水下連接器性能鑒定試驗技術(shù)研究

付劍波，李志剛，姜 瑛，張 飛，曹 為

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

水下連接器性能鑒定試驗技術(shù)研究

付劍波，李志剛，姜 瑛，張 飛，曹 為

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

深水油田的開發(fā)對水下連接器的可靠性提出了更高的要求。性能鑒定試驗是檢驗和保證水下連接器產(chǎn)品的性能和可靠性的重要手段。介紹了國際標(biāo)準(zhǔn)中對于新技術(shù)的定義、分級及合格性鑒定的要求和流程，對水下連接器測試應(yīng)遵循的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析。總結(jié)了水下連接器性能鑒定試驗需要進(jìn)行的試驗內(nèi)容以及標(biāo)準(zhǔn)中對于各項試驗的具體要求。指出我國應(yīng)加強(qiáng)性能鑒定試驗程序體系及試驗支撐條件的建設(shè)，以促進(jìn)水下連接器及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)。

水下連接器；性能試驗；鑒定；標(biāo)準(zhǔn)

據(jù)資料分析，從2013—2017年，5 a內(nèi)的深水石油開發(fā)投入將超過海上油氣開發(fā)總投入的50%［1］。我國南海的石油地質(zhì)儲量占中國石油總量的1／3，其中70%以上蘊藏在深水［2］。水下連接器是深水油氣開發(fā)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，被廣泛用于水下采油樹、管匯以及PLET（海底管線終端）等水下設(shè)備之間的連接，其應(yīng)用前景廣、技術(shù)難度大、產(chǎn)品附加值高，目前市場被FMC、Camer on等國外公司壟斷。研發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的水下連接器產(chǎn)品，對于提升我國水下生產(chǎn)技術(shù)競爭力、促進(jìn)國內(nèi)深水油氣開發(fā)、保障深水油氣田安全運行具有重要意義。

性能測試是產(chǎn)品質(zhì)量控制和質(zhì)量保證體系中的重要一環(huán)。通過產(chǎn)品測試，可以檢驗產(chǎn)品性能和可靠性及驗證設(shè)計。由于水下連接器工作在惡劣的深水環(huán)境中，安裝、維護(hù)及維修需要依賴水下作業(yè)機(jī)器人ROV，作業(yè)難度很大，通過測試還可以起到操作預(yù)演、培訓(xùn)相關(guān)作業(yè)人員的作用。

根據(jù)測試的對象和目的的不同，水下連接器的測試可分為2類：①針對新產(chǎn)品研發(fā)的測試（性能鑒定試驗）；②針對成熟工程產(chǎn)品的測試（產(chǎn)品出廠測試和系統(tǒng)集成測試等）。新產(chǎn)品研發(fā)階段的性能鑒定試驗內(nèi)容基本上涵蓋了成熟工程產(chǎn)品階段的測試。ISO 10423［3］標(biāo)準(zhǔn)指出，對于新產(chǎn)品設(shè)計（包括現(xiàn)有產(chǎn)品的設(shè)計變更），應(yīng)對產(chǎn)品樣機(jī)／模型進(jìn)行性能鑒定試驗。由此可見，連接器的性能鑒定試驗技術(shù)是連接器產(chǎn)品研發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)。目前，國內(nèi)正在進(jìn)行水下連接器產(chǎn)品的研發(fā)和攻關(guān)［4-6］，亟需開展連接器性能鑒定試驗技術(shù)的研究。

1 水下連接器簡介

水下連接器的核心部件包括對接法蘭、密封元件以及鎖定機(jī)構(gòu)，配合管道牽引對中、鎖定／解鎖等輔助作業(yè)工具，適應(yīng)于深水工作環(huán)境，可以在水下環(huán)境快速連接或脫開，并在連接后可建立有效密封，與上下設(shè)備之間形成封閉的油氣輸運通道。在深水水下回接中應(yīng)用最為廣泛的2種連接器形式分別為卡爪式連接器（Collet connector）和卡箍式連接器（Clamp connector）［7］。卡爪式連接器（如圖1）是深水海底管道回接應(yīng)用最多的連接器之一，尤其是垂直連接和超深水連接，壓力等級可達(dá)104 MPa，連接管徑100～1 600 mm（4～64英寸）［8］。卡箍式連接器（如圖2）在深水水平連接中的應(yīng)用較多，在垂直連接中也取得了一定的應(yīng)用實績，連接管徑50～1 200 mm（2～48英寸）［9］。這2種連接器的油田應(yīng)用水深紀(jì)錄均已超過1 500 m，并且隨著油氣田開發(fā)向更深水域的推進(jìn)而被不斷刷新。

