深水采油树井口连接器锁紧机构设计研究

井口采油树防盗装置设计与实施小组名称：安徽采油厂采油二队QC小组编写人：赵邦所在单位：安徽采油厂采油二队二〇〇八年十一月井口采油树防盗装置设计与实施赵邦刘胜束潘月昀【简介】采油二队位于村落之中，其管辖的各油井（共38口）、水井(共11口)大多分散于乡间田野，与百姓屋舍靠得非常的近。

近年来，我队多次发生有不法分子夜间行盗事件，对象主要为废弃管道流程和采油树、注水树配件，如闸门、卡箍等。

其中采油树、注水树配件被盗给我队生产影响较大，如不能测试油井动液面、套管气外排产生的安全环保问题和影响油井井下情况的正常、无法对水井实施洗井同时无法录取套压数据等。

为了设法解决此问题，我队一方面加大对偏僻井、隐蔽井的巡查力度，一方面组织人员研究防盗技术，设计防盗装置，从根本上防止偷盗井口配件的事件发生。

经过2个月的努力，我队成功设计并制作了一套工具及配件，在部分偷盗频次较高的井上实施后，取得显著的效果。

【关键词】采油树井口卡箍内六角扳手防护帽井口防盗装置一、井口防盗装置的设计（一）防盗的对象和部位目前，我队各采油井、注水井均采用普通250井口，各部件连接均使用卡箍连接。

卡箍连接的方式不仅能起到承压能力强，而且方便拆卸，给现场安装、施工、维护等作业提供了便利。

但正因如其方便拆卸，造成了部分采油树、注水树经常配件经常被盗。

经常发生盗窃采油井和注水井一般分散在田间，离值班室远，离村舍较近，较隐蔽、偏僻。

而发生盗窃的部位分别为，采油树──井口大四通左右两侧套管闸门和卡箍及短接等；注水树──正洗进液闸门与套压闸门之间的一段流程和测试闸门上端的卡箍及短接，包括泄压闸门。

见下图红线圈住的部分为易发生盗窃部位。

（二）设计方案的确定为了防止偷盗事件的再次发生，我队加强了夜间巡查但难以凑效，偷盗行为仍然发生。

偷盗行为发生的随机和迅速的特点使得能现场逮到进行教育的可能几乎像大海捞针，所以必须使用一种可靠的、行之有效的办法将被盗部位保护起来，从根本上预防不法分子的行为。

深水液压卡爪式法兰连接器的设计
深水液压卡爪式法兰连接器是一种专门用于深水油气装备的连接器，
其设计要求需要具备以下特点：
一、结构设计
深水液压卡爪式法兰连接器采用分体式设计，即分为上下两部分。

上
部分是卡头模块，下部分是法兰模块。

卡头模块采用卡爪式结构，可
以与下部分的法兰模块卡合紧密，达到密封效果。

另外，该连接器还
有一个限位装置，可以限制连接器的转动角度，保证连接的稳定性。

二、材料选择
深水液压卡爪式法兰连接器的材料需要具备以下特性：具有优异的耐
腐蚀性、耐高温性和耐磨性。

通常采用316L不锈钢，镍基合金等材料。

三、密封设计
深水液压卡爪式法兰连接器的密封设计相比传统的螺纹连接器有很大
的优势。

它采用卡爪式结构，通过卡头模块上的卡爪将两个连接器拧紧，保证了其紧密性。

同时，该连接器还采用环形密封圈，可达到更
好的密封效果。

四、安全性设计
深水液压卡爪式法兰连接器的安全性设计十分重要。

对于深海油气装备来说，安全性是首要考虑的因素。

它采用双向锁定系统，不会因外界因素（如海浪、风浪等）而发生连接解锁和卡爪断裂等危险情况。

五、应用范围
深水液压卡爪式法兰连接器主要适用于深水油气装备领域，在海洋石油勘探开发中具有广泛的应用前景。

由于其安全性、稳定性和密封性好，能够适应较为恶劣的海上环境。

总之，深水液压卡爪式法兰连接器的设计应该具备良好的结构设计、材料选择、密封设计、安全性设计和应用范围。

在海洋油田领域，它将发挥重要作用，助力油气开发的顺利进展。

安全接头类装置在石油钻采工业中广泛应用，在水平井和大斜度井中，由于管柱转动的扭矩很难传递到井底，所以机械丢手可靠性低，液压安全接头是能够实现大斜度井和水平井顺利丢手的保障，当前常用的结构由丢手头、钢球、定位销钉、球座和工具接头组成。

该安全装置，对于大斜度井和水平井而言，憋压后，支撑开槽螺纹的滑套剪断销钉后向下运动，最后挂在开槽螺纹下部，不能实现支撑开槽螺纹的滑套完全脱离开槽螺纹，导致丢手可靠度很低，耗时费力，大大降低了丢手成功率和工作效率。

