水下生产系统连接器及其关键技术

唐 洋，张中根，易典学，刘佩松，安家伟

西南石油大学机电工程学院，四川 成都 610500

引 言

随着中国对深水油气资源勘探步伐逐步加快，将大量进行深水水下油气集输作业。水下生产系统可以避免建造昂贵的海上采油平台，节省建设投资，且可靠性高，因此，水下生产系统结合固定式平台、浮式生产平台等设施组成的海上油田开发形式将得到广泛应用。水下生产系统的核心装备和技术被美国、挪威、巴西等国家掌握，并广泛地应用于北海、西非、巴西、爱尔兰等深水油气田，积累了大量经验。与国外相比，中国主要集中在300 m以内的浅海，水下生产系统相关装备和技术还落后于国外先进水平[1]。

典型的水下生产系统由水下控制系统、水下采油树、水下井口、脐带缆、水下管汇以及跨接管等组成。水下生产系统连接器是实现水下设备、装置及其控制系统等过程串接的“纽扣”，是保障水下生产系统可靠性、系统性和安全性的关键结点[2]。因此，水下生产系统连接器相关技术是海洋油气资源勘探开发的一项核心技术。从20世纪60年代开始，世界各海洋大国加快了水下工程技术的研发速度，水下生产系统连接器得到迅猛发展。国外的几大主要石油装备制造商FMC、Oil States以及Cameron等经过多年技术攻关，已经拥有种类多样的水下生产系统连接器产品，且拥有在不同作业环境下实际运用的丰富经验，但其仅提供服务不出售产品，长期对外实行技术封锁。

中国在海洋油气开采方面起步较晚，相关生产设备长期依赖国外公司提供，耗资巨大。仅中国第一个深水气田LW3-1项目所需的水下生产系统连接器数量就超过88套，全部由Cameron公司提供[3]。到21世纪初，随着中国加大对海洋油气装备研发的投入，以哈尔滨工程大学、中国石油大学和中海油研究总院为代表的一批科研院所，对水下生产系统连接器开展了大量研究设计工作，并取得了一定的研究成果。但是对用于深水油气集输的水下生产系统，尤其是水下生产系统连接器，中国尚未完全掌握其核心技术，也未形成具有竞争力的核心产品。在当前中国大力发展深水油气资源勘探开发的背景下，深入了解、掌握水下生产系统连接器结构、功能和特性；梳理水下生产系统连接器关键技术及当前技术难点和问题，旨在为下一步的技术突破和国产化研究提供指导及方向。

1 水下生产系统连接器的类别及其特性

1.1 水下生产系统连接器类别

水下生产系统连接器大致可以分为3类：卡爪式连接器，卡箍式连接器以及螺栓法兰式连接器，其各自在结构、功能、原理上有较大区别[4]。

（1）卡爪式连接器

卡爪式连接器是垂直连接和超深水连接的主要类型，其结构如图1所示。卡爪式连接器主要通过特殊设计制造的卡爪周向均匀地抓合在管端毂座上，再由驱动环驱动其锁紧上、下毂座，在上毂座、密封圈和下毂座间形成有效密封，实现管线连接。

图1 卡爪式连接器Fig.1 A collet connector

（2）卡箍式连接器

卡箍式连接器常用于水平连接，其主要由上法兰连接体和下法兰连接体两部分组成，主体部分位于上法兰连接体内，其结构如图2所示。

图2 卡箍式连接器主体部分示意图Fig.2 The main part of clamp connector schematic

卡箍式连接器主要通过锁紧螺栓提供预紧力，使卡箍爪和对接管线的凹槽啮合锁紧，从而使密封圈变形、被压入公端芯轴外表面，实现密封连接。

（3）螺栓法兰式连接器

螺栓法兰式连接器主要用于浅水连接，其结构如图3所示。螺栓法兰式连接器直接通过锁紧螺栓提供预紧力，当用于浅水时一般由潜水员操作螺栓进行对中锁紧，但当水深超过650 m的极限潜水深度时，需通过复杂的连接系统对中连接，其深水连接技术仅被少数石油设备供应商掌握。