水下連接器工作環(huán)境苛刻，需要克服由內(nèi)部生產(chǎn)流體以及外部海水介質(zhì)帶來的溫度、壓力、腐蝕、熱應(yīng)力以及振動沖擊等多方面、復(fù)雜性影響。連接器工作時，承受的內(nèi)壓可高達(dá)104 MPa甚至更高，外壓可高達(dá)30 MPa，溫度變化的范圍大（－18～121℃），同時還需要承受外部海水和內(nèi)部生產(chǎn)流體（可能含有酸性介質(zhì)H2S，CO2）的腐蝕，要求連接器材料具備良好的抗腐蝕性能。此外，連接器工作時還要承受來自跨接管和水下結(jié)構(gòu)物的拉、壓、彎、扭綜合載荷，在內(nèi)外流體作用下產(chǎn)生的振動、沖擊載荷和熱應(yīng)力，對連接器的承載能力提出了很高的要求。

圖1 卡爪式連接器

圖2 卡箍式連接器

2 新技術(shù)合格性鑒定要求

由于海洋石油行業(yè)高風(fēng)險、高投入的特點，尤其是在深水區(qū)域（水深＞300 m），面臨的風(fēng)險和挑戰(zhàn)更大，因此，對于新技術(shù)的開發(fā)，需要經(jīng)過一系列嚴(yán)格的合格性鑒定程序才能應(yīng)用于海上。

2.1 新技術(shù)定義及分級

DNV-RP-A203［10］標(biāo)準(zhǔn)定義了成熟技術(shù)和新技術(shù)，并根據(jù)新技術(shù)應(yīng)用的環(huán)境及其被驗證的程度，對新技術(shù)進(jìn)行了分級。

1） 成熟技術(shù)意味著將經(jīng)過油田充分驗證的技術(shù)應(yīng)用于已知環(huán)境。

2） 新技術(shù)意味著將經(jīng)過油田充分驗證的技術(shù)應(yīng)用于新環(huán)境，或者將未經(jīng)過油田充分驗證的技術(shù)應(yīng)用于已知環(huán)境。

第1級的技術(shù)為“成熟技術(shù)”，對于成熟技術(shù)有成熟的做法對其進(jìn)行鑒定、測試、計算和分析。第2～4級的技術(shù)為“新技術(shù)”，需要經(jīng)過嚴(yán)格的合格性鑒定程序才能實際應(yīng)用。對于新技術(shù)的合格性鑒定，一般沒有現(xiàn)成的測試程序和測試方法可以遵循，需要研發(fā)人員在新技術(shù)開發(fā)過程中加以發(fā)展。

對于國內(nèi)的水下技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，深水屬于尚未完全掌握的區(qū)域，屬于新環(huán)境。同時，國內(nèi)的水下連接器屬于新開發(fā)的技術(shù)，未經(jīng)油田驗證，因此水下連接器的新技術(shù)分級為第4級。如表1。

表1 新技術(shù)分級數(shù)據(jù) 級

2.2 新技術(shù)合格性鑒定流程

新技術(shù)合格性鑒定根據(jù)需要可以貫穿新技術(shù)的整個開發(fā)過程，或者在開發(fā)過程中的任何時刻開始。圖3展示了隨著鑒定流程的深入，新技術(shù)在壽命期限內(nèi)失效的可能性逐漸降低。

圖3 新技術(shù)合格性鑒定流程

水下連接器的性能鑒定試驗，屬于整個合格性鑒定流程中的樣機(jī)測試階段。各種井口設(shè)備的性能鑒定試驗方法，包括閥門，油嘴，套管頭，油管頭等，但未包含水下連接器。

