水下防噴器組液壓連接器現(xiàn)狀及發(fā)展

王衛(wèi)華

（1.河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北任丘 062552； 2.河北省井控及井口設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新中心，河北任丘 062552）

水下防噴器組主要由下部防噴器組和下部隔水管總成（LMRP）兩部分組成，是深水油氣勘探開發(fā)最重要的安全設(shè)備。而液壓連接器是水下防噴器組的核心設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)下部隔水管總成與下部防噴器組及下部防噴器組和井口的兩處關(guān)鍵部位的連接。當(dāng)鉆井作業(yè)過(guò)程中遇到臺(tái)風(fēng)或其他危險(xiǎn)事故時(shí)，下防噴器組關(guān)閉井口，下隔水管總成與下防噴器組通過(guò)隔水管液壓連接器快速脫斷，保證鉆井平臺(tái)迅速撤離。當(dāng)井位作業(yè)完成后，防噴器組通過(guò)液壓連接器實(shí)現(xiàn)快速脫斷。

目前，水下防噴器組的技術(shù)主要掌握在美國(guó)少數(shù)生產(chǎn)廠家，在技術(shù)和市場(chǎng)上都處于壟斷地位[1]，國(guó)內(nèi)經(jīng)“十一五”、“十二五”國(guó)家重大科研項(xiàng)目的支持，已掌握水下防噴器組研制技術(shù)，現(xiàn)處于工程化推廣階段。但液壓連接器作為水下防噴器組的關(guān)鍵單元設(shè)備，還處于研發(fā)初期，目前，僅有榮盛公司研制的48-105液壓連接器在南海完成1 448m深水海試。為打破國(guó)外對(duì)海洋井控設(shè)備的壟斷，加快自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水下防噴器組工程化樣機(jī)應(yīng)用，國(guó)內(nèi)還需進(jìn)一步深入了解和研究國(guó)外井控裝備的研究現(xiàn)狀，縮小與國(guó)外產(chǎn)品的差距。

1 國(guó)外水下防噴器組液壓連接器

1.1 維高（Vetco Gray）液壓連接器

維高公司研制的液壓連接器是H4 鎖塊形式的，如圖1所示，其主要由上殼體、鎖緊環(huán)、小活塞、下殼體、鎖塊等組成，多個(gè)小液缸通過(guò)桿端螺紋與鎖緊環(huán)連接固定，能帶動(dòng)其上下移動(dòng)；鎖緊環(huán)內(nèi)側(cè)和多個(gè)沿周向分布的鎖塊外側(cè)有自鎖配對(duì)斜面；鎖塊內(nèi)側(cè)有H4型卡牙，鎖塊之間設(shè)計(jì)有彈簧。通過(guò)平臺(tái)控制系統(tǒng)的動(dòng)力液驅(qū)動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)鎖緊環(huán)下行擠壓鎖塊使其沿著徑向收縮與被連接件的外側(cè)H4型卡牙相嚙合，完成防噴器組與井口頭或LMRP平臺(tái)與下部防噴器組的快速連接。相反，當(dāng)需要實(shí)施正常脫開或緊急脫開時(shí)，驅(qū)動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，使驅(qū)動(dòng)環(huán)脫離鎖塊嚙合面，完成解鎖并與連接件脫開。

圖1 維高液壓連接器

目前，該公司的液壓連接器是世界上應(yīng)用最早和最多的，通徑從13 5/8″~21 1/4″，工作壓力從35~140MPa的全覆蓋，主要有E×F、HD、SHD等系列。其產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)：

（1）相對(duì)其他家產(chǎn)品操作液量小，使水下緊急備用系統(tǒng)[2]的蓄能器配置較少；

（2）接口被普遍采用，通用性好；

（3）一次和二次解鎖能同時(shí)使用，增大了解鎖力；

（4）模塊化設(shè)計(jì)，小液缸沿圓周均布內(nèi)嵌到下殼體中，通過(guò)組合液缸尺寸大小和數(shù)量實(shí)現(xiàn)不同尺寸產(chǎn)品的系列化。

其缺點(diǎn)：

（1）采用多個(gè)小液缸的組合形成驅(qū)動(dòng)活塞組，所有液缸沿圓周方向均布，數(shù)量最多采用12個(gè)，雖然有機(jī)械同步的設(shè)計(jì)，但仍然存在多液缸工作同步性[3]差的問(wèn)題；

