中國船級(jí)社 萬 波 海洋石油工程股份有限公司 付劍波 陳 卓 中國石油大學(xué) 趙宏林 李育房

水下連接系統(tǒng)包括水下連接器及其安裝工具。水下連接器主要用于連接跨接管和水下設(shè)備（管匯、采油樹、PLET、PLEM等）的一種快速連接接頭，是水下跨接系統(tǒng)的重要組成部分。國外FMC、Cameron、Oil States等公司的連接器及其配套工具技術(shù)成熟，且擁有一套完整的測試驗(yàn)證技術(shù)。國內(nèi)連接器及配套工具的研究起步較晚，且未全面投入使用，其相應(yīng)的完整的測試驗(yàn)證技術(shù)還不完善。

目前，國內(nèi)外均無專門針對(duì)水下連接系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)驗(yàn)證要求，以API17D或ISO3628-4、GB/T21412.4以及ASME SEC VIII Div2標(biāo)準(zhǔn)為主體設(shè)計(jì)依據(jù)；一般來說，ISO13628-1（等效標(biāo) 準(zhǔn)API17A和GB/T21412.1）中對(duì)水下設(shè)備的一般要求都要考慮，尤其是安裝、實(shí)驗(yàn)與拆除部分；螺栓法蘭的設(shè)計(jì)、制造及測試，參照API16A及其等效的國標(biāo)GB/T20174；管路的設(shè)計(jì)一般 參 照ASME B31.3、ASME B31.8標(biāo)準(zhǔn)。

從主性能、主功能的實(shí)現(xiàn)及安全的角度，并結(jié)合水下安裝、測試、維護(hù)的特點(diǎn)，水下連接系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的關(guān)鍵要點(diǎn)歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）水下連接系統(tǒng)的整體性能和功能驗(yàn)證；

（2）保證水下連接器的強(qiáng)度和密封性的設(shè)計(jì)以及材料和防腐要求，以保證水下連接器的基本性能要求；

（3）水下連接器安裝工具的功能要求，包括ROV操作介面（interface）的要求；

（4）制造過程中關(guān)鍵點(diǎn)的質(zhì)量控制；

（5）海洋環(huán)境的測試要求，即海試要求。

1.水下連接系統(tǒng)概述

水下連接系統(tǒng)是水下連接器及其安裝工具的統(tǒng)稱，依據(jù)ISO 13628-1水下連接器的定義如下：能夠形成一個(gè)壓力密閉流程系統(tǒng)的快速連接接頭，通常和跨接管一起亦或單獨(dú)用于連接海底管道與海底管道組件、海底管道與水下設(shè)備、水下設(shè)備間的連接。

水下連接系統(tǒng)按照使用形式的不同可以分為水平連接系統(tǒng)和垂直連接系統(tǒng)。在油氣田水下生產(chǎn)中，我們通常使用以下三種類型的水下連接系統(tǒng)：

a）卡箍式（或者稱夾鉗連接器（Clamp Connector）），如圖1所示。

b）卡爪式（或者稱套筒連接器（Collet Connector ）），還可以根據(jù)驅(qū)動(dòng)方法將其分為液壓式和機(jī)械式兩類；如圖2所示。

c）法蘭式（螺栓法蘭連接器），如圖3所示。

深水連接系統(tǒng)需用水下無潛水下連接系統(tǒng)，通常主要有兩種，一種是卡箍式水下連接系統(tǒng)，另一種是卡爪式水下連接系統(tǒng)。目前，利用潛水員安裝的淺水法蘭（特指螺栓法蘭）連接器在我國也有應(yīng)用。深水用的螺栓法蘭式連接器，價(jià)格昂貴。

圖1：卡箍式連接器

圖2：卡爪式連接器

圖3：螺栓法蘭連接器

2.性能驗(yàn)證試驗(yàn)（PVT）

性能驗(yàn)證一般應(yīng)驗(yàn)證水下連接系統(tǒng)在額定的壓力、溫度和材料級(jí)別相適應(yīng)的試驗(yàn)流體條件下，其性能符合設(shè)計(jì)及其適用規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的要求。試驗(yàn)包括承載能力、操作力或操作扭矩的驗(yàn)證 。