图3 螺栓法兰式连接器Fig.3 A bolt flange connector

1.2 水下生产系统连接器特性分析

螺栓法兰式连接器最早用于陆地连接，标准化程度高，设计制造较易，是浅水连接的最佳选择。但对于深水连接，其对中复杂、可靠性不高等劣势逐渐凸显。卡箍式连接器借鉴了螺栓法兰式采用螺栓提供预紧力，同时采用瓣式结构和卡箍爪设计，减少螺栓的数量，使连接对中相对容易，结构更加紧凑，但其螺栓连接导致的对中困难、可靠性差的问题依然存在。

为了满足深水作业快速连接的需要，卡爪式连接器在卡箍式连接器的基础上重新设计了卡箍爪，同时采用驱动环代替锁紧螺栓，使其可靠性增加，且其多带有导向机构，对中误差容忍度高，连接速度更快。但目前卡爪式连接器卡爪结构复杂，标准化程度低是其面临的主要问题。为了下一步水下生产系统连接器的相关研究，表1对3种主要连接器的特性进行了比较分析，为其设计选型提供参考[5-9]。

表1 水下生产系统连接器特性分析Tab.1 Analysis of connector characteristics of subsea production system

2 水下生产系统连接器典型产品分析

目前，世界范围内拥有水下生产系统连接器成熟产品且掌握核心技术的公司主要有美国的FMC、Cameron和Oil States以及挪威的AkerSolutions等，中国尚无相关公司。通过分析3类主要连接器的典型产品，阐述相关产品技术上具有的共性，揭示相关技术的发展趋势，为其国产化设计提供指导。

2.1 卡爪式连接器典型产品分析

在众多卡爪式连接器供应商中，FMC的技术极为先进，其代表产品KC-4型连接器具有毂座结构简单、力矩平衡指细长、驱动环和卡爪配合良好、自锁效果好等优点。同时KC-4型连接器采用的KX透镜密封圈[10]，为FMC公司为深水连接而设计的专用密封圈，其最高设计压力103.4 MPa，最大应用水深3 000 m。该密封圈形状可变，制造公差和对中误差能得到有效补偿，同时其采用的密封面不同区设计，使得在主密封区损坏后提供了后备密封能力[11-12]。

除FMC公司外，卡爪式连接器典型产品还有Cameron公司的立式可回收卡爪连接器以及Oil States公司的Hydro Tech连接器，如图4、图5所示。Cameron公司该型卡爪式连接器用途广，对中误差容忍度高，但重量大，对遥控潜水器（Remote Operated Vehicle，ROV）的要求很高。Oil States公司的Hydro Tech连接器，可容纳7°的倾角误差，安装更为容易，同时在配套ROV全程协助下，仅30 min就可完成连接，但装置整体结构复杂，加工制造成本较高[13-14]。

图4 Cameron公司立式可回收卡爪连接器Fig.4 Vertical retrievable collet connector

图5 Hydro Tech连接器Fig.5 Hydro Tech connector

通过上述典型产品分析，相关产品具有以下共性[15]：（1）密封连接效果好。国外产品普遍采用自紧式金属密封，同时针对不同的作业环境对标准透镜密封圈进行了专用优化设计，密封效果得到较大提升。（2）对中连接速度快。国外产品普遍具有较好对中性能，这主要得益于其成熟的结构设计以及先进的ROV控制技术。

2.2 卡箍式连接器典型产品分析

FMC公司是最早研制卡箍式连接器的公司之一，图6为该公司早期的一款典型卡箍式连接器，该连接器采用两瓣式卡箍结构，采用双螺栓提供径向密封力，相比当时主流连接器大大减少了螺栓的数量，安装更快速方便。与FMC公司产品结构不同，VECTOR公司卡箍式连接器则采用三瓣式结构，如图7所示。VECTOR公司该型连接器采用一根紧固螺栓连接，结构简单且连接迅速可靠，同时其采用的双球面密封圈，具有质量轻、密封效果好等特点[16-17]。

通过上述产品的分析可知，三瓣式卡箍结构设计由于建模容易、安装方便、受力均匀等优点，使其得到更为广泛的应用。其次，为实现快速连接，目前普遍采用一根锁紧螺栓锁紧，且对锁紧螺栓的锁紧方式均进行了不同程度的优化，使其更易操作，这是卡箍式连接器的必然发展趋势。