因此随着油田水平井和大斜度井的不断开发，急需一种能实现液压丢开成功率高、分离可靠的安全接头装置。

目前常用的螺纹安全接头由母接头、公接头、上“O”形密封圈、下“O”形密封圈组成。

该类安全接头主要存在以下不足：该种安全接头采用的是正转管柱倒扣实现安全接头的分离，在直井或者小斜度的井中，该工艺没有问题。

在水平井、侧钻井或者大斜度井中，采用倒扣分离安全接头的方式行不通，管柱扭矩传递不到安全接头。

另一种常用安全接头由上接头、下接头和剪钉组成。

该类安全接头主要存在以下不足：该类安全接头采用的是上提管柱剪断剪钉的方式实现安全接头的分离，该安全接头在下井的过程中，如遇到顿撞等情况，剪钉极易提前剪断，导致安全接头提前分离，这种安全接头的可靠性和安全性得不到保障，也对后期的作业造成不利。

锁紧式安全接头，解决了倒扣式安全接头不能应用于水平井、大斜度井的缺点。

通过设计的锁块克服了工具入井过程中安全接头剪钉容易剪断的问题。

保证施工成功率。

本设计不仅可以用于水平井，也可用于大斜度井和直井。

一、锁紧式安全接头特点本文设计的一种锁紧式安全接头，采用液压分离和剪断剪钉分离相结合的设计方式，克服了倒扣式安全接头不能应用于水平井、大斜度井的缺点。

设计了安全锁块锁紧装置，解决了工具入井过程中安全接头剪钉容易剪断的问题。

同时锁紧环和锁紧筒的设计保证了安全锁块充分释放，保证施工成功率和施工质量。

二、锁紧式安全接头结构分析锁紧式安全接头结构如图1所示，主要由上接头1、锁紧环2、锁紧筒3、中心管4、上密封圈5、进液孔6、外筒7、下密封圈8、启动剪钉9、安全锁块10、提拉剪钉11、下接头12组成。

水下井口头系统研究及其密封总成结构设计分析的开题报告一、研究背景和意义水下井口头系统是一种特殊的装置，广泛应用于海上钻井、生产油气、海洋资源勘探等领域。

其主要功能是在水下深度将井口头连接至井口树或管线系统，保证油气开采过程顺利进行。

然而，水下井口头系统面临着高压、高温、高腐蚀等极端环境的挑战，要求其具备高强度、密封可靠、使用寿命长等特点。

因此，本研究旨在针对水下井口头系统的关键技术问题，进行理论和实践探索，开展密封总成结构设计和分析工作，提升其抗压、耐腐蚀、密封性等关键性能指标，为深海油气勘探和开采提供技术支持。

二、研究内容和方法本研究主要包括以下内容：1.水下井口头系统的基本结构和工作原理研究：通过分析井口头系统的结构组成、连接方式和工作过程，掌握其基本特点和动态行为。

2.密封总成结构设计与分析：针对井口头系统的密封总成结构，进行系统设计，包括密封元件的形状、材料、安装方式等，同时进行应力、变形、密封性等多项性能分析，以确保其满足使用要求。

3.工程样机设计和试验验证：基于密封总成结构设计方案，进行工程样机的设计和制造，开展压力、密封性等试验验证，提升其可靠性和安全性。

研究方法主要包括：文献综述、理论分析、数值模拟、实验研究等。

三、预期研究成果和创新点1.针对水下井口头系统密封总成结构的设计与分析，提出符合实际需求的设计解决方案，为该领域技术发展提供有力支撑。

2.基于设计方案，制造出具有优异性能的工程样机，验证设计方案的可靠性和安全性，为进一步的推广应用提供重要依据。

3.本研究开展的水下井口头系统密封总成结构设计和分析工作具有一定的创新性和实用性，有助于提高其在海洋资源开采和钻探领域的应用价值。

２０２４年第５３卷第２期第４１页石油矿场机械犗犐犔　犉犐犈犔犇　犈犙犝犐犘犕犈犖犜２０２４，５３（２）：４１ ４７文章编号：１００１ ３４８２（２０２４）０２ ００４１ ０７水下采油树油管挂犆型锁环高效力学分析王　星，王宝富，鞠少栋，王世强，岳明阳（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，广东深圳，５１８０００）①摘要：为了有效解决水下采油树与油管悬挂器锁紧时，Ｃ型锁环与其驱动部件接触非线性和大变形非线性导致的计算收敛困难、速度慢的问题，提出了一种直接在Ｃ型环上加载径向位移替代传统驱动部件加载的方式进行有限元分析，并结合与驱动部件之间的力学关系推导获取Ｃ型环力学分析结果的方法。