性能實(shí)驗(yàn)主要參照API6A附 錄F、ISO13628-4 5.1.7、ISO10423附錄F及等效的國標(biāo)GB/T21214.4 5.1.7、GB/T22513-2008附錄E。通過對(duì)比分析，并結(jié)合水下連接系統(tǒng)的特點(diǎn)，總結(jié)出水下連接系統(tǒng)性能驗(yàn)證試驗(yàn)（PVT）主要包括室溫下的靜水壓力試驗(yàn)、室溫下的氣壓試驗(yàn)、壓力-溫度循環(huán)試驗(yàn)、裝卸循環(huán)試驗(yàn)、彎矩試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、耐久循環(huán)試驗(yàn)、非金屬材料密封件的試驗(yàn)、操作性能試驗(yàn)、通過背壓測試驗(yàn)證密封有效性試驗(yàn)、承外壓測試等。

趙三軍等給出了套筒連接器內(nèi)、外壓以及彎矩、扭矩測試；付劍波等給出了室溫下靜水壓和氣壓試驗(yàn)、靜水壓循環(huán)試驗(yàn)、載荷試驗(yàn)、最低/最高溫度試驗(yàn)、溫度循環(huán)、耐久性試驗(yàn)，這里不再贅述。

水下連接系統(tǒng)從陸地上制造到海底安裝，以及油氣生產(chǎn)、停產(chǎn)、維護(hù)/維修等，需要經(jīng)歷溫度和壓力的交錯(cuò)變化，所以壓力-溫度循環(huán)試驗(yàn)對(duì)于驗(yàn)證連接系統(tǒng)的密封性非常重要。同時(shí)，連接器的操作性能試驗(yàn)對(duì)于驗(yàn)證鎖緊效果和密封裝置操作性能十分重要。

2.1 壓力-溫度循環(huán)試驗(yàn)

溫度變化期間，應(yīng)監(jiān)視和控制壓力；并應(yīng)遵循下列程序，其相應(yīng)每步程序號(hào)字母參見圖4。保壓期間，最大允許壓降為5%試驗(yàn)壓力或3.45MPa，取小者。

a) 在工作海水環(huán)境溫度和大氣壓力下開始升溫至最高溫度；

b) 施加試驗(yàn)壓力，至少保壓1h，而后泄壓；

c) 降溫至最低溫度；

d) 施加試驗(yàn)壓力，至少保壓1h，而后泄壓；

e) 升溫至工作海水環(huán)境溫度；

f) 在工作海水環(huán)境溫度下施加試驗(yàn)壓力，并且在升至最高溫度期間，保持壓力在試驗(yàn)壓力的50%～100%；

g) 在試驗(yàn)壓力下至少保壓1h；

h) 在保持試驗(yàn)壓力的50%～100%時(shí)，降低溫度至最低溫度；

i) 在試驗(yàn)壓力下至少保壓1h；

j) 升溫至工作海水環(huán)境溫度，升溫期間保持試驗(yàn)壓力的50%～100%；

k) 泄壓，再升溫至最高溫度；

l) 施加試驗(yàn)壓力，至少保壓1h，而后泄壓；

m) 降溫至最低溫度；

n) 施加試驗(yàn)壓力，至少保壓1h，而后泄壓；

o) 升溫至工作海水環(huán)境溫度；

p) 施加試驗(yàn)壓力，至少保壓1h，而后泄壓；

q) 施加5%～10%的試驗(yàn)壓力，至少保壓1h，而后泄壓。

2.2 操作性能試驗(yàn)

水下連接系統(tǒng)應(yīng)能在制造商規(guī)格書規(guī)定的扭矩下工作。連接器的操作扭矩應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證，并做好記錄。

2.2.1 鎖緊裝置操作性能試驗(yàn)

