海底管道水下连接器技术综述

王邦文 刘岱卫

（1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032；2.浙江海洋大学 石油化工与环境学院，舟山 316022）

油气能源是重要的战略资源，直接关系国家安全和民生稳定，影响着社会经济的稳定发展。同时，石油与天然气是不可再生能源，随着地球上陆地和浅海资源的逐渐匮乏，世界各国逐步开始开发深海油气资源[1]。作为海洋石油和天然气开采、生产和运输的重要组成部分，海底管道需常年在复杂的水下环境持续工作，导致海底管道破损和泄漏事故不断发生，因此迫切需要一种方法用于管道连接以及对破损的管道进行可靠的快速应急修复。

目前，水下连接器是国际上油气管道快速连接和修复的主要方法，但是其核心技术主要掌握在Aker Solutions（Aker）、FMC Technologies（FMC）、Freudenberg Oil &Gas Technologies（FOGT）等几家老牌石油装备公司中。这些企业经过数十年的发展和技术积累，水下连接器的生产制造稳定可靠，质量有所保证，并在研发设计、现场安装、设备运行、后期维护等方面积累了丰富的实战经验[2]。国内水下连接器的研究起步较晚，虽然各大高校、设备研究院等科研单位现已开展深海水下连接器的相关研究工作和装置研发，但是相比于国外，经验仍有所欠缺。

1 水下连接器工作环境

水下管道连接器主要用于深海油气管道的连接和快速修复，其工作地点主要位于油气井处及深海海底，所处环境非常恶劣[3-4]。我国深海油气田普遍存在高温高压的问题，高温气井底部温度通常大于150 ℃，井口温度也在100 ℃左右，而深海海底环境温度则接近0 ℃，导致水下管道连接器的工作环境内外温差极大[5]。此外，水下连接器外部还需要承受极高的海底水压，管道内部则要承受油气引起的超高内压。同时，由于常年受到海底洋流的冲刷、海底碎石的碰撞等，管道也需要承受一定的持续载荷和偶然载荷[6-7]。因此，水下连接器不仅要有优异的密封性、便利性，还要有极高的环境适应性和抗载能力。为应对复杂恶劣的工作环境，研究人员开发了多种类型的水下连接器，以保证海底管道的稳定运行。

2 水下连接器发展现状

水下连接器主要构件为金属密封圈和法兰紧固结构，通常利用法兰和管道的相互挤压接触，并通过金属密封圈的有效密封来保证管道连接的准确性和安全性[8-9]。水下连接器的密封性能和结构抗载能力直接决定着水下管道是否可以安全稳定运行及其服役年限。目前，主流的管道水下连接器可按结构形式分为法兰式水下连接器、卡箍式水下连接器、卡压式水下连接器和卡爪式水下连接器[10-11]。

2.1 法兰式水下连接器

法兰连接是地上管道应用最早、最成熟、最广泛且最为有效便捷的连接方式，它通过对螺栓螺母进行紧固使管道紧密连接[12-14]。随着海底油气田的开采，法兰连接方式被应用于水下连接器。

利用该原理开发的法兰式水下连接器的应用存在诸多难以克服的问题。第一，在深海管道连接中，螺栓连接方式存在定位、紧固的问题，同时还需要考虑螺母的装配、拆除等配件问题[15]。第二，法兰式水下连接器承力结构是用于连接两片法兰的螺栓，当管道所受承载力过大时，易造成螺栓断裂，导致管道连接失效，进而使管道内的油气泄漏[16]。第三，深海安装难度大。人类的工作环境最深不超过500 m，超过500 m 水深的深海环境需要完全通过水下机器人进行观察并完成部分简单工作[17-18]。对于深海油气开采，潜水员无法深潜对管道进行辅助安装，而机器人灵活度不高、精度低、操作难度大，在深海环境中仅通过机器人完成数量庞大且复杂的管网连接不仅效率低下，而且极其困难。因此，法兰式水下连接器主要在浅海环境的管道连接中运用，极少应用于深海环境中[19]。

