水下连接器性能鉴定试验技术研究

付剑波，李志刚，姜 瑛，张 飞，曹 为

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

水下连接器性能鉴定试验技术研究

付剑波，李志刚，姜 瑛，张 飞，曹 为

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

深水油田的开发对水下连接器的可靠性提出了更高的要求。性能鉴定试验是检验和保证水下连接器产品的性能和可靠性的重要手段。介绍了国际标准中对于新技术的定义、分级及合格性鉴定的要求和流程，对水下连接器测试应遵循的标准进行了分析。总结了水下连接器性能鉴定试验需要进行的试验内容以及标准中对于各项试验的具体要求。指出我国应加强性能鉴定试验程序体系及试验支撑条件的建设，以促进水下连接器及相关产品的研发。

水下连接器；性能试验；鉴定；标准

据资料分析，从2013—2017年，5 a内的深水石油开发投入将超过海上油气开发总投入的50%［1］。我国南海的石油地质储量占中国石油总量的1／3，其中70%以上蕴藏在深水［2］。水下连接器是深水油气开发中的关键设备之一，被广泛用于水下采油树、管汇以及PLET（海底管线终端）等水下设备之间的连接，其应用前景广、技术难度大、产品附加值高，目前市场被FMC、Camer on等国外公司垄断。研发拥有自主知识产权的水下连接器产品，对于提升我国水下生产技术竞争力、促进国内深水油气开发、保障深水油气田安全运行具有重要意义。

性能测试是产品质量控制和质量保证体系中的重要一环。通过产品测试，可以检验产品性能和可靠性及验证设计。由于水下连接器工作在恶劣的深水环境中，安装、维护及维修需要依赖水下作业机器人ROV，作业难度很大，通过测试还可以起到操作预演、培训相关作业人员的作用。

根据测试的对象和目的的不同，水下连接器的测试可分为2类：①针对新产品研发的测试（性能鉴定试验）；②针对成熟工程产品的测试（产品出厂测试和系统集成测试等）。新产品研发阶段的性能鉴定试验内容基本上涵盖了成熟工程产品阶段的测试。ISO 10423［3］标准指出，对于新产品设计（包括现有产品的设计变更），应对产品样机／模型进行性能鉴定试验。由此可见，连接器的性能鉴定试验技术是连接器产品研发过程中的关键技术。目前，国内正在进行水下连接器产品的研发和攻关［4-6］，亟需开展连接器性能鉴定试验技术的研究。

1 水下连接器简介

水下连接器的核心部件包括对接法兰、密封元件以及锁定机构，配合管道牵引对中、锁定／解锁等辅助作业工具，适应于深水工作环境，可以在水下环境快速连接或脱开，并在连接后可建立有效密封，与上下设备之间形成封闭的油气输运通道。在深水水下回接中应用最为广泛的2种连接器形式分别为卡爪式连接器（Collet connector）和卡箍式连接器（Clamp connector）［7］。卡爪式连接器（如图1）是深水海底管道回接应用最多的连接器之一，尤其是垂直连接和超深水连接，压力等级可达104 MPa，连接管径100～1 600 mm（4～64英寸）［8］。卡箍式连接器（如图2）在深水水平连接中的应用较多，在垂直连接中也取得了一定的应用实绩，连接管径50～1 200 mm（2～48英寸）［9］。这2种连接器的油田应用水深纪录均已超过1 500 m，并且随着油气田开发向更深水域的推进而被不断刷新。

水下连接器工作环境苛刻，需要克服由内部生产流体以及外部海水介质带来的温度、压力、腐蚀、热应力以及振动冲击等多方面、复杂性影响。连接器工作时，承受的内压可高达104 MPa甚至更高，外压可高达30 MPa，温度变化的范围大（－18～121℃），同时还需要承受外部海水和内部生产流体（可能含有酸性介质H2S，CO2）的腐蚀，要求连接器材料具备良好的抗腐蚀性能。此外，连接器工作时还要承受来自跨接管和水下结构物的拉、压、弯、扭综合载荷，在内外流体作用下产生的振动、冲击载荷和热应力，对连接器的承载能力提出了很高的要求。