图6 FMC公司典型卡箍式连接器Fig.6 FMC typical clamp connector

图7 VECTOR公司典型卡箍式连接器Fig.7 VECTOR typical clamp connector

2.3 螺栓法兰式连接器典型产品分析

为了适应深水连接的需要，Acergy公司和Sonsub公司于20世纪90年代分别研发了针对深水的螺栓法兰连接系统MATIS和BRUTUS。MATIS系统和BRUTUS系统功能上无太大区别，均能实现对孔、插入螺栓、拧紧螺母、预紧螺栓和放置密封垫圈等功能，且各功能模块均安装在一个框架内。同时深水法兰自动连接机具上均安装有浮力材料，且能通过ROV进行信息交换和动力传输，方便水下操作。上述连接器由于采用工业标准件，具有连接可靠、费用低、采购周期短等特点[16]。但是整套系统复杂，连接速度慢，对中要求高。

通过对典型产品的分析可知，相关产品具有以下共性[18]：

（1）模块化设计；

（2）工具库采用三瓣式开合结构；

（3）法兰连接螺栓采用双头螺柱；

（4）螺栓预紧采用液压螺栓拉伸器完成；

（5）机具上安装浮力材料；

（6）通过ROV和机具连接，可进行动力传递和信息交换，辅助作业。

3 水下生产系统连接器研发关键技术及难点

近年来，为了适应深水油气勘探的需要，中国在水下生产系统连接器方面的设计研究取得较大进步，形成了一系列有关水下生产系统连接器结构设计的关键技术方案。通过总结中国现有关键技术，结合国外典型产品的分析，对水下生产系统连接器结构设计难点及其发展趋势进行分析概述。

3.1 定位对中技术

连接器的精准定位对中是其实现可靠连接和锁紧的前提，以下是目前3种常见的定位对中结构类型，如图8所示。

类型1：端面斜切弧形坡口结构，如图8a所示，连接器壳体的下端面呈弧形坡口状，和对接体的凹形坡口相配合，实现导向和对准。该结构优点：（1）结构简单；（2）加工成本低。缺点：（1）需严格控制对接管柱下放速度；（2）存在接触死点。

类型2：喇叭敞口结构，如图8b所示，连接器壳体下端面呈喇叭敞口状，可自行旋入对接体腔体内。该结构优点：（1）导向性好；（2）结构简单。缺点：（1）壳体与下部喇叭口连接处易损坏；（2）壳体整体周向尺寸大。

类型3：内嵌导向机构，如图8c所示，在连接器壳体内嵌导向环，通过导向环下方的锥形面进行定位对中。该结构优点：（1）连接器整体结构紧凑；（2）定位准确可靠。缺点：（1）结构复杂；（2）导向环和壳体连接处易损坏。

图8 常见的定位对中结构类型Fig.8 The structural types of orientation and centring

除上述外，对于特殊场合常需要双重定位结构，如图9所示，该连接器采用了喇叭敞口定位结构和榫槽结构配合双重定位，大幅提高定位的准确性，但同时也使定位对中操作难度倍增。定位对中机构要求易于操作，且对对中误差有一定补偿能力，相对而言类型1、2更符合要求，但其对中精度较低，对于特殊场合不适宜，具体运用视连接头所需对中精度而定。

图9 一种采用复合定位对中结构的连接器Fig.9 A connector using composite positioning alignment structure

3.2 锁紧技术

连接器锁紧结构的可靠性和稳定性对连接器的整体性能至关重要，尤其对于卡爪式连接器。目前卡爪式连接器的卡爪结构大致分为两种，见图10。

类型1：如图10a所示，当管线连接时，驱动环作用于卡爪外侧，驱使卡爪锁紧对接管线；当管线脱离时，驱动环上移，卡爪解锁，然后上提连接器上端，卡爪逐渐张开，连接管线脱离。该结构优点：卡爪结构简单，配合面少；缺点：不易解锁，卡爪和对接管线易自锁。

类型2：如图10b所示，当管线连接时，驱动环作用于卡爪外侧，卡爪锁紧对接管线；当对接管线脱离时，在驱动环上移，作用于卡爪顶端，从而使卡爪逐渐张开。该结构优点：易于锁紧和解锁；缺点：卡爪结构复杂，配合面多，加工较难。

