隔水管伸缩装置技术发展

张彩莹，陈才虎，罗 强，王耀峰，杨 虎

（宝鸡石油机械有限责任公司 成都研究分院，成都610000）①

海上浮式平台是海洋石油生产的重要作业平台，作业时需要一整套行之有效的补偿系统来进行移动的浮体和固定的井口之间的补偿，其中钻井隔水管伸缩装置是该系统中不可或缺的一部份，主要用于对平台升沉运动的补偿［1-2］。笔者从隔水管伸缩装置工作原理出发，结合关键功能模块的结构，分析了国外主流厂商的设备特点及国内该设备的发展现状，总结出该设备所需的关键技术及发展方向，以期为海洋钻井隔水管装备的国产化发展提供参考。

1 隔水管伸缩装置工作原理

海洋石油平台在波浪作用下，除前后左右发生摇摆外，还将产生上下升沉运动。这种随波浪周期性的上下升沉运动将影响立管系统稳定性及井口装置安全性，甚至带来灾难性后果。隔水管伸缩装置最主要的功能即是补偿钻井船和隔水管间的相对运动，同时保证隔水管泥浆返回通道的完整性。另外，由于伸缩装置处于隔水管系统顶端，内、外筒分别与平台不同设备相连接，其还承担着2个重要功能［3］：①为隔水管张紧器提供连接接口及连接支撑，并通过伸缩装置外筒把张力传递给整个隔水管管串；②为隔水管边管管线提供出口，使相关流体能通过跨接柔性管连接至平台。

伸缩装置的补偿原理主要是依靠内、外筒所组成的伸缩机构来进行钻柱长度的补偿；同时通过密封系统来实现内、外筒之间相对滑动时内部泥浆不会出现渗漏［4］。

张紧器在对整个隔水管系统进行张紧作业时，其张力是通过隔水管伸缩装置外筒上的张紧环传递到整个隔水管管串的，伸缩装置张紧环的设计应该有足够的强度来承担整个隔水管串的张力。因为船体可能在海上出现艏摇摆动，张紧环还应具有旋转的能力，以免船体摆动形成的转矩造成隔水管的破坏［3］。

隔水管管串下放完成后，平台的节流／压井系统、液压系统等通过柔性管与附着于外筒之上的边管终端出口相连接，完成各流体通道的建立。

2 隔水管伸缩装置关键功能模块

隔水管伸缩装置按功能分为伸缩机构、锁紧机构、密封系统、张紧环、边管终端机构5大关键功能模块，如图1所示。

图1 伸缩装置结构示意

2.1 伸缩机构

隔水管伸缩装置是由2个可相对运动的套叠筒体组成的伸缩机构，其中内筒为一个带传压孔、承载筒靴的细长薄壁筒体，可自由在外筒内滑动；外筒作为整个隔水管系统的承载机构与隔水管单根连接，并为辅助管线终端提供支撑架，为张紧环提供连接接口。其上端以锁紧机构与内筒及伸缩装置上接头相连，下端与隔水管单根有通用的连接接头。内、外筒需通过一定技术措施保证其相对运动的同轴度以及相对较小的动作阻力，以保证伸缩运动过程中不因外力扰动而出现折弯失效。

2.2 锁紧机构［5-6］

伸缩装置设计有内外筒锁紧机构，是由其工作状态决定的。伸缩装置在下入时，内、外筒必须处于收缩和锁紧状态，主要有以下两个原因，首先，在BOP安装送入或取出时，内筒需要处于缩回位置和锁紧状态；其次，在船上比较容易装卸，在钻井平台、底座上更容易起吊，工作时，则需要内、外筒解锁，以内、外筒相对移动来实现升沉补偿功能。

伸缩装置的锁紧机构有单、双耳板配合的手动锁紧机构，也有液压驱动的锁紧-解锁机构。手动锁紧方式结构简单、可靠性高、易于加工制造，但是较耗费人力；液压锁紧-解锁的操作方式是发展趋势，现已经开发出多种远程控制的锁紧-解锁机构。

