器毂座锁紧；锁紧机构设置有导向板和复位弹簧，提高锁紧效率和解锁效率。

6) 所有水下生产设施的安装、操作等均需通过ROV辅助进行，ROV得到广泛应用[7-10]。压力帽装置驱动环的周向开有径向插孔，插孔内插设挡销，挡销端部设置有ROV夹持把手，ROV可以独立插拔挡销，实现对驱动环的机械限位，防止驱动环意外解锁。

7) 关键部件采用特殊防腐工艺，提高设备在深海中的耐腐蚀性，延长设备的使用周期，降低后期防腐维护成本。

3 性能验证

3.1 压力帽主体金属件有限元计算

压力帽装置主体金属件按52 MPa的试验内压和15 MPa的海水外压进行有限元计算。其中，密封轴的内腔及底面施加52 MPa的试验内压，其余裸露于海水的部分施加15 MPa的外压。

压力帽装置主体金属件的材质为合金锻钢；弹性模量E=205 940 MPa，泊松比υ=0.27，密度ρ=7.75×103kg/m3，屈服应力σs=835 MPa，极限应力σb=985 MPa。

有限元应力云图分析结果如图5所示，最大应力值为537 MPa，小于材质的屈服835 MPa，满足强度要求；有限元位移云图分析结果如图6所示，最大位移值为0.705 mm，小变形不影响结构的使用，在设计接受范围内。压力帽主体金属件设计强度满足工况要求。

图5 压力帽主体金属件应力云图

图6 压力帽主体金属件位移云图

3.2 非金属密封环有限元计算

运用ANSYS软件模拟非金属密封环受额定内压和外压的作用，根据计算结果验证其是否失效。非金属密封环在承压前先被压缩，之后受到15 MPa的外压和34.5 MPa的额定内压。通过有限元分析和建模得到非金属密封环的在外压工况下和在内压工况下的应力图。如图7～8所示。 在密封环在挤压受压的情况下，最大接触应力(CPRESS)为26.38 MPa，大于海水外压15 MPa。由有限元建模分析可知，非金属密封环密封有效。密封环在挤压受压的情况下，最大接触应力(CPRESS)为48.2 MPa，而额定内压为34.5 MPa，48.2 MPa>34.5 MPa，由有限元建模分析可知，非金属密封环密封有效。

图7 外压15 MPa下非金属密封环接触应力

3.3 静水压试验

深水产品试验合格后方能用于水下生产，确保其在深海环境下的安全性和可靠性[8]。为了验证压力帽装置的性能是否达到设计和技术协议及有关标准要求，必须严格按照标准规范的要求对压力帽进行静水压试验，静水压试验压力为额定工作压力的1.5倍，静水压试验的验收准则为保压期间无可见泄漏[9]。

图8 内压34.5 MPa下非金属密封环接触应力

2018-12，在南阳二机集团高压试验室进行压力帽装置的静水压试验，通过连接器安装工具完成压力帽与连接器毂座的对接和锁紧，并插上限位销，使用智能数控试压系统对压力帽进行注水加压。根据API Spec 17D的要求，静水压试验压力为52 MPa，采用分级加压的方式，初始试验压力为2 MPa，每级递增试验压力的10%，直至加压到52 MPa，除最后一次保压15 min外，其它每级单独保压3 min。

然后把压力降到零，再逐级加压到52 MPa，并进行保压，保压期间无可见泄漏，压降不大于试验压力的3%。

两次保压期间均无可见泄漏，压降为0.2 MPa，压降不大于试验压力的3%，试验结果满足性能指标，满足压力帽装置的工况要求。

4 技术创新

1) 压力帽装置对水平连接器毂座的封堵以及压力帽装置的拆卸均由水平连接器安装工具完成，不用单独配置安装工具，设备成本及使用成本低。

2) 压力帽装置采用粗对中和精对中两种对中结构，对中准确性高，对接效率高。

3) 压力帽装置操作方便快捷，工作效率高。

4) 压力帽装置密封可靠，设置有机械锁紧和机械限位，性能可靠。

5) 压力帽装置锁紧机构的锁紧效率和解锁效率高。

5 结论

1) 研制开发的深水水平连接器压力帽装置满足工况要求，性能可靠，工作效率高，设备成本及使用成本低。

2) 通过有限元计算和静水压试验的验证，压力帽装置的性能指标达到了项目预期要求。

3) 压力帽装置的研制可为后期深水水平连接器压力帽装置的工程应用和国产化提供有力的技术支持。