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深水海底管道套筒连接器密封接触特性研究 摘要 随着海洋油气资源开发向深海发展的必然性，水下生产系统成为必须掌握的技术。 采用水下生产系统完成深水油气资源的开采、输送是该领域的主要方向。海底管道是水 下生产系统的重要组成部分，水下回接技术是将新开发的、边际和卫星油气田的海底管 道接入已建海底设施，使海洋油气开发变得经济有效。目前深水海底管道连接技术都掌 握在国外海洋石油工程公司，负责设计安装，不能满足我国自主开发深海油气资源的需 求。套筒连接器用于深水海底管道末端连接，采用远程操作工具遥控安装，需要解决高 压密封和安装的问题。针对这些问题，论文对套筒连接器系统整体方案和密封接触特性 进行了研究。 从水下回接技术所需连接器的结构组成和工作原理入手，给出了非整体式套筒连接 器系统的整体方案。非整体式连接系统由安装工具和套筒连接器组成，通过遥控操作潜 水器控制安装工具动作实现套筒连接器的安装，安装完成后，安装工具可从海底回收， 重复使用。 提出了套简连接器的整体密封结构，采用套筒、卡爪、高颈和透镜垫组合的连接结 构，利用套筒的轴向直线运动驱动卡爪径向预紧高颈，实现透镜垫与高颈的高压密封。 金属透镜垫与高颈的锥形密封面相互配合，自动对中性好，有效接触面积小，可以实现 高压密封，并减小套筒连接器的整体尺寸。套筒与卡爪的锥面配合具有自锁功能，可以 增加连接器抵抗压力波动的能力，简化结构组成。利用液压缸直线运动完成连接器的安 装和卸载，操作可靠快速。 建立了套筒连接器的力学模型，分析了预紧状态和操作状态时，套筒、卡爪、高颈 和透镜垫之间的力学接触，提出了基于管道设计压力的套筒连接器预紧载荷和安装载荷 计算公式，在此基础上推导了强度设计公式，为套筒连接器的工程应用奠定了理论基础。 对由卡爪、高颈、透镜垫组成的密封结构进行接触分析，得到了密封接触特性和应 力分布规律。研究表明卡爪和高颈相配合的连接结构比直接轴向预紧可以获得更大的轴 向预紧力，具有放大轴向预紧载荷的特性。研究表明透镜垫在流体压力作用下具有自紧 特性，压力自紧特性与垫片的结构型式、几何尺寸和材料有关。应用分析设计原理，采 用最大变形能理论对高颈失效模式进行应力评定，结果表明根据论文提出的载荷计算公 式及在此基础上推导的强度设计公式所确定的高颈结构安全可靠，不会发生塑性垮塌和 局部失效。 对套筒连接器的临界状态进行分析，研究表明密封状态在5 0 m p a 内安全可靠，说明 论文推导的强度设计校核公式正确有效，能反映出套筒连接器的临界失效状态。 对高颈和透镜垫进行密封液压试验，最高可以实现6 5 m p a 密封。套筒连接器样机的 深水海底管道套筒连接器密封接触特性研究 a b s t r a c t w i t ht h ei n e v i t a b i l i t yo fd e v e l o p m e n to fo f f s h o r eo i la n dg a sr e s o u r c e se x p l o i t a t i o nt o d e e ps e a ，s u b s e ap r o d u c t i o ns y s t e mb e c o m e san e c e s s a r yt e c h n o l o g y , u s i n gi tt oa c h i e v et h e e x p l o i t a t i o na n dt r a n s p o r t a t i o ni st h em a i nd i r e c t i o n s u b s e ap i p e l i n ei sa ni m p o r t a n tp a r to f s u b s e ap r o d u c t i o ns y s t e m t i e - i ni sat e c h n o l o g yt h a tc o n n e c t st h es u b s e ap i p e l i n eo ft h e n e w l yd e v e l o p e d ，m a r g i n a la n ds a t e l l i t eo i lo rg a sf i e l d sw i t ht h eb u i l ts u b s e af a c i l i t i e s ，w h i c h m a k e so f f s h o r eo i la n dg a se x p l o i t a t i o nc o s t e f f e c t i v e n o w , t h ed e s i g na n di n s t a l l a t i o n t e c h n o l o g yo fs u b s e ap i p e l i n ec o n n e c t i o n a r ef u l l ym a s t e r e d b yf o r e i g no f f s h o r e o i l e n g i n e e r i n gc o m p a n y , w h i c hc