□ 赵三军 □ 段梦兰 □ 刘亚磊 □ 李旭东 □ 林建国 □ 李 博

1．中国石油大学（北京）海洋油气研究中心 北京 102249 2．中海油研究总院 北京 100027

随着陆上油气资源的枯竭，各国已把目光移向油气资源丰富的海洋。深水区域的油气资源相对浅水区域更丰富，人类开采的方向也从浅水逐渐转向深水。随着深水区域油气资源不断被发现，水下生产系统已成为一种重要的深水开发模式［1］。水下连接器是水下生产系统的重要组成部分，其主要作用是为水下生产设施连接，包括水下采油树与水下管汇的连接、跨接管与水下采油树的连接、PLET（管道终端）与PLEM（终端管汇）的连接等［2-3］。密封件是连接器的核心部件之一，而密封件又是易损件，为保证连接器能够长期安全地工作，必须适时地更换密封件，因此对密封件更换工具的研究和设计十分重要。

目前，国内针对深水连接器密封件更换工具的研究基本处在刚起步的阶段，哈尔滨工程大学和中国石油大学已对连接器进行相关研究［4-8］，但工程上应用的产品主要依赖于进口。国外目前市场上成熟的连接器产品主要来自FMC、Cameron和OilStates3个公司，更换工具在实际工程中已经发展得很成熟，但是相关资料很少，相应的公司对外部实施严格保密。

因此，我国设立了两个重大科技专项对连接器和其它水下生产设施进行研究。本文主要根据水平套筒式连接器的特点，设计了相应的密封件更换工具，通过对更换工具的结构及其特点进行分析研究，为形成我国具有自主知识产权的水平连接器密封件的更换工具提供有力的技术支持。

1 水平套筒式连接器

套筒式连接器分为机械式和液压式，主要由核心部件和辅助部件组成，核心部件包括公毂座、母毂座、金属密封件、卡爪、驱动环等；辅助部件有定位机构、轴向锁紧机构、液压元件、控制面板等。笔者设计的密封件的更换工具主要用于1500m水下机械式水平套筒式连接器。机械式水平套筒式连接器包括连接器和安装工具，连接器由核心部件组成，安装工具由辅助部件组成。工作原理是：驱动环向前运动带动卡爪，使卡爪与公、母毂座啮合，从而锁紧毂座，同时毂座内的金属密封件因受挤压发生塑性变形，从而起到密封的效果。

深水套筒式连接器是先在水面与跨接管连接在一起，然后一同安装到水下设施上。在水下安装时要用工具将连接器的两个毂座连接在一起，并且要在毂座之间用密封件密封。周游［9］等研究了水平套筒式连接器的安装方案。当密封件损坏时，还需要用到安装工具对连接器进行解锁和重新锁紧来完成密封件的更换。图1为水平套筒式连接器核心部件，图2为正在通过索具下放安装工具。

2 更换工具的结构设计

2．1 总体结构设计

密封件更换首先要对连接器进行解锁和重新锁紧，这些操作都是由安装工具来完成的。密封件更换工具用于在安装工具对连接器解锁之后对密封件的替换。

▲图1 水平套筒式连接器核心部件

▲图2 下放安装工具

▲图3 拆卸工具

▲图4 上装工具

此密封件的更换工具有两个：一是拆卸旧密封件时用的拆卸工具，二是装新密封件时的上装工具。更换工具主要由下放系统和主体结构组成，密封件的更换需要对连接器进行解锁和重新锁紧，解锁和重新锁紧的操作都是由水平连接器安装工具来完成的，由ROV（水下机器人）抓手抓住下方系统上的ROV抓板来完成更换工具的下放和回收。安装工具的总体结构设计如图3和图4所示。

2.2 主体结构的设计

本方案对密封件的更换是用两步法完成的，用到两种工具：拆卸工具和上装工具。这两个工具的下放系统是一样的，但主体结构是不同的，主体结构与毂座的配合分别如图5和图6所示。

