深水水下连接器制造国产化展望

尤学刚，杜夏英，孔令海

（中海石油（中国）有限公司，北京 100010）

深水水下连接器制造国产化展望

尤学刚，杜夏英，孔令海

（中海石油（中国）有限公司，北京 100010）

简要阐述了深水水下连接器的工作原理和组成部分，重点从制造、测试方面的技术工艺难点方面进行了研究探讨，从而对深水水下连接器制造国产化可行性进行了展望。

深水水下连接器；制造测试；国产化

0 引言

水下生产系统已成为深水油气开发中的一种主流模式，深水水下连接是构建完整的水下生产系统不可或缺的一个环节。在各种水下生产设施安装到海底之后，只有借助于水下连接技术和装备，才能将水下井口、水下采油树、水下管汇、水下油气处理设施以及海底管线终端等水下生产设施连接起来，形成一套完整的水下生产系统。因此，深水水下连接器（以下简称水下连接器）是深水油气资源开发中的一项核心关键装备[1]。

近年来，随着全球深水油气开发持续大幅增长，水下连接器的应用愈趋广泛。根据Subsea Engineering Inc等国外权威机构统计，全球每年新增水下生产系统约450套。以一套含6口丛式井的水下生产系统为例，仅采油树与管汇之间的连接就需要多达12套水下连接器。除此之外，采油树与井口之间、管汇与海底管线终端之间都需要连接器。因此，全球每年新增水下连接器需求数量巨大，市场容量高达数十亿人民币。

中国的南海海域是世界四大油气富集地之一，南海深水油气资源的开发将是中国海洋石油工业未来发展的焦点和重点。目前中国南海已有近100套水下连接器，未来的两年内可预见的国内承揽项目中，还将有约120套水下连接器投入使用。可见，水下连接器的国内市场需求量同样很大。

本文将以水下连接器作为切入点，展开讨论水下连接器国产化生产之可行性。

1 水下连接器介绍

水下连接器主要有三种形式：卡爪式连接器、卡箍式连接器、螺栓法兰式连接器，这三种连接器各有优缺点，可根据具体的应用场合选择不同的连接形式，详细介绍如下。

1.1 卡爪式连接器

卡爪式连接器是应用最广泛的水下连接器，尤其是立式连接和超深水连接，如图1所示。卡爪式连接器的工作原理是采用特殊设计制造的卡爪，周向均匀的抓合在对正的管端法兰上，实现管道之间的紧密连接。分为水平卡爪式和垂直卡爪式两种结构。卡爪式连接器具备以下优点：连接可靠、连接速度快；ROV操作友好，可用的ROV工具多；对中误差容忍度高。

国际上多家厂商如FMC、Cameron、Aker Solutions、Vetcogray以及Oil States等均可提供相关产品，压力等级可达 15000psi，连接管径 4″-64″，实际应用水深已超过2000m。他们的产品有着几十年的技术积累，安全性和稳定性能够得到保证，而且在整个安装、运行、维护过程中有着丰富的经验。

图1 卡爪式连接器

1.2 卡箍式连接器

如图 2所示的卡箍式连接器在水下连接中也得到了较多的应用。卡箍式连接器的工作原理是利用活动的卡箍，周向夹紧在两个法兰端，实现管道的紧固与密封。

卡箍式连接器结构简单、安装方便、连接可靠，适应管径范围广（2″-48″），既可用于单管连接也可用于多管束的连接，因此既可用于海底管道的连接，也可用于海底电缆的连接。另外，卡箍式连接既可用于水平管道的连接也可用于垂直管道的连接。

目前，卡箍式连接系统主要有FMC、Aker Solutions等公司的产品，最大应用水深已达1500m，最大压力等级达到15000psi。

图2 卡箍式连接器

1.3 螺栓法兰式连接器

图3所示的螺栓法兰式连接主要应用于浅水管道之间的连接，在潜水员的协助下完成安装，法兰之间的连接通常采用螺栓连接的方式，但在深水中通过螺栓螺母连接的方式进行管道间的连接，就要涉及到很多问题，比如如何定位、如何实现拧紧、如何预紧、以及螺母的安装、拆卸、存放等诸多因素，使得结构变得复杂，对于人不能直接连接的环境恶劣的深海，实现起来就更显困难，尤其它不能保证快速的维修要求，因此法兰式水下连接器在深水环境下应用并不多。