a r ln o ts a t i s f yt h ed o m e s t i cd e m a n do fs e l f - e x p l o i t e ds u b s e ao i l a n dg a sr e s o u r c e s c o l l e tc o n n e c t o ri su s e df o re n dc o n n e c t i o no fd e e p w a t e rs u b s e ap i p e l i n e a n di n s t a l l e db yr e m o t e l yo p e r a t e dt o o l ，w h i c hn e e d st os o l v et h ep r o b l e m so fh i g h - p r e s s u r e s e a l i n ga n di n s t a l l a t i o n t os o l v e t h e s ep r o b l e m s ，t h i sp a p e ri st os t u d yt h ew h o l es c h e m ea n d s e a l i n ga n dc o n t a c tc h a r a c t e r i s t i c so fc o l l e tc o n n e c t o rs y s t e m f r o mt h es t z u c t u r a l c o m p o s i t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l er e q u i r e df o ro f f s h o r e t i e i n t e c h n o l o g y , t h ep a p e rp r e s e n t e dt h ew h o l es c h e m eo fn o n i n t e g r a lc o l l e tc o n n e c t o rs y s t e m t h es y s t e mc o n s i s t so fi n s t a l l a t i o nt o o la n dc o l l e tc o n n e c t o r , w h i c hr e a l i z e st h ei n s t a l l a t i o no f c o l l e tc o n n e c t o r t h r o u g hr e m o t e l yo p e r a t e dv e h i c l ec o n t r o l l i n gi n s t a l l a t i o nt 0 0 1 a f t e r i n s t a l l i n g ，i n s t a l l a t i o nt o o lc a nb er e t r i e v e df r o mt h es e a b e df o rr e u s e t h ep a p e rp r o p o s e dt h ew h o l es e a ls t r u c t u r eo fc o l l e tc o n n e c t o r , a d o p t i n gc o n n e c t i n g s t r u c t u r ew i t ht h ec o m b i n a t i o no fc o l l e t ，c l a w , h u ba n dl e n s r i n g ，u s i n gt h ea x i a l l i n e a r m o v e m e n to fc o l l e tt od r i v ec l a wt op r e - t i g h th u br a d i a l l y , a c h i e v i n gh i g h p r e s s u r es e a l i n g b e t w e e nl e n sr i n ga n dh u b t h es u r f a c eo fm e t a ll e n sr i n gi ss p h e r i c a lt ow o r kw i t ht h ec o n i c a l s e a l i n gs u r f a c eo fh u b ，a u t o m a t i cs e l f - a l i g n i n gp e r f o r m a n c ei sg o o d ，t h ee f f e c t i v ec o n t a c ta r e a i ss m a l l ，h i g h - p r e s s u r es e a l i n gf u n c t i o nc a nb er e a l i z e d ，w h i c hi sf a v o r a b l et od e c r e a s et h e o v e r a l ls i z eo fc o l l e tc o n n