圖4：壓力-溫度循環(huán)試驗(yàn)程序

水下連接系統(tǒng)制造完成后，應(yīng)進(jìn)行鎖緊裝置操作性能試驗(yàn)，步驟應(yīng)參照下列原則進(jìn)行：

（1）將連接器的Hub端固定（法蘭式連接器，固定其中一端）；

（2）采用規(guī)格書中最大的鎖緊壓力鎖緊連接器；

（3）檢測用初級(jí)解鎖系統(tǒng)打開連接器所需要的扭矩，記錄該扭矩；

（4）用制造商推薦的鎖緊壓力的67%重復(fù)（2）和（3）步（法蘭式連接器除外）；

（5）用制造商推薦的鎖緊壓力的33%重復(fù)（2）和（3）步（法蘭式連接器除外）；

（6） 重復(fù)（2）-（5）兩次以上；

（7）如果連接器裝有二級(jí)解鎖系統(tǒng)（越控系統(tǒng)），僅用二級(jí)解鎖系統(tǒng)重復(fù)（2）-（6）（法蘭式連接器除外）；

（8）記錄所有鎖緊扭力和對(duì)應(yīng)的打開壓力；

（9）檢查并記錄鎖緊裝置的磨損情況。

2.2.2 密封裝置試驗(yàn)

水下連接系統(tǒng)制造完成后，應(yīng)進(jìn)行密封裝置操作性能試驗(yàn)，根據(jù)ISO13628-4 7.8 Tree connectors and tubing heads 7.8.3Testing的原則要求，下列原則步驟應(yīng)參照進(jìn)行：

（1）將連接器的Hub端固定適當(dāng)（法蘭式連接器，固定其中一端）；

（2）采用制造商推薦的鎖緊壓力/扭力將連接器鎖緊在連接的另一端。施加5%～10%的額定工作壓力，至少保持3min，然后釋放壓力至零，并解鎖。重復(fù)該步驟5次；

（3）5次循環(huán)并解鎖之后，將連接器（卡箍、卡爪式連接器的母接頭，法蘭式連接器的另一端）提起，然后再回至連接器的Hub端；

（4）施加1.1倍的額定工作壓力，直到連接器密封失效或完成24次壓力循環(huán)；

（5）記錄從連接器的Hub端（法蘭式連接器的其中一端）上拆下連接所需的載荷。

3.工廠驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)（FAT）

工廠驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)（FAT）主要驗(yàn)證水下連接系統(tǒng)的靜水壓、互換性、安裝、密封圈更換要求及密封有效性、防腐、液壓飛頭、安裝工具液壓驅(qū)動(dòng)器、通徑測量、稱重等項(xiàng)目是否與檢驗(yàn)要求一致。本文在此僅針對(duì)重要的試驗(yàn)進(jìn)行論述。

3.1 靜水壓力試驗(yàn)

3.1.1 靜水壓力試驗(yàn)要求

靜水壓力試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力為1.5倍的額定工作壓力。

循環(huán)次數(shù)依據(jù)檢驗(yàn)要求，一般情況下，不低于3.1.2的技術(shù)要求。

3.1.2 試驗(yàn)程序及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

a) 打壓至試驗(yàn)壓力的5%～10%，保壓3min，無泄漏，泄壓；

說明：試驗(yàn)低壓保壓能力。

b) 打壓至試驗(yàn)壓力，保壓3min，無泄漏；

說明：試驗(yàn)超壓保壓能力。

c) 泄壓至額定工作壓力，保壓15min，無泄漏；

說明：試驗(yàn)超壓保壓能力（額定工作壓力和超壓保壓能力在此中合并試驗(yàn)），泄壓至額定工作壓力，試驗(yàn)超壓后，回復(fù)至額定工作壓力后的保壓能力。

d) 泄壓至試驗(yàn)壓力的5%～10%，保壓3min，無泄漏，泄壓；

說明：試驗(yàn)連接器工作后，降至低壓時(shí)的保壓能力。

e) 若無泄漏，交替加壓至額定工作壓力，然后泄壓，循環(huán)200次，每一次均不要求保壓期，但要求無可視滲漏、泄漏；

說明：試驗(yàn)交替工作后的保壓能力。

f) 重復(fù)試驗(yàn)步驟a和d。

3.1.3 壓力試驗(yàn)接收標(biāo)準(zhǔn)