ISO 13628-4 5.1.7［11］（性能鑒定試驗）規(guī)定了用來鑒定產(chǎn)品設(shè)計（包括新產(chǎn)品設(shè)計及產(chǎn)品設(shè)計變更）的性能鑒定試驗程序。測試項目包括：靜水壓測試，氣壓測試，靜水壓循環(huán)測試，載荷測試，最低和最高溫度測試，溫度循環(huán)測試，使用壽命／耐久性試驗。

同時，ISO 13628-4 7.17（出油管線連接裝置）指出，水下連接器的性能鑒定試驗，除了上述試驗以外，還應(yīng)考慮進(jìn)行5項試驗：

1） 在代表實際現(xiàn)場安裝期間預(yù)期載荷下，所有送入／收回工具的模擬操作。

2） 在出油管線安裝和連接期間，出油管線模擬的牽引或懸鏈載荷（如適用）。

3） 拆卸并更換出油管線連接裝置遠(yuǎn)程可換式密封件的主密封件。

4） 要求的送入／收回和維護(hù)工具的功能試驗。

5） 規(guī)定的最大對準(zhǔn)偏差。

綜上，ISO 10423和ISO 13628-4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的水下連接器性能鑒定試驗內(nèi)容如表2。

表2 水下連接器性能鑒定試驗內(nèi)容

3 水下連接器性能鑒定試驗內(nèi)容

水下連接器作為一種特殊接頭，在國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)體系中沒有專門的標(biāo)準(zhǔn)。水下連接器測試的標(biāo)準(zhǔn)要求包含在水下井口、采油樹以及管匯等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)之中。其中，ISO 10423和ISO 13628-4標(biāo)準(zhǔn)是最主要的測試依據(jù)。

ISO 10423附錄F將性能鑒定試驗分為通用測試和因具體設(shè)備而異的專門測試2類。通用測試包括：靜水壓測試，氣壓測試，溫度測試，壓力／溫度循環(huán)測試，載荷測試等。附錄F.2各小節(jié)分別列出了

4 水下連接器性能鑒定試驗要求

ISO 10423和ISO 13628-4標(biāo)準(zhǔn)中對于測試承壓完整性、結(jié)構(gòu)完整性以及長期磨損特性提出了較為具體的要求，對于各項功能性試驗則沒有作具體規(guī)定。

4.1 靜水壓試驗和氣壓試驗

4.1.1 總則

1） 靜水壓試驗適用于ISO 10423標(biāo)準(zhǔn)的所有性能鑒定壓力試驗。制造廠商可以選擇用氣壓試驗代替某些或所有要求的性能鑒定壓力試驗。

2） PSL 2和PSL 3壓力級別不要求氣壓試驗。然而，如果制造廠商用氣壓試驗代替，則氣壓試驗應(yīng)按照ISO 13628-4 5.4.6或制造廠商書面規(guī)范進(jìn)行。

3） 試驗介質(zhì)。試驗介質(zhì)應(yīng)是一種適宜于試驗溫度的液體，并在試驗過程中保持流體或氣體狀態(tài)。帶或不帶添加劑的水、氣、液壓液或其他流體的混合物，均可用作試驗介質(zhì)。

4） 氣體的替代。當(dāng)規(guī)定需要靜水壓試驗時，制造廠可選擇用氣體代替液體，并可采用氣體試驗方法和驗收準(zhǔn)則。氣體試驗介質(zhì)可采用空氣、氮氣、甲烷、其他氣體或混合氣體。

5） 69 MPa和更高額定工作壓力的裝置，應(yīng)進(jìn)行氣壓試驗。

4.1.2 接受準(zhǔn)則

1） 室溫下的靜水壓試驗。室溫下的靜水壓試驗，在規(guī)定的保壓期間無可見泄漏，應(yīng)予驗收。在保壓期間壓力測量裝置上觀測到的壓力變化，應(yīng)小于試驗壓力的5%或5.45 MPa（擇其小者）。

2） 室溫下的氣壓試驗。室溫下的氣壓試驗，若無可見連續(xù)氣泡，應(yīng)予驗收。若觀測到泄漏，則在大氣壓下觀測得到的泄漏量，在規(guī)定的保壓期間應(yīng)小于ISO 10423表F.1的規(guī)定。