e c t o r t h ec o n i c a l f i t t i n go fc o l l e ta n dc l a wh a v em e c h a n i c a l s e l f - l o c k i n gf u n c t i o n ，w h i c hi n c r e a s e sr e s i s t a n ta b i l i t yo fp r e s s u r ef l u c t u a t i o na n di sf a v o r a b l e t os i m p l i f yt h es t r u c t u r eo fc o l l e tc o n n e c t o r c o l l e tc o n n e c t o rc o m p l e t e st h ei n s t a l l a t i o na n d u n l o a d i n gt h r o u g ht h el i n e a rm o t i o no fh y d r a u l i cc y l i n d e r , t h eo p e r a t i o ni sr e l i a b l ea n dq u i c k t h ep a p e re s t a b l i s h e dt h em e c h a n i c a lm o d e lo fc o l l e tc o n n e c t o r , t h r o u g ha n a l y s i so f c o n t a c tl o a db e t w e e nc o l l e t ，c l a w , h u ba n dl e n sr i n gi np r e l o a d i n ga n do p e r a t i n gc o n d i t i o n ， p r o p o s e dt h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao fp r e t i g h t e n i n gl o a da n da s s e m b l el o a df o rc o l l e tc o n n e c t o r , w h i c hw a sb a s e do np i p e l i n ed e s i g np r e s s u r e t h es t r e n g t hd e s i g nf o r m u l a so ft h ep a r t sw e r e 哈尔滨工程大学博士学位论文 d e d u c e d ，e s t a b l i s h e dt h et h e o r e t i c a lb a s i sf o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no fc o l l e tc o n n e c t o r t h r o u g hc o n t a c ta n a l y s i so fs e a l i n gs t r u c t u r em a d eo fc l a w , h u ba n dl e n sr i n g ，c o n t a c t c h a r a c t e ra n ds t r e s sd i s t r i b u t i o n1 a ww e r eo b t a i n e d t h er e s u l t ss h o wt h a tc o n n e c t i o ns t r u c t u r e b a s e do nc o o r d i n a t i o no fh u bw i t hc l a wc a ng e tb i g g e ra x i a lp r e t i g h t e n i n gl o a dt h a nd i r e c t a x i a lp r e t i g h t e n i n g c o n n e c t i n gs t r u c t u r e ，a n dh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fa m p l i f y i n ga x i a l p r e t i g h t e n i n gl o a d t h er e s u l t ss h o wt h a tl e n sr i n gh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fs e l f - t i g h t e n i n g ， w h i c hi sr e l a t e dt os t r u c t u r a lt y p e ，g e o m e t r i c a ld i m e n s i o na n dm a t e r i a lo fl e n sr i n g a d o p t i n gd e s i g nb ya n a