水下防喷器组液压连接器现状及发展

王卫华

（1.河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北任丘 062552； 2.河北省井控及井口设备技术创新中心，河北任丘 062552）

水下防喷器组主要由下部防喷器组和下部隔水管总成（LMRP）两部分组成，是深水油气勘探开发最重要的安全设备。而液压连接器是水下防喷器组的核心设备，主要实现下部隔水管总成与下部防喷器组及下部防喷器组和井口的两处关键部位的连接。当钻井作业过程中遇到台风或其他危险事故时，下防喷器组关闭井口，下隔水管总成与下防喷器组通过隔水管液压连接器快速脱断，保证钻井平台迅速撤离。当井位作业完成后，防喷器组通过液压连接器实现快速脱断。

目前，水下防喷器组的技术主要掌握在美国少数生产厂家，在技术和市场上都处于垄断地位[1]，国内经“十一五”、“十二五”国家重大科研项目的支持，已掌握水下防喷器组研制技术，现处于工程化推广阶段。但液压连接器作为水下防喷器组的关键单元设备，还处于研发初期，目前，仅有荣盛公司研制的48-105液压连接器在南海完成1 448m深水海试。为打破国外对海洋井控设备的垄断，加快自主知识产权的水下防喷器组工程化样机应用，国内还需进一步深入了解和研究国外井控装备的研究现状，缩小与国外产品的差距。

1 国外水下防喷器组液压连接器

1.1 维高（Vetco Gray）液压连接器

维高公司研制的液压连接器是H4 锁块形式的，如图1所示，其主要由上壳体、锁紧环、小活塞、下壳体、锁块等组成，多个小液缸通过杆端螺纹与锁紧环连接固定，能带动其上下移动；锁紧环内侧和多个沿周向分布的锁块外侧有自锁配对斜面；锁块内侧有H4型卡牙，锁块之间设计有弹簧。通过平台控制系统的动力液驱动活塞向下运动，进而带动锁紧环下行挤压锁块使其沿着径向收缩与被连接件的外侧H4型卡牙相啮合，完成防喷器组与井口头或LMRP平台与下部防喷器组的快速连接。相反，当需要实施正常脱开或紧急脱开时，驱动活塞向上运动，使驱动环脱离锁块啮合面，完成解锁并与连接件脱开。

图1 维高液压连接器

目前，该公司的液压连接器是世界上应用最早和最多的，通径从13 5/8″~21 1/4″，工作压力从35~140MPa的全覆盖，主要有E×F、HD、SHD等系列。其产品优点：

（1）相对其他家产品操作液量小，使水下紧急备用系统[2]的蓄能器配置较少；

（2）接口被普遍采用，通用性好；

（3）一次和二次解锁能同时使用，增大了解锁力；

（4）模块化设计，小液缸沿圆周均布内嵌到下壳体中，通过组合液缸尺寸大小和数量实现不同尺寸产品的系列化。

其缺点：

（1）采用多个小液缸的组合形成驱动活塞组，所有液缸沿圆周方向均布，数量最多采用12个，虽然有机械同步的设计，但仍然存在多液缸工作同步性[3]差的问题；

（2）当进行解锁操作后，通过锁紧块间的弹簧回弹从啮合处松开解锁，是否完全脱开，还需要借助提升立管等产生的外在拉力使其完全从连接设备的齿槽中脱开，在LMRP平台与防喷器组脱开表现得尤为明显。

1.2 Dril-Quip液压连接器

该公司开发的DXE型液压连接器是一种锁块式的，如图2所示，其主要由上壳体、锁块、活塞、外壳体、二次活塞、锁块扩展器、金属密封钢圈等组成，采用一个大尺寸的环形液缸取代多个小液缸操作，活塞的内侧和沿周向分布的锁紧块外侧设计有自锁配对斜面，锁块内侧上部有与上壳体外侧配合的卡牙，锁块内侧下部有与井口头或LMRP芯轴的卡牙，锁块的下侧有与锁块扩展器配合的斜槽。当液压驱动活塞向上运动时，活塞可通过锁块扩展器带动锁块脱离啮合，完成水下防喷器组两处关键部位的正常或紧急脱开。相反，当活塞向下运动时，使内斜面挤压锁块沿着径向收缩，使其上部与上壳体、下部与连接设备的卡牙啮合，从而完成液压连接器的快速连接。二次活塞能实现连接器的冗余解锁功能，确保在一次解锁失败的情况下，二次活塞向上推动活塞运动，完成液压连接器解锁。