2.3 密封系统［7-8］

隔水管伸缩装置最关键的功能为钻柱升沉补偿的同时实现环空泥浆的密封，而密封系统是实现密封内外筒环空的关键机构。密封系统的主要结构分为2种，一种是整体式密封；另一种是对分式密封。密封系统可根据情况配备一对对分式密封，或者一个对分式密封、一个整体式密封。对分式密封是密封系统的核心部件，可根据密封套的激励方式分为气动对分式密封和液动对分式密封，其主要功能是密封内、外筒之间的环空，并确保内筒与外筒的对中。保持内筒与外筒的对中不但可以防止内筒对密封套的偏磨，同时也可以减小外筒对内筒的附加弯矩。对分式密封的优点是维护方便，可以在不对伸缩接头进行拆卸的情况下、或者工作态下对磨损严重的密封元件进行更换。工作时，从密封外筒本体的加压孔加压，驱动密封支撑套对密封套进行压缩，使密封套紧紧地贴在内筒上，从而达到密封内、外筒环空的目的。整体式密封主要适用于备用密封，作为备用密封的一种结构选择形式，一般是液压驱动式密封，结构形式与分体式密封类似，但更换不方便。

2.4 张紧环

张紧环主要用作隔水管张紧载荷的传递。通过耳板与张紧环本体分别与张紧器和伸缩装置外筒相连，使张紧系统将张紧力传递到伸缩接头外筒的连接点，并由外筒将立管张紧装置的张紧载荷传递给隔水管串。张紧环结构形式较多，与平台设计水深、定位方式相关，按连接形式可分为固定式和旋转式。对于深水动力定位或转塔系泊式浮式平台，船体本身转动或摇摆运动的，若无张紧环的大承载推力轴承，船只的旋转运动传递到隔水管串上，会引起管串扭转失效。按结构形式可分为整体式和分体式。整体式张紧环一般存放在分流器外壳下方，隔水管下放时直接穿过张紧环中心孔；分体式张紧环可在伸缩节就位以后，再通过伸缩装置预留接口安装到伸缩装置外筒上。按操作方式可分为机械式和液压式。无论其是机械式还是液压式形式，最终是依靠控制操作插销进入和退出伸缩接头中间连接套环槽来实现张紧环和伸缩接头的连接。

2.5 边管终端机构

隔水管边管包括节流／压井管线、泥浆增压管线、液压管线等，这些硬管在伸缩装置位置有一个终端接口机构，在这里与平台设备通过柔性管相连接。由于高压边管在使用时存在压力波动，安装于伸缩装置外筒上的终端机构必须能够承受足够高的压力及其波动带来的振动。边管终端机构一般在转盘之下、月池之上进行与柔性管的连接，可逐个进行连接，也可采取对分式的一次性连接。

3 国内外伸缩装置发展现状

国外伸缩接头的研究和生产主要集中在Vetco［9-10］、Aker Kvaerner［11］、Cameron［12-13］、Dril-Quip［14-15］等公司，其工作原理大致相同，而液压锁紧机构、伸缩接头气动（液动）密封机构、张紧环和两端连接接头各有不同。伸缩接头的设计遵守API Spec 16F规范，设计水深一般为300～3 000 m；行程一般为13.7～19.8 m（45～65 英尺），行程长度可根据水深及海况适当加长。

3.1 国外伸缩装置对比分析

3.1.1 技术参数

国外公司部分伸缩装置主要技术参数如表1。

表1 国外公司主要技术参数

3.1.2 总体结构

国外各公司伸缩装置如图2 所示。Cameron、Dril-Quip、Vetco公司的伸缩接头均采用法兰式连接，其上和通用的挠性接头或者隔水管短节连接，其下和相应的隔水管单根连接；Aker Kvaerner公司的伸缩接头采用夹式连接。各公司辅助管线的终端连接架也各有不同，Cameron公司的伸缩接头采用可以对折过来的鹅颈管；Vetco公司的终端连接集成于终端法兰中，在其与张紧环连接时可通过液压方式一次性完成安装。