建立了Ｃ型锁环在径向位移加载下的理论数学模型，通过有限元分析验证了理论模型的正确性；结合实际应用模型，验证了该力学分析方法可有效提升有限元分析的收敛速度，具有较强的可行性与高效性，对类似部件力学性能分析具有重要的借鉴意义。

关键词：水下采油树；油管挂；锁环；力学分析；有限元分析中图分类号：ＴＥ９５２ 文献标识码：Ａ 犱狅犻：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１ ３４８２．２０２４．０２．００６犈犳犳犻犮犻犲狀狋犕犲犮犺犪狀犻犮犪犾犃狀犪犾狔狊犻狊犕犲狋犺狅犱狅犳犔狅犮犽犻狀犵犆 狉犻狀犵狅犳犛狌犫狊犲犪犡 狋狉犲犲犜狌犫犻狀犵犎犪狀犵犲狉ＷＡＮＧＸｉｎｇ，ＷＡＮＧＢａｏｆｕ，ＪＵＳｈａｏｄｏｎｇ，ＷＡＮＧＳｈｉｑｉａｎｇ，ＹＵＥＭｉｎｇｙａｎｇ（犆犖犗犗犆犈狀犲狉犜犲犮犺 犇狉犻犾犾犻狀犵牔犘狉狅犱狌犮狋犻狅狀犆狅．，犛犺犲狀狕犺犲狀５１８０００，犆犺犻狀犪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪）［７］　王冬雪，赵荣军，孟庆荣．ＦＨＺ２８ １０５环形防喷器的研制［Ｊ］．机械设计，２０１３，３０（３）：９９ １０１．［８］　杨玉刚，忽宝明，罗乃林，等．环形防喷器壳体铸造工艺方案的改进［Ｊ］．热加工工艺，２００８（１３）：１３４ １３５．［９］　赵军，唐洋．环形防喷器壳体有限元分析及试验研究［Ｊ］．石油机械，２０１３，４１（２）：８７ ９０．［１０］　朱祥军，吴怡．环形防喷器的声发射检测［Ｊ］．无损检测，２００８，３０（６）：３５９ ３６２．［１１］　邓勇刚，曲伟，李忠明，等．一台环形防喷器壳体内部缺陷的安全评价检测［Ｊ］．价值工程，２０１３，３２（２）：６９ ７０．［１２］　ＷａｎｇＬｉ，ＹａｎｇＴａｎｇ，ＹｕｆａＨｅ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘ ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｒｉｔｉｃａｌｓｔｒｅｓｓｒｅｇｉｏｎｓｏｆｄｅｅｐｗａｔｅｒａｎｎｕｌａｒｂｌｏｗｏｕｔｐｒｅｖｅｎｔｅｒ［Ｊ］．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＦａｉｌｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓ，２０１９，１０６：１０４１６１．［１３］　ＭｏａｄｈＭａｌｌｅｋ，ＴａｏｕｆｉｋＷａｓｓａｒ，ＭａｔｔｈｅｗＡ．Ｆｒａｎｃｈｅｋ．ＰｈｙｓｉｃｓＢａｓｅｄＭａｃｈｉｎｅＬｅａｒｎｉｎｇｆｏｒＡｎｎｕｌａｒＢｌｏｗｏｕｔＰｒｅｖｅｎｔｅｒＨｅａｌｔｈＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇ［Ｒ］．ＯＴＣ ３０６８４ＭＳ，２０２０．［１４］　唐秋林，黄治湖，郑泳，等．多功能一体式防喷器组研制［Ｊ］．机械工程师，２０２２（２）：３６ ３８．［１５］　Ｍ．Ｂ．Ａｌｌｅｎ，Ｊ．Ｐ．Ｐｒｅｓｔｏｎ，ＰｒｅｓｃｏＳｙｓｔｅｍｓ．ＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆａ３０ ｉｎ．，３，０００ ｐｓｉＢｌｏｗｏｕｔＰｒｅｖｅｎｔｅｒ［Ｒ］．１９８６，ＳＰＥ１４９７６．［１６］　ＸｕｍｉｎｇＣｈｅｎ，ＲａｙＺｏｎｏｚ，ＨａｍｉｄＡ，ｅｔａｌ．ＴｈｅＣｈａｌｌｅｎｇｅｏｆＥｌａｓｔｏｍｅｒＳｅａｌｓｆｏｒＢｌｏｗｏｕｔＰｒｅｖｅｎｔｅｒＢＯＰａｎｄＷｅｌｌｈｅａｄ／ＣｈｒｉｓｔｍａｓＴｒｅｅｓｕｎｄｅｒＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ［Ｒ］．ＯＴＣ ３０９４５ ＭＳ，２０２１．［１７］　ＡＳＭＥ锅炉及压力容器材料委员会．ＡＳＭＥ锅炉及压力容器规范［Ｍ］．北京：中国石化出版社，２０１８．①　收稿日期：２０２３ ０９ １３　基金项目：中海油能源发展股份有限公司重大科技专项“浅水水下采油树设计集成技术研究”（ＨＦＫＪ ＺＸ ＧＪ ２０２２ ０５）。