（1）由于測試液體和設(shè)備管路之間的溫差所引起的初始?jí)毫ο陆祷蛏仙强梢越邮盏?，但前提是這種壓力波動(dòng)最終能穩(wěn)定下來。如果壓力不能穩(wěn)定下來，檢查并修補(bǔ)滲漏處。在壓力穩(wěn)定下來后，重新調(diào)整壓力至試驗(yàn)壓力值。在測試中的壓力穩(wěn)定階段，應(yīng)隔離開打壓設(shè)備；

（2）不接受任何可視的液體滲漏、泄漏。最大壓降不超過試驗(yàn)壓力的5%或3.45MPa，取其小者。

3.2 安裝與拆卸試驗(yàn)

安裝與拆卸實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證安裝過程中的導(dǎo)向、對(duì)中、拉緊、鎖緊等功能。

安裝完成后，應(yīng)依據(jù)3.1.2 a)-d)的要求進(jìn)行靜水壓力試驗(yàn)，以驗(yàn)證安裝的有效性。

對(duì)于常用的卡爪式連接器、卡箍式連接器、螺栓法蘭式連接器的安裝與拆卸實(shí)驗(yàn)宜參照表1。

表1：連接器安裝與拆卸實(shí)驗(yàn)

3.3 密封有效性試驗(yàn)（背壓測試）

安裝完成后及密封圈更換后對(duì)連接器密封有效性進(jìn)行測試。

3.3.1 試驗(yàn)壓力的確定

試驗(yàn)壓力由技術(shù)規(guī)格書的要求確定，但一般情況下，試驗(yàn)壓力不低于工作水深的1.2倍，但不必大于工作水深加100米水深對(duì)應(yīng)的壓力。

3.3.2 試驗(yàn)程序與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

a）施加試驗(yàn)壓力，保壓時(shí)間不小于1h，應(yīng)無泄漏；

b）如有壓降，最大壓降不超過試驗(yàn)壓力的5%或3.45MPa，取其小者。

3.4 液壓飛頭強(qiáng)度及密封性性能試驗(yàn)

3.4.1 試驗(yàn)程序及要求

強(qiáng)度及密封性性能試驗(yàn)，宜按照下列步驟進(jìn)行：

a）對(duì)液壓飛頭組件及其管線，施加1.1倍額定工作壓力，保壓時(shí)間不小于3min，應(yīng)無泄漏；

b）升壓至1.5倍的額定工作壓力，保壓時(shí)間不小于3min，應(yīng)無泄漏；

c）泄壓至額定工作壓力，保壓時(shí)間不小于3min，應(yīng)無泄漏，完全泄壓；

d）施加額定工作壓力，保壓時(shí)間不小于3min，無泄漏，完全泄壓；

e） 重復(fù)d）步操作2次。

3.4.2 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

不接受任何可視的液體滲漏、泄漏。最大壓降不超過試驗(yàn)壓力的5%或3.45MPa，取其小者。

4.系統(tǒng)完整性實(shí)驗(yàn)（SIT）

4.1 一般要求

系統(tǒng)完整性試驗(yàn)主要測試水下連接系統(tǒng)與其他相關(guān)聯(lián)系統(tǒng)（如ROV）的介面合理性、聯(lián)合功能測試、性能測試。下列內(nèi)容在測試中應(yīng)重點(diǎn)觀注。

4.2 安裝工具液壓操作系統(tǒng)、連接件密封性試驗(yàn)

水下連接安裝工具的液壓操作部件（如液壓飛頭等）連接完成后，應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)密封性試驗(yàn)，以測試系統(tǒng)密封性的完整性。

試驗(yàn)壓力為1.1倍的額定工作壓力，保壓時(shí)間為3min，系統(tǒng)無泄漏。因?yàn)橄褚簤猴w頭這樣的連接件，在操作中過程中的承壓時(shí)間并不長，故降低了保壓時(shí)間。

4.3 安裝與回收試驗(yàn)

