深水套筒式連接器性能測試方法研究

李 博，周 游，郭 宏，朱言順，段夢蘭，徐曉磊

（1.中海油研究總院，北京100027；2.中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；3.南陽二機石油裝備（集團）有限公司，河南 南陽473006） ①

深水套筒式連接器是水下跨接管與水下生產設施（例如采油樹、管匯、PLET與PLEM等）的連接部件，因具有機械接連可靠、連接處不要求管線撓度來補償、偏心誤差小、下放工具完全獨立、可回收、成本低等優(yōu)點，已經廣泛應用于水下生產系統(tǒng)［1］。目前，我國深水套筒式連接器的研制還處于起步階段，國外Cameron、FMC、Oil States等公司掌握了連接器成熟的設計、安裝、測試等關鍵技術［2］，但對外界進行技術封鎖。深水套筒式連接器的測試技術是連接器樣機研制中的關鍵技術，其主要目的是檢測連接器的材料性能、力學性能、安裝性能、連接性能、密封性能及其他性能是否能夠達到安全、穩(wěn)定以及長壽命的要求，對連接器的研究與制造具有重大意義。

1 連接器工作環(huán)境和性能分析

水平套筒式連接器的結構主要由卡爪、轂座、金屬密封、驅動環(huán)、連接器本體等組成，如圖1所示。在工作過程中，驅動環(huán)向前運動帶動卡爪旋轉，抓牢轂面，使連接器本體和轂座對接、鎖緊，同時輪轂內部的金屬密封圈因受擠壓而產生彈性變形，在管道和轂座連接處形成密封。

圖1 套筒式連接器

目前，套筒式連接器已經應用于水深1～3km海域，工作環(huán)境極其惡劣，連接器面臨著安裝困難、內外壓、溫度適應范圍廣、內外腐蝕、跨接管傳遞載荷復雜等問題。在深水環(huán)境，潛水員無法到達此區(qū)域工作，套筒式連接器的安裝只能依靠水下機器人輔助操作，海底轂座的尺寸偏差影響著連接器的安裝性能，因此應用于深水的套筒式連接器要具有較好的可安裝性能。在水深1～3km處，套筒式連接器要同時承受10～30MPa的外部水壓和14～70 MPa的內部油氣壓力，對連接器的密封性能要求非常高，一般采用雙重密封設計，即金屬密封（主密封）＋非金屬密封（二次密封）［3］。連接器可能在有限的時段內直接接觸低溫，工作時內部的油氣溫度較高，所以連接器要適應溫度等級U（－18～＋121℃）。連接器同時承受著外部的海水腐蝕和內部油氣（可能含有CO2、H2S）的腐蝕，其結構要具有耐腐蝕性。在連接器工作時，跨接管傳遞給連接器的載荷非常復雜（例如拉力、壓力、彎距、扭距等），連接器要能承受這些復雜載荷［4］。

2 連接器性能測試方法

連接器的性能測試是測試連接器的強度、剛度、抗彎、抗扭性能以及關鍵部件（例如鎖緊機構與密封結構）的性能，對保證連接器安全、穩(wěn)定、有效具有決定性的意義。在研究中綜合考慮了海底環(huán)境及各種工況，按照相關的標準及工作條件制定了水下連接器合格性測試方法，包括外壓測試、內壓／彎曲／扭轉測試、鎖定與解鎖測試、安裝及密封測試和密封件更換工具測試。

2.1 外壓測試

在施加外壓的條件下，檢測連接器及其安裝工具強度是否滿足要求。將應變片貼在連接器及安裝工具應力較大區(qū)域，連接器端部使用盲板封堵，再將連接器置于高壓試驗艙內［5］。模擬水下1 500m的靜水壓力，應按15MPa壓力進行試驗，保壓無泄漏后，再增壓至22.5MPa（模擬1 500m水深壓力1.5倍）壓力進行試驗，保壓期間壓力變化小于試驗壓力的5%或者3.45MPa。同時通過應力采集系統(tǒng)進行數據采集，并對采集數據進行分析。測試需要的設備為高壓試驗艙（如圖2所示）、數據采集分析系統(tǒng)、智能數控試壓系統(tǒng)等。