l y s i st h e o r ya n dm a x i m u md e f o r m a t i o ne n e r g yt h e o r yt oe v a l u a t e h u bf a i l u r es t r e s s ，t h er e s u l t ss h o w , b a s e do nt h es t r e n g t hd e s i g nf o r m u l ad e d u c e df r o m c o n t a c tl o a df o r m u l ae s t a b l i s h e di nt h ep a p e r , t h eh u bs t r u c t u r ei ss a f ea n dr e l i a b l e ，p l a s t i c c o l l a p s ea n dl o c a lf a i l u r ew i l ln o th a p p e n t h r o u g ht h ea n a l y s i so f c r i t i c a ls t a t eo fc o l l e tc o n n e c t o r , t h er e s u l t ss h o ws e a l i n gs t a t ei s s a f ea n dr e l i a b l eu n d e r5 0 m p a i ts h o w st h es t r e n g t hd e s i g na n dc h e c kf o r m u l a sa r ec o r r e c t a n dv a l i d ，r e f l e c t st h ec r i t i c a lf a i l u r es t a t eo fc o l l e tc o n n e c t o r h y d r a u l i cp r e s s u r ee x p e r i m e n to nl e n sr i n gw i t hh u ba c h i e v e st h eh i g h e s ts e a l i n gs t a t eo f 6 5 m p a h y d r a u l i cp r e s s u r ee x p e r i m e n to np r o t o t y p eo fc o l l e tc o n n e c t o ri ss a f ea n ds t e a d yi n 5 0 m p a t h ea b o v er e s u l t ss h o wt h es e a l i n gp e r f o r m a n c eo fc o l l e tc o n n e c t o ri ss a f ea n d r e l i a b l e ，t h es t r u c t u r ed e s i g ni sr e a s o n a b l e ，c o n f i r m i n gt h ec o r r e c t n e s sa n de f f e c t i v e n e s so f l o a dc a l c u l a t i o na n ds t r e n g t hd e s i g nf o r m u l a s k e yw o r d s ：s u b s e ap r o d u c t i o ns y s t e m ；s u b s e ap i p e l i n e ；c o l l e tc o n n e c t o r ；h i 曲一p r e s s u r e s e a l i n g 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 石油和天然气是直接关系到国民经济和社会发展，关系到国家安全的重要战略资 源，我国对于石油天然气的需求持续增加，供求矛盾日益加剧。海底埋藏着丰富的石油 和天然气资源，随着陆地和浅海的油气资源逐渐减少甚至枯竭，为了满足不断增长的能 源需求，油气资源的开发重点转向深海 1 _ 引，油气资源开发装备向大型化、多样化及深海 海域发展。海洋石油水下装备由于具有高技术、高投入、高风险等特点，长期以来一直 被国外发达国家所垄断，严重制约了我国海洋油气的自主勘探开发叫】。科技部在2 0 0 4 年 对我国未来1 5 年能源、资源环境和先进制造三个领域的技术发展趋势进行了全面研究， 研究结果显示深海资源开发装备设计制造技术是“未来1 5 年先进制造领域对我国产业发 展最重要的核心技术”之一，已经落后发达国家6 1 0 年 5 】。 海洋油气资源开发中对于深水( d e e pw a t e r ) 这一概念的划分，也随着技术的不断 发展而发生变化，最初一般指水深大于3 0 0 m t 6 。2 0 0 2 年，根据世界石油大会( w o r l d p e t r o l e u mc o n g r e s s ，w p c ) 对海洋资源勘探开发水深的划分，4 0 0 m 以内为常规水深， 4 0 0 m - 1 5 0 0 m 为深水，1 5 0 0 m 以上为超深水。