4.1.3 試驗壓力

4.1.3 .1 ISO 10423規(guī)定

1） 對于所有的壓力額定值，本體靜水壓試驗壓力最低應(yīng)為額定工作壓力的1.5倍。

2） 氣壓試驗的試驗壓力應(yīng)等于設(shè)備的額定工作壓力。

4.1.3 .2 ASME B31.4規(guī)定［12］

操作環(huán)向應(yīng)力大于20%SMYS（specified minimu m yiel d strengt h，最小屈服強(qiáng)度）的管道系統(tǒng)，試驗壓力應(yīng)不小于設(shè)計內(nèi)壓的1.25倍，保壓時間應(yīng)不少于4 h。

操作環(huán)向應(yīng)力小于等于20%SMYS的管道系統(tǒng)，可采用保壓1 h的水壓或氣壓泄漏試驗。水壓試驗壓力不應(yīng)低于設(shè)計內(nèi)壓的1.25倍。氣壓試驗壓力（表壓）應(yīng)為0.7 MPa（100 psi），或等于能使管子公稱環(huán)向應(yīng)力達(dá)到25%SMYS的壓力，取兩者中較小者。

4.1.3 .3 ASME B31.8規(guī)定［13］

ASME B31.8針對輸氣管線系統(tǒng)，根據(jù)管線所在地區(qū)的人口密度等條件，將管線按地區(qū)分級。不同的地區(qū)等級，以及不同的管線應(yīng)力條件下，允許采用的試壓介質(zhì)和規(guī)定的試驗壓力不同。

1） 操作環(huán)向應(yīng)力大于30%SMYS的管線和集管，試驗要求如表3。

2） 對操作環(huán)向應(yīng)力小于30%SMYS，但超過0.7 MPa（100 psi）的管線和集管，在1級區(qū)域內(nèi)，至少應(yīng)按本節(jié)第3條的規(guī)定試壓，在2級、3級、4級地區(qū)內(nèi)，應(yīng)按表3試壓。

3） 壓力在0.7 MPa（100 psi）條件下操作的管線和集管的氣密性試驗。在所有場合下，凡是管線在強(qiáng)度試驗時受到的應(yīng)力等于或大于20%SMYS，并用氣體或空氣做試驗介質(zhì)時，氣密性試驗的壓力范圍應(yīng)介于0.7 MPa（100 psi）到足夠產(chǎn)生等于20%SMYS的那個應(yīng)力之間。

4） 在0.7 MPa（100 psi）下操作的管線和集管的氣密性試驗。試驗時可用配氣系統(tǒng)中得到的最大壓力的氣體作為試驗介質(zhì)。若采用結(jié)實的防腐涂層足以將裂開的管縫封住，則氣密性試驗的壓力就應(yīng)為0.7 MPa（100 psi）。

4.2 靜水壓循環(huán)試驗

4.2.1 總則

1） 必須反復(fù)承受靜水壓（或氣壓，如適用）循環(huán)試驗以模擬現(xiàn)場長期作業(yè)中會出現(xiàn)的啟動和關(guān)閉壓力循環(huán)的設(shè)備。

2） 在這些靜水壓循環(huán)試驗時，在達(dá)到規(guī)定的壓力循環(huán)數(shù)之前，設(shè)備應(yīng)交替地加壓到額定工作壓力，然后泄壓。

3） 每一個壓力循環(huán)均不要求保壓期。

4） 在靜水壓循環(huán)試驗之前和之后，應(yīng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)靜水壓（或氣壓，如適用）試驗。