3.1.3 锁紧机构

国外各公司伸缩装置的锁紧机构如图3所示，均有自己的特点。Cameron公司的锁紧机构采用凸轮机构，通过加压驱动4个凸轮机构旋转，进而促使其脱离卡槽，从而达到解锁的目的；Vetco公司的液压锁紧机构为液压驱动的插销式结构，通过一个液压控制阀来控制锁舌插入或退出伸缩接头外筒连接部分环槽里的动作，达到对伸缩接头加压解锁、卸压锁紧的目的，该结构虽然结构较为复杂，但其工作原理相对简单，动作也可靠；Aker的锁紧机构采用夹式接头原理，通过锁紧连接套轴向的移动，使其和外筒脱开，达到解锁的目的；Dril-Quip公司的锁紧机构通过液压控制液压连接器，使活塞升起，然后释放对分式锁环，使之卡紧内筒，从而实现伸缩接头的补偿功能。

图2 国外各公司伸缩装置示意

图3 各公司伸缩装置锁紧机构示意

3.1.4 密封总成

国外各公司伸缩装置的密封总成如图4所示。除Aker公司伸缩接头的密封机构采用3 个密封以外，Cameron、Vetco、Dril-Quip 公 司 均 采 用2 个密封。各公司在密封单元结构及密封机构密封的操作方式基本相同；密封单元采用两层结构，一层为密封层，一层为密封支撑层，均使用两半榫接在一起的结构，且两层间缝间夹角相互成90°，层间涂密封脂，操作方式为气动或液动。

Cameron、Dril-Quip公司的密封机构为液压驱动，2个密封中上密封为主密封，下密封为副密封。其中Dril-Quip公司的2 个密封中，只有上密封可以在伸缩节不拆开的情况下进行更换，下密封更换时，需要拆开伸缩接头。Cameron公司的2个密封均可以在伸缩节不拆开的情况下进行更换。Vetco公司的2 个密封也可以在伸缩节不拆开的情况下进行更换。Aker Kvaerner公司的3个密封中，除中部密封需要在伸缩接头拆开的情况下更换以外，上、下两个密封均可以在伸缩节不拆开的情况下进行更换。

密封结构的密封能力设计一般需要和其上部接口——分流器的设计压力一致，这样才不致于在工作压力达到分流器的设计压力时，密封失效。Vetco、Cameron、Aker 公司密封结构的密封能力为3.45 MPa（500 psi），Dril-Quip 公司分流器 的 工 作压力可以达到13.8 MPa（2 000 psi），故可以推断，其密封结构的密封能力同样可以达到13.8 MPa（2 000 psi）。

图4 各公司伸缩装置密封总成示意

3.1.5 张紧环及边管终端

国外各公司张紧环如图5所示。

Cameron和Aker公司的张紧环采用了分体式，具有简单的机械结构，不带推力轴承（推力轴承集成在伸缩装置外筒上），可以一直和张紧线连接，不需要拆卸，安装比较方便，可靠性较高。

GE Vetco公司的张紧环结构较为复杂，集成了边管终端出口、液压推力轴承及两层若干个张紧器连接接口，其在操作上有明显的优点：①操作简单，在月池区域，下放、回收隔水管时，不需要进行张力器及软管的安装和拆卸；②下放伸缩装置时有自动对正装置，与张紧环的对接安装可全程通过液压操控完成；③作为节流／压井管线、辅助管线的终端支架，在伸缩装置与张紧环进行连接时远程控制，实现边管流体通道的连接；④不作业时可下挂于分流器外壳下方，不占用储存空间。