水下采油树闸阀及连接器关键测试技术及应用①刘 晓1,2,张 宁1,2,朱 伟3,李 森1,2,刘程程1,2,熊 涛3,李泽邦1,2(1.青岛海洋工程水下设备检测有限公司,山东青岛 266237;2.国家海洋设备质量检验检测中心(山东),山东青岛 266237;3.重庆前卫科技集团有限公司,重庆 401122)摘要 作为水下采油树系统的关键部件,水下阀门和井口连接器面临着极其复杂的海洋服役环境,必须经过测试验证其能够满足相关标准和规范规定的开启㊁关闭㊁锁紧㊁解锁㊁密封㊁承压㊁承载等性能要求㊂为充分模拟水下低温高压及复合加载的额定水深工况,研究了基于A P I S p e c 17D ㊁A P I S pe c 6A 标准的水下闸阀和液压井口连接器的关键测试技术,提出了一套复合测试的方法程序和测试系统,并顺利完成了对国产化装备的实验室测试应用㊂关键词 水下采油树;闸阀;井口连接器;额定水深;复合工况;测试方法;应用中图分类号:T E 952 文献标志码:A 文章编号:20957297(2023)006106d o i :10.12087/oe e t .2095-7297.2023.02.10K e y T e s t i n g T e c h n o l o g i e s a n d A p pl i c a t i o n o f G a t e V a l v e a n d C o n n e c t o r U s e d i n S u b s e a C h r i s t m a s T r e eL I U X i a o 1,2,Z H A N G N i n g 1,2,Z H U W e i 3,L I S e n 1,2,L I U C h e n g c h e n g 1,2,X I O N G T a o 1,2,L I Z e b a n g1,2(1.Q i n g d a o M a r i n e E n g i n e e r i n g a n d S u b s e a E q u i p m e n t I n s p e c t i o n a n d T e s t i n g C o .,L t d .,Q i n g d a o S h a n d o n g 266237,C h i n a ;2.N a t i o n a l C e n t e r f o r M a r i n e E q u i p m e n t Q u a l i t y I n s p e c t i o n &T e s t i n g (S h a n d o n g ),Q i n g d a o S h a n d o n g 266237,C h i n a ;3.C h o n g q i n g q i a n w e i t e c h n o l o g i e s g r o u p C o .,L t d .,C h o n g q i n g ,401122,C h i n a )A b s t r a c t A s t h e k e y c o m p o n e n t s o f t h e s u b s e a C h r i s t m a s t r e e s ys t e m ,u n d e r w a t e r v a l v e s a n d w e l l h e a d c o n n e c t o r s a r e f a c e d w i t h e x t r e m e l y c o m p l e x m a r i n e s e r v i c e e n v i r o n m e n t ,a n d m u s t b e t e s t e d t o v e r i f y t h a t t h e y ca n m e e t t h e p e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t s o f r e l e v a n t s t a n d a r d s a n d s p e c i f i c a t i o n s f o r o p e n i n g ,c l o s i n g ,l o c k i n g ,u n l o c k i n g ,s e a l i n g,p r e s s u r e b e a r i n g ,l o a d b e a r i n g ,e t c .I n o r d e r t o f u l l y s i m u l a t e t h e w o r k i n g c o n d i t i o n s o f u n d e r w a t e r l o w t e m pe r a t u r e a n d h i g h p r e s s u r e a s w e l l a s t h e r a t e d w a t e r d e p t h u n d e r c o m b i n e d l o a d i n g ,t h e k e y t e s t i n g t e c h n o l o gi e s o f u n d e r w a t e r g a t e v a l v e s a n d h y d r a u l i c w e l l h e a d c o n n e c t o r s b a s e d o n A P I S p e c 17D a n d A P I S pe c 6A s t a n d a r d s w e r e s t u d i e d ;a s e t of c o m b i n e d t e s t i ng