图10 常见卡爪结构类型Fig.10 Typical claw structure

卡爪式连接器锁紧机构的设计是其设计过程中最困难的部分，直接决定着连接器能否实现其功能，在连接器锁紧机构结构设计时需要注意以下问题[19]：

（1）卡爪运动路径须唯一且无干涉；

（2）卡爪和驱动环的强度须满足要求；

（3）上下毂座间的密封须达到要求；

（4）锁紧机构包含多个动结构，各零件之间要易于装配。

3.3 二次锁紧技术

连接器处于复杂的海底环境中，二次锁紧机构的应用可有效防止连接器在偶然载荷的作用下发生松动，是其工作安全可靠的重要保障。现有二次锁紧机构分为以下两类：

类型1：弹簧预紧机构，如图11所示，预紧弹簧一端作用于驱动环上，另一端固定，连接器锁紧连接后，处于压缩状态的弹簧能防止驱动环的偶然移动。该机构优点：结构简单，无需额外操作；缺点：（1）解锁较困难；（2）弹簧易失效，可靠性差。

图11 弹簧预紧机构Fig.11 Spring pretightening mechanism

类型2：螺栓预紧机构，如图12所示，在连接器连接后，ROV操作水平转杆，动力通过齿轮传递到垂直转杆，进而带动预紧螺栓顶紧驱动环；当管线脱离时，ROV操作垂直转杆与预紧螺栓连接，使预紧螺栓和驱动环分离。该机构优点：可靠性高；缺点：（1）操作复杂，解锁困难；（2）各零件间配合精度要求高。

图12 螺栓预紧机构Fig.12 Bolt pretightening mechanism

二次锁紧机构的设计应用对于深水油气作业十分关键，如何同时兼顾其工作的可靠性和操作的简便性是其目前面临的主要问题。国外连接器由于ROV控制技术先进多采用类型2锁紧方式，中国由于设计水深较浅对二次锁紧要求低多采用类型1，目前而言两种方式各有优势，宜根据实际情况选用。

3.4 密封技术

水下生产系统连接器良好的密封性是其设计时的首要考虑因素。目前水下生产系统连接器普遍采用的密封方式有以下几种[20-22],如图13所示。

类型1：金属透镜垫密封，如图13a所示，透镜垫与管道接触时，初始状态为一环线，通过施加预紧力，使得环形线接触变为环形带状接触，实现密封。该方式优点：（1）有效压力区小；（2）接触应力高，易实现高压密封；（3）透镜垫球面和锥形密封面配合，可使接触应力相对均匀的分布；（4）对中自位性好。缺点：（1）当介质温度剧变时，轴向补偿能力差，易泄漏；（2）接触面光洁度要求高，密封圈易损坏。

类型2：O型圈密封，如图13b所示，利用O型圈极好的弹性变形能力，在较小的预紧力作用便可达到较好的密封要求。该方式优点：（1）尺寸和沟槽已标准化，互换性强；（2）耐高温，使用温度范围广；（3）能自封，密封可靠性高。缺点：（1）密封比压小；（2）对中要求高。

图13 常用密封方式Fig.13 Typical sealing methods

除上述外，还有复合式密封结构，例如由金属透镜垫和O型密封圈组合形成的复合密封，如图14所示。此种结构综合了上述两种密封方式的优点，既有较好的对中性，又具有温度补偿能力和自紧性，但其结构复杂，且对材料有更高要求。随着油气勘探走向深水，复合密封结构将得到广泛应用，其结构的标准化以及选用更合适的密封材料将是提高连接器密封性能的关键。

图14 复合密封结构Fig.14 Composite sealing structure

4 结 语

从21世纪初以来，以哈尔滨工程大学为代表的一批科研单位对水下生产系统连接器进行了大量深入研究，初步实现了水下生产系统连接器主要关键技术的国产化设计。在此背景下，借鉴国外成熟产品设计思路，分析现有水下生产系统连接器及其关键技术，不断完善优化连接器结构，最终设计出成熟的水下生产系统连接器产品，是当前急需进行的工作。

（1）卡爪式连接器是目前较为理想的深水生产系统连接器类型，但其卡爪结构复杂的问题尚待解决。同时国外卡爪式连接器连接迅速的原因之一是其ROV控制技术的成熟，连接器国产化的最终应用需要有与其相关设备的国产化应用作为支撑，否则将很难获得市场。

（2）国外主要设备供应商的相关产品往往具有优异的密封性能，且能承受较高的压力和水深，这和国外新型密封材料的发展息息相关。