4.3.1 安裝與回收試驗(yàn)要求

安裝工具能夠在試驗(yàn)場地進(jìn)行水下連接器的模擬連接，并鎖緊，連接過程順利。連接后按照4.2.1進(jìn)行密封性試驗(yàn)。

應(yīng)特別注意試驗(yàn)完成后，確認(rèn)一、二級(jí)鎖緊機(jī)構(gòu)與轂沒有不可接受的劃痕或擦傷。

4.3.2 更換密封圈后的密封有效性測試

安裝完成后，進(jìn)行密封有效性測試（一般采用背壓測試方法進(jìn)行），背壓測試保壓時(shí)間不少于15min。

此處僅要求15分鐘，不同于本文中3.3 密封有效性試驗(yàn)（背壓測試）要求的時(shí)間長，主要因?yàn)榇颂帪镾IT試驗(yàn)，只是證明密封圈更換后密封有效，證明的是結(jié)果，而非包括性能。

5.工程環(huán)境測試

5.1 工程環(huán)境測試的特點(diǎn)

工程環(huán)境測試是指在水中模擬海上工程施工時(shí)的過程與操作。工程環(huán)境測試與海試的主要區(qū)別在于，前者不要求在海上，且用實(shí)際的工程船進(jìn)行測試。共同點(diǎn)是，水下的安裝、就位與操作，應(yīng)在無人為直接干涉下完成，即完全通過ROV協(xié)助完成。

工程環(huán)境測試一般測試機(jī)械連接等功能測試和密封測試，如已安裝在水下設(shè)備上，還應(yīng)與水下設(shè)備一起做功能試驗(yàn)，并滿足整體密封試驗(yàn)要求。

工程環(huán)境測試概念的提出，主要是針對(duì)新研發(fā)產(chǎn)品的性能測試。

5.2 工程環(huán)境測試（海試）要求

海試前，在陸上要完成海上試驗(yàn)的所有項(xiàng)目，并經(jīng)檢驗(yàn)合格，海試試驗(yàn)前，應(yīng)做好海試應(yīng)急預(yù)案。工程環(huán)境測試合格的產(chǎn)品，在功能上是合格的。至于海水腐蝕性性能、與油氣的適用性等性能不能證明。

工程環(huán)境測試主要包括功能試驗(yàn)和操作成功驗(yàn)證性試驗(yàn)：

5.2.1 功能試驗(yàn)

a） 水下連接器的安裝；

b） 水下連接器的鎖緊，對(duì)于卡爪式連接器包括二級(jí)鎖緊；

c） 水下連接器的拆卸；

d） 密封圈更換試驗(yàn)；

e） 背壓試驗(yàn)。

5.2.2 性能試驗(yàn)

此處的性能試驗(yàn)為操作成功驗(yàn)證性試驗(yàn)，如水下連接器安裝完成后，應(yīng)進(jìn)行密封性有效性測試，步驟如下：

a）在條件允許的情況下，應(yīng)依據(jù)：打壓至試驗(yàn)壓力的5%～10%，保壓3min，無泄漏、泄壓的要求進(jìn)行靜水壓力試驗(yàn)，以驗(yàn)證安裝的有效性；

b）如操作性能試驗(yàn)已經(jīng)通過，可依據(jù)更換密封圈后的密封有效性測試的要求進(jìn)行背壓測試，以驗(yàn)證密封的有效性；

c）密封圈更換后，應(yīng)依據(jù)相關(guān)要求進(jìn)行密封性有效性測試。

6.結(jié)論

（1） 水下連接系統(tǒng)作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)重要的連接部件，其承受壓力、溫度、拉、扭等主要載荷，對(duì)于新產(chǎn)品進(jìn)行基于工作環(huán)境溫度的壓力-溫度循環(huán)試驗(yàn)十分必要，可有效測試整體性能和功能、尤其是密性的有效性；

（2） 操作性能測試是保證水下連接系統(tǒng)安裝、維護(hù)和回收能否順利實(shí)現(xiàn)的重要測試過程。尤其是在無人為協(xié)助或干擾下，能夠讓ROV順利完成操作最為重要。這也是本文要求水下連接系統(tǒng)進(jìn)行海試的重要原因。

（3） 本文水下連接系統(tǒng)的測試驗(yàn)證技術(shù)依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工程經(jīng)驗(yàn)，從PVT、FAT、SIT、工程環(huán)境測試四個(gè)方面給出較為詳細(xì)、系統(tǒng)的測試驗(yàn)證方法，可以給工程設(shè)計(jì)、新產(chǎn)品研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)的制定、完善提供較好的借鑒。