4.2.2 接受準(zhǔn)則

1） 通過前后兩次的標(biāo)準(zhǔn)靜水壓（或氣壓，如適用）試驗，來檢驗經(jīng)過靜水壓循環(huán)之后的承壓完整性。

2） 標(biāo)準(zhǔn)靜水壓（或氣壓，如適用）試驗：參考靜水壓試驗和氣壓試驗接受準(zhǔn)則。

4.2.3 試驗壓力

1） 靜水壓循環(huán)壓力：額定工作壓力。

2） 標(biāo)準(zhǔn)靜水壓（或氣壓，如適用）試驗壓力：參考靜水壓試驗和氣壓試驗。

表4為水下采油樹和井口裝置零部件壓力循環(huán)試驗要求。

表4 水下采油樹和井口裝置零部件壓力循環(huán)試驗要求

從表4可知，標(biāo)準(zhǔn)要求壓力循環(huán)試驗的循環(huán)次數(shù)為200次。

4.3 載荷試驗

4.3.1 總則

1） 符合ISO 13628-4標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備額定承載能力，應(yīng)通過性能鑒定試驗、FEA或典型的工程分析予以驗證。

2） 如果試驗用來驗證設(shè)計，那么設(shè)備在試驗時應(yīng)至少3次加載到額定能力，在滿足其他任何性能要求的條件下而不變形。

3） 如果采用工程分析，那么應(yīng)采用符合形成文件的工業(yè)作法的技術(shù)和程序進(jìn)行分析。

4.3.2 載荷類型

1） 載荷類型包括各類單項載荷以及綜合載荷。

2） 單項載荷：拉、壓、彎、扭、內(nèi)壓。

3） 綜合載荷，考慮以下載荷同時存在：拉／壓、彎、扭、內(nèi)壓。

4.4 最低和最高溫度試驗

4.4.1 總則

1） 在不小于額定工作壓力下，應(yīng)進(jìn)行性能鑒定試驗，以確認(rèn)在≤最低額定工作溫度類別≥和最高額定工作溫度類別的試驗溫度下設(shè)備的性能。

2） 作為試驗的一種替代方法，制造廠商應(yīng)提供符合形成文件的工業(yè)作法的其他客觀證據(jù)，證實在2個溫度極限下設(shè)備滿足性能要求。

3） 溫度測量部位。溫度測量設(shè)備應(yīng)在被試驗裝置的一個13 mm通孔內(nèi)、與被試驗裝置接觸。作為最高溫度測量的一種選擇，只要該部分非人工冷卻，可直接測量加熱流體的溫度，環(huán)境條件應(yīng)是室溫。

4） 最高溫度試驗的加熱。最高溫度試驗可在通孔內(nèi)部或外部加熱。加熱應(yīng)使整個通孔或相應(yīng)潤濕表面達(dá)到或超過最高溫度，或者試件內(nèi)的加熱液體達(dá)到或超過最高溫度。

5） 最低溫度試驗的冷卻。最低溫度試驗應(yīng)使設(shè)備的整個外表面冷卻。

6） 每分鐘的溫度變化小于0.55℃時，應(yīng)認(rèn)為溫度穩(wěn)定。在整個穩(wěn)定期間，溫度應(yīng)保持或超過最大值，但不應(yīng)超過最大值11.1℃。

4.4.2 接受準(zhǔn)則

保壓期間無泄漏。

4.5 溫度循環(huán)

4.5.1 總則

1） 在溫度循環(huán)試驗時，設(shè)備應(yīng)按（最低和最高溫度試驗）的規(guī)定，交替地加熱并冷卻到其額定工作溫度類別的溫度上極限和溫度下極限。

2） 在溫度循環(huán)期間，設(shè)備應(yīng)在溫度極限施加額定工作壓力而無任何泄漏。

3） 溫度從室溫到溫度上極限及下極限的循環(huán)，可以用來代替直接在兩個溫度極限之間的溫度循環(huán)。

4） 作為試驗的一種替代方法，制造廠商應(yīng)提供符合形成文件的工業(yè)作法的其他客觀證據(jù)，證實設(shè)備將滿足溫度循環(huán)的性能要求。

4.5.2 接受準(zhǔn)則

保壓期間無泄漏。

表5為水下采油樹和井口裝置零部件溫度循環(huán)試驗要求。

表5 水下采油樹和井口裝置零部件溫度循環(huán)試驗要求

從表5可知，ISO 13628-4對于水下連接器的溫度循環(huán)試驗不做要求。

4.6 使用壽命／耐久性試驗

4.6.1 總則

1） 使用壽命／耐久性試驗（例如連接裝置上裝配-拆卸試驗和閥、節(jié)流閥和驅(qū)動器操作試驗）目的是評價所試驗設(shè)備的長期磨損特性。要求如表6。