i s o1 3 6 2 8 1 ：2 0 0 5 和a p i1 7 a ：2 0 0 6 ( 石 油和天然气工业一水下生产系统的设计和操作一第1 部分：一般要求和推荐规范) 将深 水定义为6 1 0 m ( 2 0 0 0 f i ) 1 8 3 0 m ( 6 0 0 0 f t ) ，小于或者超过这个范围的水深分别为浅水 和超深水，并且说明了水深划分的依据是出于对设计和技术方面的考虑。 随着海洋油气资源开发向深海海域发展的必然性，水下生产系统成为必须掌握的技 术，水下生产系统是经济、高效开发边际、卫星和深海油气田的关键技术睁1 3 】。海底管道 是水下生产系统的重要组成部分，海底管道的水下连接是海洋工程连接技术研发的难 点、重点和热点【1 4 】。如图1 1 所示，海底管道按应用方式可分为：海底油井和管汇间的 油气输送管道，管汇和生产平台间的油气输送管道，生产平台间的油气内输送管道，生 产平台到岸上的油气外输管道，生产平台通过海底注水管汇到注水井间的输送水或其它 化学物的管道s ，；按刚度可分为刚性管和柔性管，即硬管和软管 1 7 - 1 8 ：按作用可分为海 底输油、气管道，注水管道、服务管道及跨接管。跨接管是一种较短的管状连接件，主 要用于在水下采油树和管汇等水下设备之间连接，也用于向油井注入水和气b 9 吲。我国 深水海底管道铺设技术的研究也刚刚起步，现有工程设计能力、设备状况和作业能力等 都不能满足我国开发深海油气资源的战略发展要求。因此，研究和开发深水海底管道铺 设技术是非常必要也是十分迫切的【2 3 ，。2 0 0 7 年，国家启动“十一五”8 6 3 课题“深水海 底管道铺设技术7 e9 本课题来源于该项目子课题“深水海管水下圄接技术及a u t 检验设 哈尔滨工程大学博士学位论文 备国产化技术研究”，及中国海洋石油总公司“水下分离器及相关技术研究项目支持。 1 2 水下回接技术 图1 1 海底管道应用 f i g 1 1u s eo fs u b s e ap i p e l i n e 水下回接( t i e i n ) 是将新开发的、边际和卫星油气田的海底管道接入已建海底设 施，使海洋油气开发变得经济有效 2 4 2 8 。水下回接技术主要采用水下焊接和机械连接两 种方式 2 9 _ 3 2 ，在深水环境下，。潜水员无法工作，使用机械连接方式可r o y ( r e m o t e l y o p e r a t e dv e h i c l e ，遥控操作潜水器) 控制r o t ( r e m o t e l yo p e r a t e dt o o l ，遥控操作工具) 安装管道连接器( p i p e l i n ec o n n e c t o r ) ，更适于深水环境下的海底管道连接，管道连接器 也可用于海底管道的维修【3 3 3 5 。 1 9 7 0 年，c a m e r o n 公司在墨西哥湾应用水下回接技术。1 9 8 3 年，c a m e r o n 公司在加 利福尼亚海岸完成当时世界最深的机械式水下回接，2 5 9 m ( 8 5 0 f e e t ) ，使用一个r o v 完 成了6 个水下无人潜水连接 3 6 1 。1 9 8 6 年，f m c 设计的水平连接无人潜水回接系统应用在 挪威国家石油公司北海g u l l f a k s 油田【3 7 】。目前国际水下回接技术已超过3 0 0 0 m 水深。 管道连接器主要有三种，螺栓法兰连接器、卡箍连接器和套筒连接器们，分别如 图1 2 、图1 3 、图1 4 所示，特点如下： 螺栓法兰连接技术在工业中广泛应用，理论和技术成熟，使用范围广。但是在海底 管道连接应用时，法兰连接需要使用多个螺栓同时预紧，每个螺栓预紧时都需要使用螺 栓拉伸器拉伸；还需要使用一个旋转法兰以便于螺栓与螺孔的对中，两个配对法兰对中 精度要求高，连接前两法兰端面必须贴近【4 0 圳】；连接器安装工具结构复杂，需要r o v 反 2 第1 章绪论 复操作；连接器结构尺寸大，水下作业工时长。 卡箍连接器使用螺栓少，但也需使用螺栓拉伸器；连接前两高颈必须贴近，对中精 度要求较高；连接器结构尺寸较小，水下作业所需工时比螺栓法兰连接器少。 图1 2 螺栓法兰连接器图1 3 卡箍连接器图1 4 套筒连接器 f i g 1 2b o l t e df l a n g ec o n n e c t o rf i g 1 3c l a m pc o n n e c t o r f i g 1 4c o l l e tc o n n e c t o r 套筒连接器由液压缸直线运动完成预紧和卸载，容易获得大预紧力；无需螺栓拉伸 预紧，连接前高颈无需贴紧，对中精度要求低；套筒和卡爪的接触面可实现自锁，结构 紧凑；装拆方便，操作简便快速，海上作业工时少，节省安装费用。 综上所述，套筒连接器具有外形尺寸小，对中精度要求低，安装快速，拆卸方便， 结构可自锁，安装费用低的特点，可以节约海上作业工时用及减少抢修时间，具有经济 优势和技术优势。 1 3 深水套筒连接器 深水海底管道连接需要解决安装、高压密封和腐蚀难题，设计、安装由国外大型海 洋石油工程公司技术垄断，国内尚未掌握。 