王衛華

（1.河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北任丘 062552； 2.河北省井控及井口設備技術創新中心，河北任丘 062552）

水下防噴器組主要由下部防噴器組和下部隔水管總成（LMRP）兩部分組成，是深水油氣勘探開發最重要的安全設備。而液壓連接器是水下防噴器組的核心設備，主要實現下部隔水管總成與下部防噴器組及下部防噴器組和井口的兩處關鍵部位的連接。當鉆井作業過程中遇到臺風或其他危險事故時，下防噴器組關閉井口，下隔水管總成與下防噴器組通過隔水管液壓連接器快速脫斷，保證鉆井平臺迅速撤離。當井位作業完成后，防噴器組通過液壓連接器實現快速脫斷。

目前，水下防噴器組的技術主要掌握在美國少數生產廠家，在技術和市場上都處于壟斷地位[1]，國內經“十一五”、“十二五”國家重大科研項目的支持，已掌握水下防噴器組研制技術，現處于工程化推廣階段。但液壓連接器作為水下防噴器組的關鍵單元設備，還處于研發初期，目前，僅有榮盛公司研制的48-105液壓連接器在南海完成1 448m深水海試。為打破國外對海洋井控設備的壟斷，加快自主知識產權的水下防噴器組工程化樣機應用，國內還需進一步深入了解和研究國外井控裝備的研究現狀，縮小與國外產品的差距。

1 國外水下防噴器組液壓連接器

1.1 維高（Vetco Gray）液壓連接器

維高公司研制的液壓連接器是H4 鎖塊形式的，如圖1所示，其主要由上殼體、鎖緊環、小活塞、下殼體、鎖塊等組成，多個小液缸通過桿端螺紋與鎖緊環連接固定，能帶動其上下移動；鎖緊環內側和多個沿周向分布的鎖塊外側有自鎖配對斜面；鎖塊內側有H4型卡牙，鎖塊之間設計有彈簧。通過平臺控制系統的動力液驅動活塞向下運動，進而帶動鎖緊環下行擠壓鎖塊使其沿著徑向收縮與被連接件的外側H4型卡牙相嚙合，完成防噴器組與井口頭或LMRP平臺與下部防噴器組的快速連接。相反，當需要實施正常脫開或緊急脫開時，驅動活塞向上運動，使驅動環脫離鎖塊嚙合面，完成解鎖并與連接件脫開。

圖1 維高液壓連接器

目前，該公司的液壓連接器是世界上應用最早和最多的，通徑從13 5/8″~21 1/4″，工作壓力從35~140MPa的全覆蓋，主要有E×F、HD、SHD等系列。其產品優點：

（1）相對其他家產品操作液量小，使水下緊急備用系統[2]的蓄能器配置較少；

（2）接口被普遍采用，通用性好；

（3）一次和二次解鎖能同時使用，增大了解鎖力；

（4）模塊化設計，小液缸沿圓周均布內嵌到下殼體中，通過組合液缸尺寸大小和數量實現不同尺寸產品的系列化。

其缺點：

（1）采用多個小液缸的組合形成驅動活塞組，所有液缸沿圓周方向均布，數量最多采用12個，雖然有機械同步的設計，但仍然存在多液缸工作同步性[3]差的問題；

（2）當進行解鎖操作后，通過鎖緊塊間的彈簧回彈從嚙合處松開解鎖，是否完全脫開，還需要借助提升立管等產生的外在拉力使其完全從連接設備的齒槽中脫開，在LMRP平臺與防噴器組脫開表現得尤為明顯。

1.2 Dril-Quip液壓連接器

該公司開發的DXE型液壓連接器是一種鎖塊式的，如圖2所示，其主要由上殼體、鎖塊、活塞、外殼體、二次活塞、鎖塊擴展器、金屬密封鋼圈等組成，采用一個大尺寸的環形液缸取代多個小液缸操作，活塞的內側和沿周向分布的鎖緊塊外側設計有自鎖配對斜面，鎖塊內側上部有與上殼體外側配合的卡牙，鎖塊內側下部有與井口頭或LMRP芯軸的卡牙，鎖塊的下側有與鎖塊擴展器配合的斜槽。當液壓驅動活塞向上運動時，活塞可通過鎖塊擴展器帶動鎖塊脫離嚙合，完成水下防噴器組兩處關鍵部位的正常或緊急脫開。相反，當活塞向下運動時，使內斜面擠壓鎖塊沿著徑向收縮，使其上部與上殼體、下部與連接設備的卡牙嚙合，從而完成液壓連接器的快速連接。二次活塞能實現連接器的冗余解鎖功能，確保在一次解鎖失敗的情況下，二次活塞向上推動活塞運動，完成液壓連接器解鎖。