2.2 卡箍式水下连接器

随着油气开发逐步向海洋发展，卡箍式水下连接器研发成功，凭借其先进的技术和便捷的安装方式，被广泛用于水下管道连接[20]。卡箍式水下连接器具有尺寸小、结构轻便、密封性能可靠、可快速连接、对准精度高和价格低等特点，是目前较为典型的水下管道快速连接装置之一。相较于法兰式水下连接器，它减少了螺栓的使用，降低了安装要求。该连接器主要受力部分为套节结构，这种结构形式是利用卡箍完全包裹管道，使金属密封环均匀受力，增大了受力面积，降低了水下连接器因局部受力过大而遭到损坏的风险。同时，卡箍式水下连接器构件组成少，减少了配件的储存和运输难度，被广泛应用于深海无潜连接。

卡箍式水下连接器一般由上下管接头法兰和带紧固结构的卡箍构成，仅需少量螺栓即可完成安装和紧固。卡箍式水下连接器安装时需要在每根管道末端设置接头法兰，其上可放置弧形卡箍，并可通过螺栓紧固连接。早期的卡箍式水下连接器以陆上卡箍结构设计为模板开发，FMC 公司于20 世纪80 年代设计的卡箍式水下连接器如图1 所示[21]。其由两瓣卡箍构成，卡箍两端对称安装，各采用1 套螺栓进行紧固。相较于法兰式水下连接器，这种结构设计减少了螺栓的使用数量，降低了卡箍安装对准精度的要求，更便于深海管道的无潜安装。虽然早期的卡箍式水下连接器结构相对笨重，但不可否认的是，它极具代表性和时代性，让各界研究人员看到卡箍式水下连接器的优势。

随着卡箍式水下连接器不断优化更新，其形式不再局限于两瓣式。挪威Aker 公司和美国Vector 公司相继开发了三瓣式卡箍水下连接器，使卡箍结构形成一个整体，螺栓数量缩减至1 个。对于操作不便的深海环境，这种结构优化升级在提高卡箍式水下连接器便利性的同时，也降低了装置的安装难度。从三瓣式卡箍水下连接器投入使用至今，此类连接器安装简便，受力更为均匀，在深海管道无潜安装中具有独特的优势。

2.3 卡压式水下连接器

近年来，卡压式管道水下连接技术发展非常迅速，相关产品逐步趋于成熟。卡压式水下连接器主要由连接器和连接机具组成，可用于浅海区域内的油气管道快速连接和损坏管道快速修复。该类型连接器采用卡压连接，利用连接机具将连接器在管道泄漏点或管道交接处进行加压紧固。由于连接器接头材料的特殊性，其塑性变形后可密封管道与连接器之间的空隙，进而完成管道安装或损坏管道的物理修补。这种连接方式简单，无须对管道进行特殊处理即可快速有效地连接油气管道，并能够对管道损坏位置进行应急处理。目前，我国哈尔滨工程大学水下智能机械研究所对此连接方式的研究较为深入，并开发了平台管道卡压式水下连接器[22]。

2.4 卡爪式水下连接器

卡爪式水下连接器已完全放弃使用螺栓进行连接，而是采用专用的非标准法兰结构。这是一种安装简便的管道快速连接方式，通过特殊的机械结构实现无螺栓安装连接[23]。卡爪式水下连接器如图2 所示，其非标准法兰通过结构优化分为公头和母头两种相互对应的装置形式，母头在法兰环向对称设计了卡爪结构，公头则在结构上设计了易于勾爪紧固的凹槽结构[24]。在实际应用过程中，卡爪式水下连接器的公头和母头一般分别安装在管道末端。当连接器相互连接后，母头的卡爪结构有效紧密抓合公头的凹槽结构，随后驱动环将卡爪锁紧，卡爪式水下连接器的上、下毂座密封紧固并完成管道连接。