国外大型海洋石油工程公司对套筒连接器深水连接技术已有几十年的经验，技术成 熟，应用广泛。但是可以获得的套筒连接器关键技术的研究资料并不多，在收集相关资 料并进行详细分析以及综合对比几个代表性公司的产品之后，对套筒连接器的技术发展 进行了总结。 1 3 1 套筒连接器发展 早期的套筒连接器主要用于水下井口连接，因为早期的水下油气开采在很浅的水 域，井口装置连接后直接伸出水面，对管道的水下连接技术要求不高。随着水下油气开 采水域的逐步加深，对套筒连接器的功能要求也逐步提高，连接不同的水下设施接口， 管径的增大，压力的增高，安装维护的便捷等。 1 9 5 1 年，g o e t t ，j o h nj 设计了自动法兰系统，如图1 5 所示，使用液压缸驱动托盘 3 2 ，使用托盘驱动u 形臂5 转动，由u 形臂上的固连液压缸夹紧两个管端的法兰【4 2 】。 3 哈尔滨工程大学博士学位论文 1 9 6 3 年，a h l s t o n e ，a r t h l l rg 和j o n e s ，m a r v i nr 参考g o e r ，j o h nj 的自动法兰系统设 计了远程控制管道接头装置。如图1 6 所示，钢杆3 1 与套筒2 8 固连，由钢杆往复运动带 动套筒以驱动卡爪4 1 转动，实现管道连接或分开，铁索2 7 起导向作用 4 3 1 。当时水面使用 固定桩基平台，为了解决水深对钻井及完井的影响，以及可以使用浮式平台或作业船， 设计了这个远程控制接头装置，还使用了导引索实现引导对准。这个装置基本上是套筒 连接器的最初原型，专利所有权由当时的c a m e r o ni r o nw o r k si n c 拥有，即现在的c a m e r o n i n t e r n a t i o n a lc o r p o r a t i o n 。 图1 5 自动法兰系统图1 6 远程控制管道接头 f i g 1 5a u t o m a t i cf l a n g es y s t e mf i g 1 6p i p ej o i n th a v i n gr e m o t ec o n t r o lc o u p l i n g 1 9 7 0 年，h e r r i n g ，j o ew 参考遥控管道接头装置设计了管端连接适用的遥控连接释 放装置。如图1 7 所示，使用了引导锥与导向套相互配合实现对准，向连接器外壳与管 道外壁之间的密闭空间注入压力油推动套筒前进，套筒驱动卡爪转动实现夹紧，由铁索 远程拉动凸轮件1 0 0 驱动套筒后退带动卡爪张开，实现连接器的释放。这个装置很重 要，被以后的大部分套筒连接器系统设计所参考引用。 图1 7 遥控连接释放 f i g 1 7r e m o t ec o n n e c t i o nr e l e a s e 图1 8 水下井口设备 f i g 1 8u n d e r w a t e rw e l la p p a r a m s 1 9 7 9 年，e d w a r dj s z y m c z a k 参考h e r r i n g ，j o ew 的连接器设计了活塞杆与套筒固连 的连接器，如图1 8 所示，液压缸在连接器内腔，液压缸通过套筒带动卡爪张开闭合 4 5 】。 1 9 8 5 年，s t e p h e nj w a l k e r 设计了特殊的双肩高颈及双齿卡爪用于管道接头连接装 4 第1 章绪论 置，如图1 9 所示【4 6 。 19 8 6 年，d e r e ks i d w e l l 提 了使用带套筒连接头的短管用于海底破损管道的维修 4 刀， 如图1 1 0 所示。 图1 9 管接头图1 1 0 海底管道维修 f i g 1 10s u b s e ap i p e l i n er e p a i r 图1 1 1 套筒连接器图1 1 2 管道连接装置 f i g 1 11c o l l e tc o n n e c t o rf i g 1 12a p p a r a t u sf o rj o i n i n gp i p e 19 8 7 年，r o n a l dgp e t t u s 和t h o m a sr s c h m i t z 提出了4 肩高颈及4 齿卡爪用于管道接 头连接装置，如图1 1 1 所示 4 8 1 。 1 9 8 9 年，t h o m a sr s c h m i t a 设计了利用连接器外壳与管道外部形成的4 6 、4 8 两个密 闭空间注入压力油来实现套筒的轴向运动。如图1 1 2 所示，套筒通过锁紧块驱动卡爪运 动，实现管道接头的连接与分离c 。们。 2 0 0 5 年，d a v i d s o n 和i a nm c c l y m o n t 等设计了将液压缸固定在管端接头，将驱动环与 活塞固连，卡爪活接在管端接头凹槽的连接器结构，如图1 1 3 所示【s o 】。 5 哈尔滨工程大学博士学位论文 图1 1 3 水下装置机械接头 f i g 1 13m e c h a n i c a lj o i n t sf o rs u b s e ae q u i p m e n t 文献 5 1 】设计了用于套筒连接器的特殊形状金属密封圈。