与GE Vetco 高度集成的张紧环相比，Dril-Quip公司的张紧环并未将边管终端出口集成到张紧环装置中，但是同样保留了液压锁紧功能。

设计时，张紧环一般应和相应的张紧器匹配，目前张紧器分为436 t、654 t、725 t、908 t、1453 t几个级别，故张紧环的张力级别也应为这几个级别。

图5 各公司张紧环示意

3.2 国内伸缩装置研制情况

由于隔水管伸缩装置研制难度大、失效后果严重，国内尚无任何公司的产品进入到生产实践环节。宝鸡石油机械有限责任公司在这方面进行了一些技术准备工作，完成了产品的初步设计，形成了部分中国专利，并完成了原理样机的制造和试验；株洲时代新材料科技公司针对伸缩装置动密封用密封橡胶材料进行了研究，并开发出了适用的新型特种橡胶材料，形成了专利技术［16］；在产品制造或大修领域，仅有中海油田服务有限公司及宝鸡石油机械有限责任公司进行过隔水管伸缩装置的修理工作。

中海油服进行的流花油田南海挑战号FPS伸缩装置修理中［17］，仅对破损的密封面进行修补，同时对边管公母接头进行堆焊和机加工修复，对产品整体几乎无改动。其中，GE 公司拒绝单独提供内筒等部件，导致产品使用寿命受到很大的局限。

宝鸡石油机械有限责任公司近年来对南海六号660.4 mm（26英寸）、711.2 mm（28英寸）两根伸缩装置进行了修理，对外筒整体进行了再制造；对亚马逊伸缩装置进行了改造。攻克了内、外筒动密封结构设计技术、大直径薄壁圆筒自动复合TIG 焊接工艺、超长大直径圆筒机加工艺、高性能材料的研制、高压边管焊接工艺、海洋飞溅区构件防腐技术、伸缩装置工程化应用试验方法研究等伸缩装置研制中的关键技术。再制产品已陆续投入平台的钻井作业，现场应用情况良好。

4 隔水管伸缩装置关键技术

4.1 动密封技术

在深水钻井作业中，由于浮式钻井船／平台在水面上的运动，平台井口与海底井口间的位置随时都在变化，需要有进行位移补偿的同时能够实现环空密封的装置，其中实现运动密封的关键部件为伸缩装置密封总成。伸缩装置密封总成在设计时须兼顾以下几点要求：

1） 动密封效果好。伸缩装置的密封不同于普通的静密封，亦不同于工程设备用液压动作杆腔的密封。因为船舶随风浪升沉的速度较快，伸缩装置内、外筒之间的相对运动速度较传统液压动密封装置更大，要实现完全密封不渗漏难度大。

2） 相配合的密封构件为薄壁大直径圆筒，密封行程超长，通过提高加工精度难以保证内筒外圆各段均能与密封盘根紧密接触，仅依靠橡胶体的自压缩，也无法实现密封。

3） 伸缩装置工作的区域为海上飞溅区，是腐蚀形势最恶劣的区域，内部与钻井液和地层液体相接触；内筒在这样的区域中长期工作，腐蚀和磨损都是无可避免的。须保证在内筒磨损和腐蚀减薄的前提下仍能实现同样的密封效果。

4） 密封胶体应该同时兼备耐磨、耐老化、耐油、耐化学腐蚀、耐高温等特点，以保证在胶体可长期处于恶劣的工作条件下满足密封要求。

5） 应具有应急备用机制，在密封胶体出现撕裂等问题的前提下，仍然能够实现对井液的动密封，以免污染环境。

4.2 远程控制锁紧技术

伸缩装置在移运和下放过程中，内、外筒处于锁紧位置，待BOP 坐放完成以后，再打开内外筒的锁紧机构，实现补偿和密封的功能。这就要求伸缩装置的锁紧总成具有自动控制、动作敏捷、动作到位等特点。

1） 自动控制。传统的伸缩装置依靠单、双耳板加锁紧销的方法进行内、外筒的锁紧。因为伸缩装置下放位置处于月池附近，人工操作风险极大，同时安装和拆卸销子都是耗时费力的工作；若能实现液压锁紧和解锁，在钻台面操作进行远程控制，将极大提升产品的HSE性能。