图2 卡爪式水下连接器

卡爪式水下连接器在结构形式上彻底放弃了螺栓连接，公母头结构相互对应，具有自对准功能。因此，卡爪式水下连接器通常需要提前安装于管道末端，在水下安装时只需要保证管道中心对正即可实现管道的快速连接[25-26]。但是，卡爪式水下连接器的卡爪、驱动环、密封圈等关键零部件设计复杂、加工难度大，加之管道水下安装的密封要求严苛，目前暂无公开可参考的规范和标准。卡爪式水下连接器的关键技术主要掌握于国外大型石油装备公司，国内科研人员若能突破该类型水下连接器的加工工艺、零件的精密参数确定等技术壁垒，实现工厂化生产，则可有效降低我国深水管道安装的工程成本，有望成为我国深水管道机械密封连接的主要发展方向。目前，海上油气开采平台将这种结构形式运用在水下采油树与井口或井口与防喷器之间的井口连接器中，并获得了优异的应用效果[27-29]。

根据连接器锁定方式的不同，卡爪式水下连接器又可分为整体式和非整体式。整体式卡爪连接器又称液压式卡爪连接器，其将锁紧装置与连接器构成完整系统。整体式卡爪连接器可实现自锁紧功能，液压系统提供密封所需的自锁力，从而限制卡爪与驱动环发生位移，防止管道连接失效。该种连接器结构简单，安装时间短，但由于整套装置为一体式，在管道连接完成后被留在海底，导致建设成本及维护成本相对较高[30]。非整体式卡爪连接器又称机械式卡爪连接器，需要配备独立的锁紧工具。该类连接器锁紧密封完全依靠自身结构的机械特性，其连接依托配套工具实现。完成锁紧后，工具可回收利用。相较于整体式卡爪连接器，非整体式卡爪连接器结构虽然更为复杂，安装时间稍长，但投入成本和维修成本相对较低，已成为深海管道连接器的主要发展趋势[31]。

2.5 水下连接器类型对比

上述4 类水下连接器均有其适用范围，在不同的水下环境中应用各有优缺点。法兰式水下连接器必须通过紧固螺栓来施加预紧力，从而达到连接的目的，因此密封和抗载能力更强。但是，由于安装烦琐且存在难以解决的深海安装问题，其仅适用于浅水环境。卡箍式和卡爪式水下连接器是目前实际工程中应用较好的两种连接器类型。卡爪式水下连接器具有无螺栓结构、较好的自对准功能、安装难度低等优势，已成为目前应用最广泛的水下管道连接器。相较于卡爪式水下连接器，卡箍式水下连接器体积更小，对中更准确，在浅水应用时具有更好的防渔网拖挂性能，且密封和抗载性能较好。卡压式连接器利用连接器接头的塑性变形密封管道，导致其密封和抗载能力较弱，仅可在水深50 m 以内的浅水应用。但其可以运用于各种管道，连接方法简单，适应性强，可作为管道损坏和泄漏的快速应急修复措施[32]。

3 结语

水下连接器是深水油气生产系统的重要部件，它能够极大地减少管道连接时间，实现快速可靠的安装作业，促进海上油气田的生产和稳定运营。目前，研究人员开发出的各类连接器，根据其结构和性能的差异，可适用于不同工况下的海底管道连接和快速修复，已经在工程中广泛应用。国内外水下连接器的核心技术主要是在相应工况条件下保证其优异的密封性，因此开发适用性更广、密封性能更强、连接更稳定的水下连接器仍然是保障海底管道安全运行的重要研究方向。首先，开发新型水下连接器结构形式，优化结构设计参数，保证设备密封性能，扩大连接器使用范围，并提升其综合性能。其次，研究开发新型水下连接器密封材料和密封技术，保证连接器的密封性能和抗载能力。最后，随着计算机模拟技术的不断发展，通过模拟不同工况下水下连接器的工作状态，优化其结构形式和参数，是水下连接器发展的一个重要方向。