表6 水下采油樹和井口裝置零部件耐久性循環(huán)試驗要求

2） 可在任何溫度下進(jìn)行該試驗。

3） 在這些使用壽命／耐久性試驗時，設(shè)備的工作循環(huán)應(yīng)按照制造廠商的性能規(guī)范（例如按滿轉(zhuǎn)矩裝配／拆卸，在滿額定工作壓力下開啟／關(guān)閉）。

4） 包含對扣器的連接裝置，滿載拆／卸應(yīng)作為循環(huán)的一部分。

5） 該試驗應(yīng)包括輔助功能，例如連接裝置輔助啟鎖。

6） 連接裝置應(yīng)接受制造廠的額定裝卸循環(huán)試驗。每一裝配的連接裝置，應(yīng)進(jìn)行在工作壓力下保壓5 min的試驗。

7） 從表6可知，耐久性循環(huán)試驗的循環(huán)次數(shù)最少為3次或者是產(chǎn)品制造商推薦的次數(shù)。

5 結(jié)論

1） 水下連接器作為深水油氣開發(fā)中的一項關(guān)鍵裝備，其產(chǎn)品的質(zhì)量和性能對于保障油氣安全儲運至關(guān)重要。連接器的性能鑒定試驗技術(shù)是連接器產(chǎn)品研發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)。

2） 水下連接器的性能鑒定試驗內(nèi)容較多，遵循的測試標(biāo)準(zhǔn)主要有ISO 13628，API 6 A，ASME B31.4和B31.8等。水下連接器性能鑒定試驗通過不同的測試手段和方式，測試連接器的承壓完整性、結(jié)構(gòu)完整性、長期耐磨損特性及其他各項功能特性。測試內(nèi)容包括：靜水壓測試，氣壓測試，靜水壓循環(huán)測試，載荷測試，最低和最高溫度測試，使用壽命／耐久性試驗，安裝工具模擬操作試驗，密封拆卸和更換，安裝工具、維護(hù)工具的功能試驗，最大未對準(zhǔn)度下的操作試驗等。

3） 作為一項新技術(shù)的開發(fā)，目前國內(nèi)沒有一套成熟的、完整的連接器性能鑒定試驗程序，同時缺乏一些專用試驗設(shè)備支持，例如水下連接器載荷試驗等。應(yīng)加強(qiáng)性能鑒定試驗程序體系以及試驗支撐條件的建設(shè)，以促進(jìn)水下連接器及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)。

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Study of Perf or mance Qualification Test Technologies Subsea of Tie-in Connector

FU Jian-bo，LI Zhi-gang，JIANG Ying，ZHANG Fei，CAO Wei
（Of f shore Oil Engineering Co.，Lt d.，Tianjin 300451，China）

Subsea tie-in connectors should be more reliable f or deep water oil fields develop ment.In or der to check and assure t he perf or mance and reliability of subsea tie-in connector，perf or mance qualification test is essential.It is introduced in this paper that the definition of new technology，classification of technology and t he qualification pr ocess and requirements f or new technol ogy in inter national standards.It was analyzed that the testing standards to which subsea tie-in connector test shall conf or m.Also the test pr ograms in perf or mance qualification test of subsea tie-in connector and the standard requirements are su mmed up in the paper.Based on above study，it is pointed out in the paper t hat t he research on perf or mance qualification test procedures shall be paid more attention，and more dedicated test facilities shall be constr ucted，in order to promote the R＆D of subsea tie-in connector and relevant pr oducts.

subsea tie-in connector；perfor mance test；qualification；standard

TE952

A

1001-3482（2014）06-0031-07

2014-01-23

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（2013 AA09 A217）；中國海洋石油總公司資助項目（CNOOCKJ125ZDXM05GC00GC2011-02）

付劍波（1982-），男，江西撫州人，工程師，碩士，2007年畢業(yè)于上海交通大學(xué)，主要從事海洋石油裝備技術(shù)研究，E-mail：f ujb＠m(xù)ail.cooec.com.cn。