（2）當(dāng)進(jìn)行解鎖操作后，通過(guò)鎖緊塊間的彈簧回彈從嚙合處松開解鎖，是否完全脫開，還需要借助提升立管等產(chǎn)生的外在拉力使其完全從連接設(shè)備的齒槽中脫開，在LMRP平臺(tái)與防噴器組脫開表現(xiàn)得尤為明顯。

1.2 Dril-Quip液壓連接器

該公司開發(fā)的DXE型液壓連接器是一種鎖塊式的，如圖2所示，其主要由上殼體、鎖塊、活塞、外殼體、二次活塞、鎖塊擴(kuò)展器、金屬密封鋼圈等組成，采用一個(gè)大尺寸的環(huán)形液缸取代多個(gè)小液缸操作，活塞的內(nèi)側(cè)和沿周向分布的鎖緊塊外側(cè)設(shè)計(jì)有自鎖配對(duì)斜面，鎖塊內(nèi)側(cè)上部有與上殼體外側(cè)配合的卡牙，鎖塊內(nèi)側(cè)下部有與井口頭或LMRP芯軸的卡牙，鎖塊的下側(cè)有與鎖塊擴(kuò)展器配合的斜槽。當(dāng)液壓驅(qū)動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞可通過(guò)鎖塊擴(kuò)展器帶動(dòng)鎖塊脫離嚙合，完成水下防噴器組兩處關(guān)鍵部位的正常或緊急脫開。相反，當(dāng)活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，使內(nèi)斜面擠壓鎖塊沿著徑向收縮，使其上部與上殼體、下部與連接設(shè)備的卡牙嚙合，從而完成液壓連接器的快速連接。二次活塞能實(shí)現(xiàn)連接器的冗余解鎖功能，確保在一次解鎖失敗的情況下，二次活塞向上推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，完成液壓連接器解鎖。

圖2 Dril-Quip液壓連接器

通徑主要是18 3/4″，工作壓力是70~140MPa，主要有DX、DXe等系列，雖然入行較晚，但近幾年技術(shù)發(fā)展較快，其連接器設(shè)計(jì)有一次和二次密封面和配套鋼圈，如圖3所示，正常使用時(shí)，采用一次密封面，在損壞或泄漏的情況下，采用二次密封面，提高了密封可靠性，降低了使用風(fēng)險(xiǎn)。其產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)：

圖3 一次和二次鋼圈密封面及配套鋼圈

（1）驅(qū)動(dòng)采用整體環(huán)形液缸，使得鎖緊或解鎖過(guò)程中鎖塊承載均勻；

（2）鎖塊的齒形與上、下連接件嚙合，連接齒形呈對(duì)稱分布，受力比較均衡，比較適用于連接設(shè)備間承受軸向載荷的工況。

（3）具有主動(dòng)解鎖機(jī)構(gòu)，保證活塞運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，完成連接器鎖塊自動(dòng)從嚙合處脫離，提高了解鎖的可靠性。其缺點(diǎn)：整體式液缸尺寸比較大，使得設(shè)備比較笨重，另外，所需要的操作液量較大，使水下緊急備用系統(tǒng)的蓄能器配置偏多。

1.3 Shaffer液壓連接器

該公司開發(fā)的CHX型液壓連接器是一種卡爪式連接器[3]，如圖4所示，其主要由上殼體、中殼體、下殼體、卡爪、活塞、二次活塞、水合物密封等組成，采用一個(gè)異型環(huán)形大液缸，大部分結(jié)構(gòu)和使用與Dril-Quip公司的連接器類似，不同點(diǎn)是：

圖4 Shaffer液壓連接器

（1）鎖塊的嚙合方式不是沿徑向平動(dòng)，而是繞著上殼體的卡牙轉(zhuǎn)動(dòng)；

（2）其活塞內(nèi)側(cè)和鎖塊外側(cè)設(shè)計(jì)了主動(dòng)解鎖卡爪，保證連接器的解鎖可靠性；

（3）水合物密封結(jié)構(gòu)采用浮動(dòng)方式，不管是在連接器解鎖和鎖緊過(guò)程中都跟隨活塞運(yùn)動(dòng)，防止在水下防噴器組連接作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生水合物[4]。