m e th o d s ,p r o c e d u r e s a n d t e s ti n g s y s t e m s w e r e p r o p o s e d ;a n d t h e l a b o r a t o r yt e s t i n g a p p l i c a t i o n o f d o m e s t i c e q u i p m e n t w a s s u c c e s s f u l l y c o m pl e t e d .K e y wo r d s s u b s e a c h r i s t m a s t r e e ;g a t e v a l v e ;w e l l h e a d c o n n e c t o r ;r a t e d w a t e r d e p t h ;c o m p o s i t e w o r k i n g c o n d i t i o n ;t e s t m e t h o d ;a p pl i c a t i o n 0 引 言水下生产系统日益成为海洋油气资源开发的主要模式之一㊂采油树作为水下生产系统的重要设备,其工作性能会对整个水下油气生产状况产生直接影响[1]㊂水下采油树主要由井口连接器㊁油管悬挂器㊁顶部/内部堵塞器㊁树帽㊁树体㊁阀门以及各类通路等系统部件组成[2]㊂目前,国内已成功研发①作者简介:刘晓(1994 ),女,硕士研究生,工程师,主要从事海洋工程装备测试与评估方面的研究㊂E -m a i l :l i u x i a o _t a r ge t @163.c o m ㊂第10卷 第2期2023年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E Q U I P M E N T A N D T E C H N O L O G YV o l .10,N o .2J u n .,2023㊃62㊃海洋工程装备与技术第10卷出了从浅水到深水的国产化水下采油树系统,并在我国南海㊁渤海等油气田应用[3㊁4]㊂水下阀门和井口连接器作为水下采油树系统的关键部件,不仅承受着内部油气冲蚀,还承受着外部高压㊁低温以及强腐蚀等复杂环境的影响㊂因此,其在投入使用之前必须进行一系列测试,以验证产品能否满足额定工作条件的要求㊂目前,国内发布的G B /T 21412系列标准与I S O 13628系列㊁A P I 17系列标准要求基本一致㊂国际标准中存在的问题,国标中依旧存在,即标准中关于水下阀门在内外压复合测试㊁连接器载荷测试规定不详细,缺少具体的试验项目㊁试验程序及验收准则,指导意义不足㊂因此,本文介绍了基于美国石油协会标准A P I S p e c 17D [5]㊁A P I S p e c 6A [6]的水下闸阀和液压井口连接器的实验室测试技术,围绕低温高压及复合加载等额定水深工况,提出了一套复合测试的方法程序和测试系统,并完成了国产化装备的测试应用㊂1 水下采油树闸阀测试技术研究国产水下采油树闸阀主要包括手动平板闸阀和液压驱动平板闸阀,结构如图1所示㊂为验证服役工况下的阀门性能,需要开展额定水深情况下的综合测试[7]㊂其中,手动闸阀依次进行扭矩测量试验㊁内外压循环启闭动态试验㊁外部保压试验㊂液压驱动平板闸阀的测试过程与手动闸阀基本一致,其主要不同在于闸阀开启方式不同㊂液动阀门测试的是驱动器开启力㊂下面以手动闸阀测试程序为例阐述额定水深情况下的测试方法㊂(a)手动闸阀(a )M a n u a l ga t e v a l v es (b)液动闸阀驱动器(b )L i qu i d g a t e v a l v e a c t u a t o rs (c)液动闸阀(c )L i qu i d g a t e v a l v e s 图1 水下闸阀结构示意图F i g .1 S t r u c t u r e d i a g r a m o f u n d e r w a t e r ga t e v a l v e 1.1 额定水深情况下的扭矩测量试验试验步骤为:①确认阀门完全封闭;②阀门外部施加额定水深静水压,温度为(4ʃ5)ħ;③在阀门下游侧以1%的额定工作压力或更小的压力将阀体内腔充满水;④利用扭转试验装置驱动闸板落下使阀门完全关闭;⑤在阀门上游侧施加额定工作压力的水;⑥全压差下将阀门完全打开,并记录下最大开启扭矩值;⑦再次完全关闭阀门,重复测试过程至少3次㊂验收准则为:可正常启闭,无异常卡顿,最大开启扭矩小于该产品的性能参数设计要求㊂第2期刘晓,等:水下采油树闸阀及连接器关键测试技术及应用㊃63㊃整个试验中共需要测试两次扭矩,两次的操作步骤和验收准则完全一致㊂第二次测试的目的在于测试阀门在额定水深情况下200次循环后的最大开启扭矩是否仍能满足该产品的性能参数设计要求㊂若阀门发生松脱㊁卡顿等疲劳故障,则该力值将会发生明显降低或增加,从而验证阀门驱动装置的可靠性㊂1.2额定水深情况下的外部保压试验试验步骤为:①确认阀门完全封闭,阀门闸板处于开启位置;②阀门外部施加额定水深的静水压,温度为(4ʃ5)ħ;③在额定水深压力下至少保压60m i n;④完全泄压㊂验收准则为:保压期间压力稳定,每小时的压力变化不大于试验压力的5%或者3.45M P a/h之内(取其二者中较小的数值)㊂1.3额定水深情况下的内外压循环启闭动态试验试验步骤为:①确认阀门完全封闭;②阀门外部施加额定水深的静水压,温度为(4ʃ5)ħ;③闸板处于关闭位置使阀门处于关闭状态;④在阀门下游侧以1%的额定工作压力或更小的压力将阀体内腔充满水;⑤阀门上游侧施加额定工作压力的水;⑥全压差下开启阀门,阀门开启过程中阀腔内压力最小应保持起始试验压力的50%,开启行程可以中断,以便调整压力在上述限定范围内,直到阀门完全打开,并记录最大开启扭矩值;⑦阀门在保持上步限定的压力下完全关闭;⑧阀门完全关闭后,下游侧应泄压至试验压力的1%或更小;⑨进行至少200次开启和关闭循环㊂验收准则为:启闭过程平稳㊁无卡阻现象和振动现象,最大开启扭矩应小于该产品的性能参数设计要求㊂2水下采油树连接器测试技术国产水下采油树井口连接器主要为液压驱动的连接器,主要由上部本体㊁V