各部件的状态与作用为：公毂座固定在海底，在密封件更换过程中无任何移动。外架安装在更换工具外侧，为更换工具的对位起辅助作用。拆卸工具壳体与下放系统连接。斜弹簧与母毂座、斜插钉配合，挤压斜插钉，使斜插钉能够外移锁住密封件。斜插钉固定在母毂座上，负责卡住密封件。导向块控制斜插钉的运动轨迹，C型环将导向块固定在母毂座上。更换母毂座时，由安装工具带动左右移动。弹性圆环因结构特点具备弹性，在更换过程中顶开斜插钉，同时被旧密封件撑开，当密封件进入后恢复原状锁住密封件。弹性圆环与拆卸工具壳体用螺钉连接。旧密封件更换时被母毂座压入弹性圆环内，拆卸完成后随拆卸工具一起回收。

垂直插钉更换前与水平插钉的粗直径处配合，上装工具工作时与水平插钉细直径处配合。垂直弹簧与垂直插钉、更换工具壳体配合，向外推垂直插钉。上装工具壳体与下放系统相连接。水平插钉，有一段较细的直径，更换时，被公毂座按下，细直径处与垂直插钉配合。水平弹簧与水平插钉、更换工具壳体配合，向外推水平插钉。固定栓与垂直插钉固联，将新密封件固定在上装工具的中心，上装工具与公毂座、母毂座配合时往外移动释放新密封件。新密封件在更换前安装在上装工具上，更换完成后被母毂座的斜插钉卡住。.

上装工具的垂直插钉与水平插钉的配合为：母毂座将上装工具的水平插钉压入，水平插钉左移，由于弹簧的作用使两个插钉的配合由粗直径变为细直径，垂直插钉将沿它们轴向方向外移，使固定栓与密封件脱离，从而释放密封件。图7为垂直插钉与水平插钉的配合示意图。

2.3 下放系统的结构设计

2.3.1 下放系统设计要求

当连接器内密封件需要更换时，首先下放安装工具，对连接器进行解锁，然后通过更换工具的下放系统下放拆卸和上装工具。下放系统设计要求如下。

▲图5 拆卸工具主体

▲图6 上装工具主体

▲图7 两个插钉的粗细直径配合

▲图8 更换工具下放至安装工具

（1）能够与水下安装工具相应结构配合，完成更换工具的定位。

（2）定位完成后，能够让更换工具在水平方向上移动，完成与公毂座、母毂座的配合。

（3）能够借助ROV的帮助完成下放。

2．3．2 下放系统的设计

在连接器安装工具上增加2根横杆，作为更换工具下放机构的接收装置，更换工具由ROV运载并坐落到这两根横杆上。横杆的另一个功能是作为下放机构的滑道，下放机构能够沿着横杆滑动完成水平方向的移动，如图8所示。

3 更换步骤

（1）当密封件需要更换时，首先下放安装工具进行解锁，之后将连接器主体整体右移，由于斜插钉的卡紧使旧密封件跟随连接器右移且不掉落，用ROV抓住垂直架顶部的ROV抓板，将拆卸工具放到横杆上。如图8，在横杆滑道和滑块上分别有2个弹簧，当驱动板向左移动时，顶住下放机构的右侧钉，使下放机构向左移动，此时，弹簧1只略微压缩，弹簧2明显压缩，使拆卸工具主体与母毂座配合。驱动板继续左移，由于拆卸工具已经与母毂座配合，弹簧2不再压缩，弹簧1开始发生明显压缩，使公毂座与拆卸工具配合。在配合过程中，斜插钉将首先被弹性圆环的斜面支开，旧密封件落入弹性圆环中。随后，旧密封件继续被连接器主体压紧，弹性圈被迫向外张开一定角度，损坏的密封件被挤入弹性圆环，并被内突起卡住，从而取下旧密封件。

（2）母毂座在安装工具作用下向右移动，同时，拆卸工具在横杆上的弹簧作用下，向右移动一段距离，当有足够大空隙时，再由ROV移走密封件拆卸工具。

（3）将带有新密封件的上装工具下放到横杆上，安装工具带动连接器主体及上装工具整体左移，使上装工具与公毂座和母毂座配合。配合过程中，公毂座将上装工具的水平插钉压入，水平插钉左移，使与垂直插钉的配合由粗直径变为细直径，上装工具释放新密封件，而斜插钉由于弹簧的作用，锁紧密封件到母毂座。