2） 动作到位。远程控制的产品一个重大和基本的要求就是动作到位，如果所设计的机构无法做到这一点，反而比人工操作的简单锁紧机构更加耗时费力，并且出现故障不易修理。

3） 动作敏捷。钻井平台的日费率高昂，所设计的机械机构必须满足动作敏捷的特点，方能比人力操作更有优势。

4.3 内筒制造技术

伸缩装置的内筒是一个超长的大直径薄壁圆筒，整个外表面都属于运动密封表面，对表面质量及形状公差要求极高。同时，内筒也是主承载路径上的关键件，对材料等级和缺陷控制也是十分严格。内筒的制造需要满足以下要求：

1） 超长管保证直线度。内筒一般是一个十几米的大长筒，内筒的全长直线度若不能保证，会引起密封橡胶的偏磨，最终会影响密封效果以及缩短密封橡胶的寿命。

2） 大直径薄壁长管表面粗糙度。在伸缩装置服役过程中，内筒与密封胶体在较大的接触应力作用下长时间保持双向的相对运动，若表面粗糙度无法保证，很容易造成密封橡胶的磨损甚至撕裂，影响密封效果和密封橡胶的寿命。

4.4 张紧环结构设计技术

隔水管管串与张紧设备的连接依靠张紧环实现，要求张紧环在传递巨大的轴向拉伸载荷条件下尽量小的传递转矩，即张力环本身相当于一个极大的推力轴承，并且要求转动平滑，启动无爬行等。在产品设计时应达到以下要求：

1） 承载能力强。张紧环需要承载整个隔水管串的拉伸载荷，其承载力设计是产品设计中的关键。

2） 转动平滑。对于部分要求可旋转的张紧环，需确定采用液压推力轴承或者选用传统的轴承满足张紧环旋转的要求；且需要对张紧环启动和运动过程中的摩擦阻力进行设计和检测，转动阻力过大同样会引起隔水管串的扭转过渡，引起系统损伤。

5 伸缩装置发展方向

作为隔水管系统的关键部件，隔水管伸缩装置承担着BOP 坐放、泥浆循环密封、补偿平台升沉运动等重要功能，其可靠性十分重要。目前，海上平台仍然存在隔水管密封失效导致的环境事故，在产品设计中，应着重关注产品的可靠性设计，通过提升设计计算水平、施工水平以及材料能力予以避免。

由于海上平台对可变载荷十分敏感，隔水管系统的质量控制非常重要，隔水管伸缩装置由于其较大的长度和功能集成，使其成为隔水管系统中最重要的一个环节，产品的轻量化设计可以为平台带来较大的经济效益。

另一方面，由于海上工作条件恶劣，危险系数较高，自动化、智能化的装备有利于钻井工作的进行，且降低人员劳动强度和风险。目前，多数隔水管伸缩装置在产品的锁紧、解锁，与张紧环的对接安装，节流压井管线出口与平台设备的连接等工作中，依然需要人力参与。国外产品的一个趋势就是将这些问题交由液压、电控等更先进的自动化方案来解决，在此概念引导下，国外公司开发了一些该类产品。

张紧环和边管终端的集成化也是伸缩装置的一个发展方向。目前的设计中，张紧环以及边管终端的连接多在转盘下方以及月池上方由人工进行对接组装。由于深水隔水管系统装备载荷大、质量大，人工进行安装耗时费力，且在上下升沉运动中的浮式平台月池上方作业非常不利于人员的安全。在实现远程控制安装的同时进行张紧环和边管终端的集成化设计，可以使得结构更加紧凑，操作更方便。

6 结论

1） 根据对隔水管伸缩装置关键功能模块的分析研究，以及对国外同类产品的对比分析，阐明了隔水管伸缩装置的主要功能和关键技术，并提出了伸缩装置关键技术的设计要点。

2） 国际领先的隔水管制造公司已经将轻量化、机械化作为优化设计的方向，并给出了一些实施范例，这也应该成为国内同行进行产品设计的发展目标和方向。包括但不限于：内、外筒锁紧装置平台机械化集成操作；在位可更换的隔水管伸缩装置密封；平台集成控制的气／液两路伸缩装置动态密封；轴承／液压的低转动摩擦张紧环；机械式易安装的边管终端接头及其工具；低摩阻耐海洋气候防腐涂层。