文献 5 2 设计了双肩卡爪 与驱动环三段式接触的特殊套筒连接器结构。可以检索到的套筒连接器研究资料很少， p f a s s i o n 分析了非整体式套筒连接器失效模式，并对卡爪应力集中处的断裂应力进行了 分析t 5 3 。j a c q u e l i n ec h s u 讨论了套筒连接器整体性能【5 4 】。j a e y o u n gl e e 等论述了套筒连 接器在海底管道维修中的应用c s s - s 引。 图1 1 4k c - 4 套筒连接器 图1 1 5k c 5 套筒连接器 f i g 1 1 4k c - 4c o l l e tc o n n e c t o rf i g 1 15k c - 5c o l l e tc o n n e c t o r 对深水套筒连接器连接技术有代表性的国外大型海洋石油工程公司主要有f m c ( f m ct e c h n o l o g i e s ) ，o i ls t a t e s ( 0 i ls t a t e si n d u s t r i e s ，i n c ) ，c a m e r o n 公司等。 f m c 公司8 0 年代早期开始设计套筒连接器，现在已有5 种结构。目前设计水深超过 3 0 0 0 m ( 1 0 0 0 0 f e e t ) ，非整体式套筒连接器水平连接最大外公称管径4 5 7 m m ( 1 8 i n ) ，对应 最大工作压力5 1 7 m p a ( 7 5 0 0 p s i ) ；垂直连接最大外公称管径3 5 5 6 m m ( 1 4 i n ) ，对应最大 工作压力6 9 m p a ( 1 0 0 0 0 p s i ) ；整体式套筒连接器可连接最大外公称管径7 6 2 m m ( 3 0 i n ) ， 对应最大工作压力2 7 6 m p a ( 4 0 0 0 p s i ) 。 6 第1 章绪论 f m c 公司目前可以提供k c 4 、k c 5 两款套筒连接器，如图1 1 4 、图1 1 5 所示，均 能实现自锁功能。其中，k c 一4 型套筒连接器可连接的最大外公称管径为7 6 2 m m ( 3 0 i n ) ， 对应的最大工作压力为2 7 6 m p a ( 4 0 0 0 p s i ) ；最大工作压力为1 0 3 5 m p a ( 1 5 0 0 0 p s i ) 时， 对应的最大外公称管径为3 2 3 9 m m ( 1 2 7 5 i n ) 。k c 5 型套筒连接器可连接的海底管道最 大外公称管径为5 5 9 m m ( 2 2 i n ) ，对应的最大工作压力1 0 3 5 m p a ( 1 5 0 0 0 p s i ) ，高温工况 下最大工作压力6 9 m p 舐1 0 0 0 0 p s i ) 。k c 4 型套筒连接器适用于整体式和非整体式连接器 系统，k c 5 型套筒连接器只适用于整体式连接器系统。 图1 1 6h y d r o t e c h 套筒连接器 f i g 1 16h y d r o t e c hc o l l e tc o n n e c t o r 图1 1 6 所示为o i ls t a t e s 公司的h y d r o t e c h 套筒连接器系统，可连接的最大外公称管 径为1 0 6 7 m m ( 4 2 i n ) ，最大工作压力为1 0 3 5 m p a ( 1 5 0 0 0 p s i ) ，有整体式和非整体式2 种【5 9 】。 c a m e r o n 公司有4 种套筒连接器，如图1 1 7 、图1 1 8 、图1 1 9 和图1 2 0 所示：m o d e l 7 0 套筒连接器，h c 套筒连接器，h c h 4 套筒连接器，d w h c 套筒连接器。其中，h c h 4 和 d w h c 型套筒连接器采用结构特殊设计的卡爪和高颈。非整体式套筒连接器可以连接的 最大管径为5 0 8 m m ( 2 0 i n ) ，对应的最大工作压力为1 0 3 5 m p a ( 1 5 0 0 0 p s i ) ，整体式套筒 连接器可以连接管径为1 6 8 3 m m ( 6 6 2 5 i n ) 一1 3 7 2 m m ( 5 4 i n ) 。水平连接和垂直连接方式 均可，适用于井口、出油管、跨接管、脐带缆终端和清管器环。 m o d e l 7 0 型套筒连接器可以连接最大内管径为5 3 9 8 r a m ( 2 1 2 5 i n ) ，对应的最大工作 压力为6 9 m p a ( 1 0 0 0 0 p s i ) ；最大工作压力为1 0 3 5 m p a ( 1 5 0 0 0 p s i ) 时，对应的最大内管 径为4 7 6 3 m m ( 18 7 5 i n ) 。 h c 型套筒连接器可连接的最大内管径为5 3 9 8 m m ( 2 1 2 5 i n ) ，对应的最大工作压力 为3 4 5 m p a ( 5 0 0 0 p s i ) ；当最大工作压力为1 0 3 5 m p a ( 1 5 0 0 0 p s i ) 时，对应的最大内管径 7 哈尔滨工程大学博士学位论文 为4 7 6 3 r a m ( 1 8 7 5 i n ) ，可以l 匕m o d e l 7 0 型套筒连接器提供更大的预紧力。 