（4）母毂座在安装工具作用下向右移动，同时，上装工具在横杆上的弹簧作用下，向右移动一段距离，当有足够大空隙时，再由ROV移走密封件上装工具。

（5）最后，由安装工具重新锁紧连接器。

4 有限元分析

为了保证设计的更换工具能够安全可靠地工作，对更换工具的主要受力部件垂直架和弹性圆环进行了有限元分析［10］。

4．1 垂直架的有限元分析

垂直架承载了更换工具的主要重量 （拆卸工具主体结构和上装工具主体结构分别约300kg），此外，还承受1500m水压。由于它特殊的外形，对它的强度和刚度都有较高要求。选用合金钢材料，具体参数见表1。

表1 选用的合金钢主要参数

用有限元分析软件ABAQUS进行分析，得到垂直架在1500m水深、承受外载荷300kg情况下的应力与位移，如图9所示。由图9可以看出，垂直架最大应力为69．62MPa， 远小于材料620．4MPa的屈服强度。垂直架的最大位移为6．769mm，变形对更换工具的主体结构与公母毂座的对中产生影响，可以在制造垂直架时预留6．8mm的变形量，与其工作时的变形量相抵消，以保证对中效果。

4．2 弹性圆环的有限元分析

弹性圆环要有一定的弹性，材料为弹簧钢，其主要参数见表2。在ABAQUS中固定弹性圆环的底部，给密封件施加一个位移，得到图10所示的应力云图。

▲图9 垂直架的有限元分析

▲图10 弹性圆环的有限元分析

表2 选用的弹簧钢主要参数

如图10所示，弹性圆环受到的最大应力为62．43 MPa，远小于其屈服强度620．4MPa，所以弹性圆环的设计是合理的。

5 总结

（1）连接器安装工具能够提供给更换工具的空间十分有限，质量易超过ROV的承载范围，所以要求设计的更换工具体积和质量应尽量小。

（2）在水深1500m的海底恶劣环境条件下工作，对连接器密封件更换工具的设计满足了轻巧化、快捷化、安全化、实用化、经济化的客观要求。

（3）通过对更换工具的主要部件进行了有限元分析，表明设计的更换工具能够满足强度要求，能够安全可靠的工作。

（4）我国海洋油气装备的发展还相对落后，要加强理论研究和提升制造、测试水平，早日打破国外对我国的技术封锁，实现海洋石油装备的国产化。

［1］ Hansen R L，Rickey W P．Evolution of Subsea Production Systems:aWorldwide Overview ［C］．OTC 7628，1994．

［2］ David Carter Allensworth,Timothy William Crown．Subsea Gang Connector System ［P］． United States Patent:US7172447 B2,2007-02-06．

［3］ 王莹莹,王德国,段梦兰,等．水下生产系统典型布局形式的适应性研究［J］．石油机械,2012,40 （4）:58-63．

［4］ 石东兵．海底油气水平管道连接器关键技术研究 ［D］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010．

［5］ 谭磊．水下管道卡压式连接器与连接机具关键技术研究［D］．哈尔滨：哈尔滨工程大学 2012．

［6］ 关俊峰．卡爪式深海管道自动连接机具技术研究 ［D］．哈尔滨：哈尔滨工程大学,2009．

［7］ Yanshun Zhu,Xiaolan Luo,Menglan Duan,et al,Installation Technology of Deepwater Vertical Collet Connector ［J］．Advanced Materials Research，2012，524-527，1465-1470．

［8］ 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．

［9］ 周游,段梦兰,郭宏,等．深水水平套筒式连接器定位技术［J］．石油矿场机械,2013,42（9）:18-22．

［10］ 石亦平,周玉蓉．ABAQUS有限元分析实例详解［M］．北京:机械工业出版社,2006．