圖2 外壓試驗裝置

2.2 內壓／彎曲／扭轉測試

內壓／彎曲／扭轉測試用于檢驗連接器在內壓作用下整體強度是否滿足要求，并在內壓條件下檢驗連接器抗彎曲、抗扭轉能力。

首先將連接器兩端采用盲板封堵，將連接器固定牢靠，將應變片貼在預計應力較大位置；然后將連接器內部空腔加滿水，在34.5MPa（5 000psi）內壓下測試，收集各應變片點應力數據，并進行分析。測試設備為智能數控試壓系統(tǒng)、內壓試驗裝置（如圖3所示）、靜態(tài)（應力）數據采集系統(tǒng)等。

圖3 內壓試驗裝置

將連接器內部壓力升至34.5MPa（5 000psi），保壓30min，無泄漏現象。分別在彎曲試驗臺（如圖4）和扭轉試驗臺（如圖5）上進行彎曲和扭轉操作，使用靜態(tài)應力采集系統(tǒng)進行數據采集。彎矩試驗臺通過單液壓缸對連接器施加彎矩，雙液壓缸對連接器施加扭轉。試驗臺包括底座、雙作用液壓缸、液壓站、液壓控制系統(tǒng)、應力采集系統(tǒng)、操作臺、力矩表及壓力傳感器等，通過液壓控制系統(tǒng)，可實現對連接器施加反復力矩。

圖4 彎曲試驗裝置

圖5 扭轉試驗裝置

2.3 鎖定與解鎖測試

鎖定／解鎖測試是檢測安裝工具鎖定、二次機械釋放及二次機械鎖定能力，并檢測連接器是否會因沖擊載荷、振動、熱力或其他意外載荷導致意外解鎖。

首先將應變片貼在轂座和連接器測量位置，應力傳感器安裝在卡爪上，將轂座放置在6自由度振動試驗臺底部。然后下放安裝工具，模擬連接器軟著陸過程，記錄數據。然后連接器鎖緊，人工操作連接器，進行二次機械鎖定，通過其他設備及試驗臺施加沖擊及振動載荷至少30次，無意外解鎖則視為合格。測試設施為6自由度振動試驗臺（如圖6所示）、靜態(tài)（應力）數據采集系統(tǒng)等。

圖6 6自由度振動試驗臺

2.4 安裝及密封測試

安裝及密封測試是檢驗轂座和連接器之間存在角度偏差（±2°）時，安裝工具的操作能力及保證密封的可靠性。將可調節(jié)底座固定在地面上，使用吊車吊裝連接器進行安裝，傳感器安裝在卡爪和轂座上。使用盲板密封連接器，并注入染色液體，加壓保持3h，壓降不大于測試壓力的2%。同時讀取應力傳感器數據，判斷是否達到設計的預緊力及密封是否可靠，保證在試驗過程中無可見泄漏。測試設備為吊車、可傾斜底座（如圖7所示）、密封加壓系統(tǒng)（能夠提供34.5MPa試驗壓力）、靜態(tài)（應力）數據采集系統(tǒng)等。

圖7 可傾斜底座

2.5 密封件更換工具測試

密封件更換測試是檢驗密封件更換工具是否能夠實現密封件的快速更換。測試設施為吊車、可傾斜底座、ROV模擬手臂、密封件更換工具。分別將可傾斜底座調至0、0.5、1.0、1.5、2.0°傾斜角度，檢測是否能夠完成密封件更換操作。

3 連接器無損檢測和驗收測試方法研究

3.1 無損檢測與載荷測試

無損檢測是在不損傷連接器性能和完整性的前提下，檢測連接器金屬的某些物理性能和組織狀態(tài)，以及查明連接器金屬表面和焊接處內部各種缺陷［6］。測試設備為X光射線探傷機、半自動濕式熒光磁粉探傷機、數字超聲波探傷儀等。

材料載荷測試意在測試連接器材料的強度、低溫性能等性質。吊裝設備非破壞性載荷測試是檢測吊裝設備的提升和下降能力，保證吊裝設備在連接器安裝過程中不會產生破壞性損壞，測試時對吊裝設備施加額定載荷的1.33倍載荷（配重），5min后進行損傷檢驗。