通徑主要是18 3/4″，工作壓力是70~140MPa，其連接器將解鎖力提高到了鎖緊力143%，并設(shè)計(jì)有二次活塞，確保其從井口能夠快速脫斷。其產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)除了與Dril-Quip公司產(chǎn)品相同外，就是采用了浮動(dòng)密封的水合物結(jié)構(gòu)，可以在作業(yè)過(guò)程中有效抑制水合物進(jìn)入。其缺點(diǎn)除與Dril-Quip產(chǎn)品相同外，其結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，要求精度高，給加工制造帶來(lái)一定的難度。

2 研制建議

1）水下防噴器組液壓連接器的鎖塊或卡爪的鎖緊方式可以是平動(dòng)也可以是轉(zhuǎn)動(dòng)，為了保證解鎖操作的可靠性，應(yīng)該設(shè)計(jì)為主動(dòng)解鎖方式，因?yàn)樵阢@井作業(yè)過(guò)程中遇到臺(tái)風(fēng)或其他危險(xiǎn)事故時(shí)，不能快速完成防下部噴器組與井口頭或LMRP平臺(tái)與下部防噴器組的正常脫開或緊急脫開，屬于井控大事故，直接影響平臺(tái)設(shè)備和人員安全。

2）天然氣水合物是天然氣和水在高壓低溫下的產(chǎn)物，海洋水深六七百米以下很容易形成水合物，為保護(hù)液壓連接器的正常使用，應(yīng)該加抑制劑。因此，液壓連接器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該在鎖塊頂部有化學(xué)藥劑注入口，能夠?qū)崿F(xiàn)水合物抑制劑注入，防止在使用過(guò)程中在連接器內(nèi)部的鎖緊機(jī)構(gòu)周圍形成水合物；在連接器的下部設(shè)計(jì)防止水合物的密封結(jié)構(gòu)，安裝完成后能夠卡箍在井口頭上，可以有效防止在安裝過(guò)程中水合物進(jìn)入連接器內(nèi)部。

3）密封失效是造成連接器功能性故障的主要原因之一。在深水工作時(shí)，液壓連接器保證密封冗余性，應(yīng)具有兩個(gè)或多個(gè)不同密封面，即正常使用一次密封面，當(dāng)一次密封面損壞，使用二次密封面和配套鋼圈完成水下更換，保證了連接器在水下使用過(guò)程中更加安全可靠。

3 結(jié)束語(yǔ)

1）水下防噴器組液壓連接器接觸井液部件的材料性能、溫度等級(jí)應(yīng)滿足API Spec 16A 標(biāo)準(zhǔn)要求，抗硫化氫性能滿足NACE Standard MR0175標(biāo)準(zhǔn)要求，其上部的端部連接結(jié)構(gòu)形式應(yīng)符合API Spec 6A 標(biāo)準(zhǔn)要求，下部連接廠家可以自己設(shè)計(jì)，如Dril-Quip開發(fā)了不同于H4型的連接接口。

2）隨著國(guó)外陸續(xù)出現(xiàn)了溫度177℃、壓力140MPa的高溫高壓的液壓連接器，“無(wú)螺栓”連接的高抗彎性能的連接器，以及多密封面和配套鋼圈冗余密封技術(shù)的連接器的應(yīng)用，捕捉到液壓連接器未來(lái)朝著高溫高壓、高性能、高可靠性的方向發(fā)展。

3）不同結(jié)構(gòu)形式的液壓連接器各有優(yōu)缺點(diǎn)，在研制新的液壓連接器時(shí)，應(yīng)集眾家所長(zhǎng)，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、密封材料、鎖緊和解鎖機(jī)構(gòu)等方面有所創(chuàng)新，以提高產(chǎn)品可靠性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品升級(jí)換代。

4）水下液壓連接器是深水水下設(shè)備連接的關(guān)鍵設(shè)備，應(yīng)用非常廣泛，價(jià)格高昂，目前主要依賴進(jìn)口，屬于“卡脖子”技術(shù)之一。因此，國(guó)內(nèi)廠商應(yīng)該加大力度，以研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、高可靠性的液壓連接器為契機(jī)，縮小與國(guó)外產(chǎn)品的差距，為我國(guó)能夠早日成為海洋強(qiáng)國(guó)奠定良好的基礎(chǔ)。