X钢圈㊁钢圈支撑杆㊁锁紧卡爪㊁活塞㊁外缸体㊁下部本体组成,如图2所示㊂为充分验证实际服役工况下的连接器密封㊁解锁/锁紧㊁承载等关键性能[8],需要开展额定压力下的性能测试,包括锁紧机构试验㊁密封机构试验㊁综合载荷试验㊂2.1锁紧机构试验试验步骤为:①液压锁紧,记录锁紧时的最大图2液压井口连接器结构示意图F i g.2S t r u c t u r a l d i a g r a m o f h y d r a u l i c w e l l h e a d c o n n e c t o r 锁紧压力;②液压解锁,记录解锁时的最大解锁压力;③用最大锁紧/解锁压力的67%重复步骤①~②;④用最大锁紧/解锁压力的33%重复步骤①~②;⑤重复步骤①~④至少3次㊂验收准则为:连接器锁紧和解锁过程中无可见泄漏,且过程平稳连续,没有异常卡顿或阻碍㊂2.2密封机构试验试验步骤为:①液压锁紧,并保持锁紧压力使连接器处于锁紧状态;②对连接器施加额定工作压力的内部压力,压力稳定后保压3m i n;③完全泄压并解锁;④重复步骤①~③5次;⑤液压解锁,并模拟连接器起出再连接井口头的过程;⑥液压锁紧,泄掉锁紧压力,重复步骤②~③1次;⑦重复步骤①~⑥,直至完成规定循环次数或密封失效㊂验收准则为:连接器锁紧㊁解锁㊁保压过程中无可见泄漏,保压期压力允许压降为试验压力的3%㊂2.3综合载荷试验综合载荷试验中较为复杂的就是模拟额定工作压力下的拉伸和弯曲工况㊂试验步骤为:①多个双轴应变计布置在连接器高应力或中等应力区域,以监测模拟采油树接头㊁上部本体㊁外缸体㊁下部本体和井口头等零件的应力状况㊂应变片的布置方法是,拉伸侧和压缩侧沿竖直方向布置,周向布置的应变片沿连接器环向布置,并且需要正确标记应变片方位并编号㊂②多个位移传感器布置在试验过程中会产生相对位移的区域,以检测井口连接的毂面分离情况㊁螺纹连接处径向变形情况㊁连接器与模拟井口间相对位移㊂③连接器液压锁紧,记录锁紧时的最大锁紧压力㊂④连接器液压解锁,记录解锁时的最大解锁压力㊂⑤连接器液压锁紧,记录锁紧时的最大锁紧压力㊂⑥对连接器施加额定工㊃64㊃海洋工程装备与技术第10卷作压力的内部压力㊁目标拉伸载荷㊁目标弯矩,保载15m i n ,观察连接器的结构或密封是否失效㊂⑦再解锁㊁锁紧㊁解锁一次,最后一次解锁后拆卸和检查连接器,目视检查连接器外观㊁尺寸检测,对无法拆卸检查的零件进行锯切检查㊂上述试验过程中,还需要同步记录轴向应力㊁轴向应力㊁三类位移与拉伸载荷㊁弯矩㊁内部压力的关系曲线㊂3 测试系统3.1 组成及功能水下采油树闸阀和连接器测试技术对测试系统的设备能力和系统集成度要求非常高,不仅需要稳定㊁准确地施加较大的目标压力值和目标载荷值,还需要实现多通路测试参数的高度集成,从而达到模拟深水服役环境下的产品性能测试目的㊂测试系统按照测试对象的不同主要分为水下闸阀测试系统和液压井口连接器测试系统㊂水下闸阀测试系统主要包括高压密封舱㊁控温系统冷库㊁高压密封系统㊁液压控制系统㊁扭转试验台㊁监测系统,如图3所示;液压井口连接器测试系统主要包括载荷试验台㊁高压密封系统㊁液压控制系统㊁监测系统,如图4所示㊂下面详细介绍测试系统中的6个关键组成设备㊂图3 水下手动闸阀测试系统图F i g .3 T e s t i n g s y s t e m d i a g r a m o f u n d e r w a t e r m a n u a l ga t e v a l ve 图4 液压井口连接器测试系统图F i g .4 T e s t s y s t e m d i a g r a m of h yd r a u l i c we l l h e a d c o n n e c t o r(1)高压密封舱高压密封舱主要由卧式压力舱体㊁增压系统㊁舱门启闭装置㊁数据控制系统㊁参数采集系统组成,如图5(a )所示㊂压力舱体的最大工作压力为35M P a㊂通过减速电机驱动卡箍机构启闭,前端盖由液压缸配合舱内移动小车前后移动;通过增压系统向舱内压入水,使舱内的压力始终维持在试验要求的范围内㊂数据控制系统由工控机㊁P L C ㊁监控系统㊁控制柜㊁控制软件㊁液晶显示屏等组成,各参数单独控制并集成㊂其主要作用是为闸阀测试提供模拟服役水深的外部压力[9],并为密封系统㊁液压系统㊁监控系统提供穿舱的条件,保证压力和信号的有效输入和输出㊂(a)高压密封舱(a )H i gh p r e s s u r e s e a l e d c o m pa r t m e n ts (b)高压密封系统(b )H i g h p r e s s u r e s e a l i n gs ys t e m s第2期刘晓,等:水下采油树闸阀及连接器关键测试技术及应用㊃65㊃(c)液压控制系统(c)H y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e ms(d)扭转试验台(d)T o r s i o n t e s t s t a n ds(e)载荷试验台(e)L o a d t e s t s t a n ds(f)监测系统(f)M o n i t o r i n g s y s t e m s图5测试系统设备图F i g.5 T e s t s y s t e m e q u i p m e n t d i a g r a m(2)高压密封系统高压密封系统主要由供气系统㊁增压泵㊁阀箱㊁控制台组成,如图5(b)所示㊂增压泵共包含2台35M P a级泵㊁1台210M P