图2 Dril-Quip液压连接器

通径主要是18 3/4″，工作压力是70~140MPa，主要有DX、DXe等系列，虽然入行较晚，但近几年技术发展较快，其连接器设计有一次和二次密封面和配套钢圈，如图3所示，正常使用时，采用一次密封面，在损坏或泄漏的情况下，采用二次密封面，提高了密封可靠性，降低了使用风险。其产品优点：

图3 一次和二次钢圈密封面及配套钢圈

（1）驱动采用整体环形液缸，使得锁紧或解锁过程中锁块承载均匀；

（2）锁块的齿形与上、下连接件啮合，连接齿形呈对称分布，受力比较均衡，比较适用于连接设备间承受轴向载荷的工况。

（3）具有主动解锁机构，保证活塞运动的同时，完成连接器锁块自动从啮合处脱离，提高了解锁的可靠性。其缺点：整体式液缸尺寸比较大，使得设备比较笨重，另外，所需要的操作液量较大，使水下紧急备用系统的蓄能器配置偏多。

1.3 Shaffer液压连接器

该公司开发的CHX型液压连接器是一种卡爪式连接器[3]，如图4所示，其主要由上壳体、中壳体、下壳体、卡爪、活塞、二次活塞、水合物密封等组成，采用一个异型环形大液缸，大部分结构和使用与Dril-Quip公司的连接器类似，不同点是：

图4 Shaffer液压连接器

（1）锁块的啮合方式不是沿径向平动，而是绕着上壳体的卡牙转动；

（2）其活塞内侧和锁块外侧设计了主动解锁卡爪，保证连接器的解锁可靠性；

（3）水合物密封结构采用浮动方式，不管是在连接器解锁和锁紧过程中都跟随活塞运动，防止在水下防喷器组连接作业过程中产生水合物[4]。

通径主要是18 3/4″，工作压力是70~140MPa，其连接器将解锁力提高到了锁紧力143%，并设计有二次活塞，确保其从井口能够快速脱断。其产品优点除了与Dril-Quip公司产品相同外，就是采用了浮动密封的水合物结构，可以在作业过程中有效抑制水合物进入。其缺点除与Dril-Quip产品相同外，其结构件设计相对复杂，要求精度高，给加工制造带来一定的难度。

2 研制建议

1）水下防喷器组液压连接器的锁块或卡爪的锁紧方式可以是平动也可以是转动，为了保证解锁操作的可靠性，应该设计为主动解锁方式，因为在钻井作业过程中遇到台风或其他危险事故时，不能快速完成防下部喷器组与井口头或LMRP平台与下部防喷器组的正常脱开或紧急脱开，属于井控大事故，直接影响平台设备和人员安全。

2）天然气水合物是天然气和水在高压低温下的产物，海洋水深六七百米以下很容易形成水合物，为保护液压连接器的正常使用，应该加抑制剂。因此，液压连接器设计时，应该在锁块顶部有化学药剂注入口，能够实现水合物抑制剂注入，防止在使用过程中在连接器内部的锁紧机构周围形成水合物；在连接器的下部设计防止水合物的密封结构，安装完成后能够卡箍在井口头上，可以有效防止在安装过程中水合物进入连接器内部。

3）密封失效是造成连接器功能性故障的主要原因之一。在深水工作时，液压连接器保证密封冗余性，应具有两个或多个不同密封面，即正常使用一次密封面，当一次密封面损坏，使用二次密封面和配套钢圈完成水下更换，保证了连接器在水下使用过程中更加安全可靠。

3 结束语

1）水下防喷器组液压连接器接触井液部件的材料性能、温度等级应满足API Spec 16A 标准要求，抗硫化氢性能满足NACE Standard MR0175标准要求，其上部的端部连接结构形式应符合API Spec 6A 标准要求，下部连接厂家可以自己设计，如Dril-Quip开发了不同于H4型的连接接口。

2）随着国外陆续出现了温度177℃、压力140MPa的高温高压的液压连接器，“无螺栓”连接的高抗弯性能的连接器，以及多密封面和配套钢圈冗余密封技术的连接器的应用，捕捉到液压连接器未来朝着高温高压、高性能、高可靠性的方向发展。

3）不同结构形式的液压连接器各有优缺点，在研制新的液压连接器时，应集众家所长，在产品结构、密封材料、锁紧和解锁机构等方面有所创新，以提高产品可靠性，实现产品升级换代。

4）水下液压连接器是深水水下设备连接的关键设备，应用非常广泛，价格高昂，目前主要依赖进口，属于“卡脖子”技术之一。因此，国内厂商应该加大力度，以研制具有自主知识产权、高可靠性的液压连接器为契机，缩小与国外产品的差距，为我国能够早日成为海洋强国奠定良好的基础。