圖2 Dril-Quip液壓連接器

通徑主要是18 3/4″，工作壓力是70~140MPa，主要有DX、DXe等系列，雖然入行較晚，但近幾年技術發展較快，其連接器設計有一次和二次密封面和配套鋼圈，如圖3所示，正常使用時，采用一次密封面，在損壞或泄漏的情況下，采用二次密封面，提高了密封可靠性，降低了使用風險。其產品優點：

圖3 一次和二次鋼圈密封面及配套鋼圈

（1）驅動采用整體環形液缸，使得鎖緊或解鎖過程中鎖塊承載均勻；

（2）鎖塊的齒形與上、下連接件嚙合，連接齒形呈對稱分布，受力比較均衡，比較適用于連接設備間承受軸向載荷的工況。

（3）具有主動解鎖機構，保證活塞運動的同時，完成連接器鎖塊自動從嚙合處脫離，提高了解鎖的可靠性。其缺點：整體式液缸尺寸比較大，使得設備比較笨重，另外，所需要的操作液量較大，使水下緊急備用系統的蓄能器配置偏多。

1.3 Shaffer液壓連接器

該公司開發的CHX型液壓連接器是一種卡爪式連接器[3]，如圖4所示，其主要由上殼體、中殼體、下殼體、卡爪、活塞、二次活塞、水合物密封等組成，采用一個異型環形大液缸，大部分結構和使用與Dril-Quip公司的連接器類似，不同點是：

圖4 Shaffer液壓連接器

（1）鎖塊的嚙合方式不是沿徑向平動，而是繞著上殼體的卡牙轉動；

（2）其活塞內側和鎖塊外側設計了主動解鎖卡爪，保證連接器的解鎖可靠性；

（3）水合物密封結構采用浮動方式，不管是在連接器解鎖和鎖緊過程中都跟隨活塞運動，防止在水下防噴器組連接作業過程中產生水合物[4]。

通徑主要是18 3/4″，工作壓力是70~140MPa，其連接器將解鎖力提高到了鎖緊力143%，并設計有二次活塞，確保其從井口能夠快速脫斷。其產品優點除了與Dril-Quip公司產品相同外，就是采用了浮動密封的水合物結構，可以在作業過程中有效抑制水合物進入。其缺點除與Dril-Quip產品相同外，其結構件設計相對復雜，要求精度高，給加工制造帶來一定的難度。

2 研制建議

1）水下防噴器組液壓連接器的鎖塊或卡爪的鎖緊方式可以是平動也可以是轉動，為了保證解鎖操作的可靠性，應該設計為主動解鎖方式，因為在鉆井作業過程中遇到臺風或其他危險事故時，不能快速完成防下部噴器組與井口頭或LMRP平臺與下部防噴器組的正常脫開或緊急脫開，屬于井控大事故，直接影響平臺設備和人員安全。

2）天然氣水合物是天然氣和水在高壓低溫下的產物，海洋水深六七百米以下很容易形成水合物，為保護液壓連接器的正常使用，應該加抑制劑。因此，液壓連接器設計時，應該在鎖塊頂部有化學藥劑注入口，能夠實現水合物抑制劑注入，防止在使用過程中在連接器內部的鎖緊機構周圍形成水合物；在連接器的下部設計防止水合物的密封結構，安裝完成后能夠卡箍在井口頭上，可以有效防止在安裝過程中水合物進入連接器內部。

3）密封失效是造成連接器功能性故障的主要原因之一。在深水工作時，液壓連接器保證密封冗余性，應具有兩個或多個不同密封面，即正常使用一次密封面，當一次密封面損壞，使用二次密封面和配套鋼圈完成水下更換，保證了連接器在水下使用過程中更加安全可靠。

3 結束語

1）水下防噴器組液壓連接器接觸井液部件的材料性能、溫度等級應滿足API Spec 16A 標準要求，抗硫化氫性能滿足NACE Standard MR0175標準要求，其上部的端部連接結構形式應符合API Spec 6A 標準要求，下部連接廠家可以自己設計，如Dril-Quip開發了不同于H4型的連接接口。

2）隨著國外陸續出現了溫度177℃、壓力140MPa的高溫高壓的液壓連接器，“無螺栓”連接的高抗彎性能的連接器，以及多密封面和配套鋼圈冗余密封技術的連接器的應用，捕捉到液壓連接器未來朝著高溫高壓、高性能、高可靠性的方向發展。

3）不同結構形式的液壓連接器各有優缺點，在研制新的液壓連接器時，應集眾家所長，在產品結構、密封材料、鎖緊和解鎖機構等方面有所創新，以提高產品可靠性，實現產品升級換代。

4）水下液壓連接器是深水水下設備連接的關鍵設備，應用非常廣泛，價格高昂，目前主要依賴進口，屬于“卡脖子”技術之一。因此，國內廠商應該加大力度，以研制具有自主知識產權、高可靠性的液壓連接器為契機，縮小與國外產品的差距，為我國能夠早日成為海洋強國奠定良好的基礎。