a级泵和1台600M P a级泵㊂其主要功能是为阀门和连接器提供额定工况下的内部压力,可自动补压以适应循环试验的压力要求,并可实时监测测试过程中的压力变化,从而观察阀门和连接器的密封情况㊂(3)液压控制系统液压控制系统主要由液压源㊁增压泵㊁控制台组成,如图5(c)所示㊂增压泵最高压力为100M P a㊂其主要功能是为阀门的启闭㊁连接器锁紧/解锁提供液压驱动力㊂(4)扭转试验台扭转试验台主要由驱动器㊁减速机㊁滑轨㊁扭矩传感器㊁万向联轴器㊁扭矩杆㊁控制台组成,如图5(d)所示㊂其主要功能是,驱动器驱动扭矩杆㊁万向节联轴器㊁延长杆正转或反转,启闭手动闸阀,并实时监测测试过程中的扭矩变化,从而观察阀门的峰值扭矩㊂(5)载荷试验台载荷试验台主要由主横梁㊁2个1250k N油缸㊁1250k N负荷传感器㊁位移传感器㊁耳环立柱㊁双法兰连接板㊁插销轴㊁伺服阀组组成,如图5(e)所示㊂当两个油缸活塞同步向下移动时,施加压缩载荷;同步向上移动时,施加拉伸载荷;一个向下移动㊁另一个向上移动时施加弯矩载荷㊂其主要功能是利用连接板和定制夹具固定连接器并加载㊂(6)监测系统由于阀门和连接器测试过程中涉及的压力等级非常高,因此,试验必须通过远程控制的方式执行㊂监测系统主要由传感器㊁水下摄像头㊁水下照明灯㊁信号传输线缆或网络㊁监视器㊁工控机组成,如图5(f)所示㊂其主要功能是实现远程设备操作㊁试验参数设置与监测㊁数据实时显示与导出,实现对试验件的实时监测㊂3.2主要技术参数水下闸阀测试系统参数:①模拟水深压力:ɤ35M P a;②模拟水深温度:(4ʃ5)ħ;③内部压力:ɤ210M P a;④液压驱动力:ɤ100M P a;⑤扭转驱动力:ɤ1000N㊃m;⑥高压舱体:卡箍卧式压力舱,内径1.5m,内部有效试验长度3.0m,测试通道32个,可穿舱管线6个;⑦使用介质:自来水㊁液压油;⑧控制方式:集成系统远程自动控制㊂液压井口连接器测试系统参数:①拉伸/压缩载荷:ɤ25000k N;②弯曲载荷:ɤ10000k N㊃m;③内部压力:ɤ210M P a;④使用介质:自来水;⑤控制方式:集成系统远程自动控制㊂4试验应用由于水下生产系统通常要求20年免维护,而500m水深环境相当于设备本体要承受50倍的大气压,长期承受低于6ħ的低温环境和海水腐蚀严苛的环境条件,对设备密封强度㊁材料承压能力和工艺质量提出了技术挑战㊂对我国自主研发的21/1610K水下手动闸阀㊁21/1610K水下液动闸阀㊁51/810K水下手动闸阀㊁51/810K水下液动闸阀等多套500m级水下采油树阀门进行额定水深情况下的两次扭矩/开启力测试,200次压力循环动态试验,外部保压试验,如图6所示㊂试验模拟水深1500m,内部压力达10000p s i(68.9M P a)㊂验证了水下阀门在低温㊁内外压复合工况下可以达到要求的工作性能㊂通过对183/4采油树井口液压连接器进行锁紧机构试验㊁密封机构试验㊁载荷试验,采用 内压+拉伸+弯曲 复合加载形式,验证了国产井口连接器达到了设计测试的要求㊂㊃66㊃海洋工程装备与技术第10卷(a)水下手动闸阀测试(a)U n d e r w a t e r m a n u a l g a t e v a l v e t e s t i ng (b)水下液动闸阀测试(b)U n d e r w a t e r h y d r a u l i c g a t e v a l v e t e s t i ng(c)井口液压连接器测试(c)W e l l h e a d h y d r a u l i c c o n n e c t o r t e s t i n g图6测试安装连接图F i g.6 T e s t i n s t a l l a t i o n c o n n e c t i o n d i a g r a m5结语水下采油树关键部件测试是保证水下生产系统能够良好运行㊁降低其风险的主要防线㊂本文提出的实验室复合测试方法及系统平台,对验证装备性能具有重要意义㊂而随着阀门㊁连接器等核心装备的尺寸㊁服役水深㊁压力等级不断增加,其性能条件将变得更严格,测试工况也将更苛刻,测试难度将更大㊂主要体现在开启扭矩或驱动力明显增加,装备的承压性㊁密封性㊁结构间配合要求会更高等方面㊂未来测试技术的关键在于,建成一套能够充分模拟深水超深水服役环境及工况参数的测试系统,突破外部低温高压㊁内部高温高压㊁ 拉伸/压缩+弯曲+扭转 复合加载等综合测试技术集成化㊂参考文献[1]石磊,琚选择,张飞,等.水下阀门研制及工程应用[J].阀门,2019,(1):2427.[2]朱元坤.水下立式采油树系统可靠性分析研究[D].青岛:中国石油大学(华东),2018.[3]石磊,胡晓明,姜瑛,等.水下阀门国产化关键技术研究[J].石油机械,2018,46(2):5862.[4]孙传轩,刘文霄,李磊,等.1500m级国产水下卧式采油树样机码头浅水试验[J].石油矿场机械,2021,50(3):3644.[5]A P I S p e c17D2021,S p e c i f i c a t i o n f o r S u b s e a W e l l h e a d a n dT r e e E q u i p m e n t[S].[6]A P I S p e c6A2018,S p e c i f i c a t i o n f o r W e l l h e a d a n d T r e eE q u i p m e n t[S].[7]陈小平,郑杰,琚选择,等.水下阀门深水高压舱模拟试验研究[J].石油和化工设备,2016,19(6):2830.[8]刘红芳.海洋水下井口装置锁紧机构研究[J].石油矿场机械,2015,44(6):2528.[9]李波,张建权,王裴,等.水下阀门外压试验用压力舱功能和分析[J].中国海洋平台,2015,30(5):1923.。