3.2 工廠驗收試驗（FAT）

工廠驗收測試包括制造數據審查、尺寸檢查、沖洗試驗以及壓力／泄漏試驗。

制造數據審查包括連接器本體數據、轂座制造數據、卡爪制造數據等。尺寸檢查測試連接器及其安裝工具各零部件尺寸是否滿足設計要求，加工尺寸是否在公差范圍之內。

沖洗試驗目的在于提高液壓元件及管線的清潔度，保證液壓系統(tǒng)的工作可靠性和元件的使用壽命。試驗設備為洗泵站、便攜式污染度測試儀。

壓力／泄漏試驗是檢驗在靜水壓力作用下，連接器的鎖緊機構是否能夠保證密封，使用90%的乙二醇，所有承壓部件的水壓試驗壓力至少應為額定工作壓力的1.5倍，時間至少3h，在全封閉的條件下進行。在壓力穩(wěn)定之后，應無可見泄露，且壓力不得偏離并超過測試壓力的2%。

3.3 擴展工廠驗收試驗（EFAT）

此項試驗在完成各自的工廠驗收試驗后進行，該試驗的一部分是為了確認子系統(tǒng)（如連接器系統(tǒng)）的控制系統(tǒng)的功能正確性。在擴展工廠驗收試驗期間，對生產系統(tǒng)或者其部分進行模擬。根據子系統(tǒng)配置，擴展工廠驗收試驗還包括子系統(tǒng)關鍵界面的測試。試驗一般包括：操作功能測試；通過入扣板／電插座／其他界面的液壓和電氣連續(xù)性測試；界面檢查（例如入扣板、跨接線、下入工具和水下機器人工具），卸扣／墊板孔眼界面以及吊裝／重力測試以及驗證連接器的可替代性。

3.4 系統(tǒng)完整性試驗（SIT）

對全部系統(tǒng)（或者約定的部分系統(tǒng)）進行系統(tǒng)完整性試驗（包括業(yè)主免費發(fā)放的項目），作為界面、系統(tǒng)功能以及不同子系統(tǒng)之間相互作用的最終驗證。系統(tǒng)完整性試驗一般包括：驗證連接器系統(tǒng)界面（包括剛性跨接管）；一般功能、界面以及水下機器人可用性測試（例如水下機器人面板、水下機器人桿、水下機器人工具、下入工具和吊裝設備）；組裝驗證；連接界面的連續(xù)性測試；操作程序確認；標識驗證；第三方供貨商界面（尤其是水下機器人作業(yè)者）；檢查整個系統(tǒng)的陰極保護等。

4 結論

1） 分析了深水套筒式連接器復雜的工作環(huán)境，即內外壓差大、溫度變化范圍大、內外腐蝕、跨接管傳遞載荷復雜等，并重點分析了連接器為適應工作環(huán)境應具有的性能。

2） 提出了一整套深水套筒式連接器的測試方法，包括合格性測試、無損檢測、載荷測試、工廠驗收試驗、擴展工廠驗收試驗及系統(tǒng)完整性試驗等，檢測連接器的剛度、強度、抗拉壓彎扭能力及其關鍵部件（例如鎖緊系統(tǒng)、密封系統(tǒng)）的材料及整體結構性能。

3） 在設計測試方法時，充分考慮了海底環(huán)境、內外壓力及連接器連接、解鎖、二次鎖緊、轂座傾斜等，以保證測試方法的全面性和準確性。

［1］ 董衍輝，段夢蘭，王金龍，等.深水水下連接器的對比與選擇［J］.石油礦場機械，2012，41（4）：6-12.

［2］ 于芳芳，段夢蘭，郭 宏，等.深水管匯設計方法及其在荔灣3-1氣田中的應用［J］.石油礦場機械，2012，41（1）：24-29.

［3］ 王 懿，段夢蘭，李麗娜，等.深水立管安裝技術進展［J］.石油礦場機械，2009，38（6）：4-8.

［4］ 鄭利軍，段夢蘭，劉軍鵬，等.水下生產系統(tǒng)選型影響因素研究［J］.石油礦場機械，2012，41（6）：67-71.

［5］ 王瑩瑩，段夢蘭，馮 瑋，等.西非深水油氣田典型開發(fā)模式分析［J］.石油礦場機械，2010，39（11）：1-8.

［6］ 高金國，王存義，王 玉.超聲波無損探傷檢測焊接質量研究［J］.黑龍江科技信息，2011（3）：31.