国外的螺栓法兰式连接器，主要有Sonsub公司开发的Brutus系统、Acergy公司研制的Matis系统，能够在无潜水员的条件下实现深水管道对接，设计的最大工作水深为3000m，最大连接管径为24″。

图3 螺栓法兰式连接器

2 制造、测试工艺研究探讨

卡爪式连接器是深水应用最广泛的连接器，也是各大公司研究最为深入的连接器，下文主要以卡爪式连接器为主体，对制造、测试的诸多技术难点展开研究探讨。

2.1 技术难点之一：关键部件制造工艺

针对卡爪式连接系统，研究卡爪、驱动环、上下接头（hub）、密封元件等水下连接器关键零部件的加工制造工艺，要选择配套机械加工装备，并研制卡爪式连接系统关键零部件制造专用工装夹具。制造工艺主要针对以下开展研究：1）结构件焊接变形控制技术研究；2）法兰耐蚀合金堆焊技术研究；3）防腐工艺研究；4）关键部件机加工精度控制技术研究；5）关键部件机加工装备选配研究；6）关键部件机加工工装研制

2.2 技术难点之二：总装技术研究

卡爪式连接系统结构复杂，装配精度要求高，需要研究卡爪式连接系统的装配技术、研制卡爪式连接系统装配专用工装夹具。总装技术主要针对以下开展研究：1）装配工艺研究；2）装配工装研制；3）装配精度控制技术研究

2.3 技术难点之三：测试技术及装备研究

根据国际API 6A、API 17D等标准中的强制规定，必须对产品样机进行一系列严格的性能鉴定试验，以检验其性能。测试技术主要针对以下开展研究：

1）立式卡爪式连接系统实验技术研究。

实验测试项目包括：压力试验/温度试验/压力温度循环试验、外载荷试验、装配和拆卸试验、操作试验、电连续性试验、疲劳试验、高压舱试验等。

2）立式卡爪式连接系统产品 FAT（出厂测试）测试技术研究。

根据API、ISO 等标准规范中对水下生产设施的测试要求，研究卡爪式连接系统产品 FAT的测试内容、测试方法、验收标准以及所需的测试装备。深水 FAT测试主要包括：压力测试（液压系统压力测试、静水压测试及气压测试）、温度测试、密封测试、功能性测试以及阴极保护电位测试等。

3）立式卡爪式连接系统 SIT（系统集成测试）测试技术研究。

卡爪式连接系统SIT测试，主要是配合跨接管、清管回路、管汇等水下生产设施进行系统测试和集成测试，包括跨接管或清管回路与管汇之间的连接和拆除，跨接管、清管回路、管汇的压力试验等[2,3]。

3 结论

如要达到水下连接器的国产化制造程度，除了要掌握精密机加工、特殊材料焊接技术、测试技术等，还要配套相关制造设备、测试设备，配套资金数目比较庞大。由此不难看出，水下连接器是属于高投入、高产值的行业。

当前，国外FMC、Cameron、Aker Solutions、Vetcogray等几家大型石油设备公司凭借雄厚的技术实力占据了全球90%以上的市场份额。国内正有一些公司正在紧锣密鼓地开展研发，努力在未来抢占市场份额。

面对着国外公司的技术垄断和技术封锁，许多技术对于我们而言都是全新的挑战，但是随着研究的继续深化，技术难点将会被逐一突破，国产水下连接器将在国际市场上暂露头角。

[1] 周灿丰, 焦向东, 曹静, 等. 水下跨接管连接器选型设计研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2011, 24(3):75-78.

[2] 国家高技术研究发展计划(863计划)课题实施方案[R].天津: 海洋石油工程股份有限公司, 2012.

[3] 董衍辉, 段梦兰, 王金龙, 等. 深水水下连接器的对比与选择[J]. 石油矿场机械, 2012, 41(4): 6-12.

Prospect of Domestic Manufacturing of Deep Underwater Connector

YOU Xue-gang, DU Xa-ying, KONG Ling-hai
(CNOOC (China) Co., Ltd, Beijing 100010, China)

This paper briefly describes the working principle of subsea connectors and components. The key technical difficulties are discussed from the aspects of manufacturing and testing. The feasibility of domestic manufacturing of deep underwater connector manufacturing are then discussed.

deep underwater connector; manufacturing testing; domestic manufacturing

TE

A

尤学刚（1966-）男，高级工程师。主要从事海洋石油工程建设工作。