深水采油树井口液压连接器的设计
李华;张崇;黄青松;任冠龙;汪洋;余意
【期刊名称】《船海工程》
【年(卷),期】2024(53)3
【摘要】设计一种基于18-3/4"H4型面、69 MPa井口压力的液压驱动锁块式连接器,通过有限元方法分析锁紧型面过盈量对锁紧峰值压力、连接器预紧力的影响,预紧力与锁紧峰值压力之间的关系,以及VX钢圈在失效负载条件下的密封性能,并对相关分析结果进行测试验证。

分析及测试验证表明,在过盈量可调范围内连接器预紧力与锁紧峰值压力为线性关系,可通过锁紧峰值压力的大小有效评估预紧力;有限元分析结果可为连接器的调试作参考;连续的环状接触压痕是钢圈密封的必要条件,密封面的材料及加工质量是建立密封的关键因素;连接器在69 MPa+1300
kN+11000 kN·m负载条件下功能、结构及密封性能良好。

连接器搭载采油树在南海相关油气田得到成功的示范应用。

【总页数】7页(P113-119)
【作者】李华;张崇;黄青松;任冠龙;汪洋;余意
【作者单位】重庆前卫科技集团有限公司工程事业部
【正文语种】中文
【中图分类】U664.6;TE952
【相关文献】
1.深水采油树井口连接器锁紧机构设计研究
2.水下采油树H4井口连接器处轴向密封间隙计算方法的研究
3.水下卧式采油树井口连接器VX钢圈力学特性研究
4.锁块式水下采油树井口连接器性能分析
5.深水采油树井口连接器结构分析与测试验证
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