h c h 4 型套筒连接器可连接最大内管径为4 7 6 3 m m ( 1 8 7 5 i n ) ，对应的最大工作压力 为1 0 3 5 m p a ( 1 5 0 0 0 p s i ) ，主要用于h 4 井口。 d w h c 型套筒连接器可连接最大内管径为4 7 6 2 5 m m ( 1 8 7 5 i n ) ，对应的最大工作压 力为1 0 3 5 m p a ( 1 5 0 0 0 p s i ) ，主要用于钻井和完井。 图1 1 7m o d e l 7 0 套筒连接器 f i g 1 17m o d e l 7 0c o l l e tc o n n e c t o r 图l 。1 9h c h 4 套筒连接器 f i g 1 19h c h 4e o l l e tc o n l l e c t o l 1 3 2 套筒连接器分类 图1 1 8 h c 套筒连接器 f i g 1 18h cc o l l e tc o n n e c t o r 图1 2 0d w h c 套筒连接器 f i g 1 2 0d w h cc o l l e tc o n n e c t o r 套筒连接器按照系统结构可分为整体式( 液压式) 和非整体式( 机械式) ，如图1 2 1 、 图1 2 2 所示。整体式套筒连接器将c a t ( c o n n e c t o ra c t u a t i o nt o o l ，连接器驱动工具) 与连接器固定连接成一体，管道连接完成后驱动工具留在海底。由于液压缸具有自锁功 能，可以限制套筒与卡爪的相对运动，也称为液压式套筒连接器。 非整体式套筒连接器在管道连接完成后，c a t 与连接器分离，海底没有遗留液压驱 动工具，连接器依靠自身结构的机械特性实现自锁，也称机械式连接器。c a t 完成连接 器安装后可收回水面或进行下一项连接器安装。非整体式套筒连接器由于c a t 可以回收 重复使用，而且在安装完成后不需回收即可进行下一次安装，减少了海底设备固定投入， 缩短整个水下作业过程，成为海底管道连接的主流发展趋势。 8 第1 章绪论 图1 2 l 整体式套筒连接器系统 f i g 1 21i n t e g r a lc o l l e tc o n n e c t o rs y s t e m 套筒连接器按照安装方式可分为4 种， 接，垂直刺入翻转连接，分别如图 、：i i 。o 蓥豆；= j _ 黼豆 _ 。j t 二 一 图1 2 3 水平刺入连接 r i g 1 2 3h o r i z o n t a ls t a bc o n n e c t i o n 图1 2 5 水平牵引连接 f i g 1 2 5h o r i z o n t a lp u l l - i nc o n n e c t i o n 水平刺入连接 图1 2 2 非整体式套筒连接器系统 f i g 1 2 2n o n - i n t e g r a lc o l l e tc o n n e c t o rs y s t e m 水平刺入连接，垂直刺入连接，水平牵引连 1 2 3 、图1 2 4 、图1 2 5 、图1 2 6 所示，特点如下： 图1 2 4 垂直刺入连接 f i g 1 2 4v e r t i c a ls t a bc o n n e c t i o n ：曼 图1 2 6 垂直刺入转动连接 f i g 1 2 6v e r t i c a ls t a ba n dh i n g e o v e rc o n n e c t i o n 海底设施固定接头连接处需要预先装有导向装置，引导锥与管道连接器垂直，引导 锥垂直刺入导向装置，连接器与海底固定接头水平对准。出油管连接需要一个导向装置， 跨接管连接需要2 个导向装置，每个管道连接器都需要有对应的海底导向装置，与垂直 9 一躯 哈尔滨工程大学博士学位论文 刺入连接相比适用于较浅的水深，适用于出油管、脐带缆和跨接管的海底连接。 垂直刺入连接 对准方式不需要特殊安装海底导向装置，整体式和非整体式套筒连接器均有导向套 结构，可直接垂落与海底设施固定接头对准，海底连接效率高。连接时安装工具不与海 底发生干涉，操作可见度好，连接系统整体结构小，不受水深限制。适用于柔性出油管、 脐带缆、立管、柔性和刚性跨接管的海底连接。 水平牵引连接 安装船先把海底管道的着陆端临时放置在海底，连接系统就位后，r o v 将引导索的 卸扣连接在海底设施上，绞盘牵引管道连接器和海底管道到安装位置，对准海底设施固 定接头，连接器安装完成管道连接【6 0 】。这种连接方式适用于出油管和脐带缆海底连接， 连接时间长，需要两个绞盘及引导索。 垂直刺入转动连接 海底设施连接处需要预先装有导向装置，套筒连接器上有铰接的引导锥。套筒连接 器与引导锥垂直刺入导向装置，套筒连接器旋转至水平方向与海底设施固定接头连接。 适用于刚性和柔性出油管、脐带缆和刚性跨接管，水深不受限制。 对比这4 种连接方式，垂直刺入连接整体结构最小，连接速度最快，安装费用最低， 效率最高，最有优势。 1 3 3 套筒连接器总结 以上是套筒连接器在不同时期的简要发展历程、目前达到水平和研究内容，经过分 析总