图1 卡爪式连接器

图2 卡箍式连接器

2 新技术合格性鉴定要求

由于海洋石油行业高风险、高投入的特点，尤其是在深水区域（水深＞300 m），面临的风险和挑战更大，因此，对于新技术的开发，需要经过一系列严格的合格性鉴定程序才能应用于海上。

2.1 新技术定义及分级

DNV-RP-A203［10］标准定义了成熟技术和新技术，并根据新技术应用的环境及其被验证的程度，对新技术进行了分级。

1） 成熟技术意味着将经过油田充分验证的技术应用于已知环境。

2） 新技术意味着将经过油田充分验证的技术应用于新环境，或者将未经过油田充分验证的技术应用于已知环境。

第1级的技术为“成熟技术”，对于成熟技术有成熟的做法对其进行鉴定、测试、计算和分析。第2～4级的技术为“新技术”，需要经过严格的合格性鉴定程序才能实际应用。对于新技术的合格性鉴定，一般没有现成的测试程序和测试方法可以遵循，需要研发人员在新技术开发过程中加以发展。

对于国内的水下技术发展现状，深水属于尚未完全掌握的区域，属于新环境。同时，国内的水下连接器属于新开发的技术，未经油田验证，因此水下连接器的新技术分级为第4级。如表1。

表1 新技术分级数据 级

2.2 新技术合格性鉴定流程

新技术合格性鉴定根据需要可以贯穿新技术的整个开发过程，或者在开发过程中的任何时刻开始。图3展示了随着鉴定流程的深入，新技术在寿命期限内失效的可能性逐渐降低。

图3 新技术合格性鉴定流程

水下连接器的性能鉴定试验，属于整个合格性鉴定流程中的样机测试阶段。各种井口设备的性能鉴定试验方法，包括阀门，油嘴，套管头，油管头等，但未包含水下连接器。

ISO 13628-4 5.1.7［11］（性能鉴定试验）规定了用来鉴定产品设计（包括新产品设计及产品设计变更）的性能鉴定试验程序。测试项目包括：静水压测试，气压测试，静水压循环测试，载荷测试，最低和最高温度测试，温度循环测试，使用寿命／耐久性试验。

同时，ISO 13628-4 7.17（出油管线连接装置）指出，水下连接器的性能鉴定试验，除了上述试验以外，还应考虑进行5项试验：

1） 在代表实际现场安装期间预期载荷下，所有送入／收回工具的模拟操作。

2） 在出油管线安装和连接期间，出油管线模拟的牵引或悬链载荷（如适用）。

3） 拆卸并更换出油管线连接装置远程可换式密封件的主密封件。

4） 要求的送入／收回和维护工具的功能试验。

5） 规定的最大对准偏差。

综上，ISO 10423和ISO 13628-4标准规定的水下连接器性能鉴定试验内容如表2。

表2 水下连接器性能鉴定试验内容

3 水下连接器性能鉴定试验内容

水下连接器作为一种特殊接头，在国内外的标准体系中没有专门的标准。水下连接器测试的标准要求包含在水下井口、采油树以及管汇等相关标准之中。其中，ISO 10423和ISO 13628-4标准是最主要的测试依据。

ISO 10423附录F将性能鉴定试验分为通用测试和因具体设备而异的专门测试2类。通用测试包括：静水压测试，气压测试，温度测试，压力／温度循环测试，载荷测试等。附录F.2各小节分别列出了

4 水下连接器性能鉴定试验要求

ISO 10423和ISO 13628-4标准中对于测试承压完整性、结构完整性以及长期磨损特性提出了较为具体的要求，对于各项功能性试验则没有作具体规定。

4.1 静水压试验和气压试验

4.1.1 总则

1） 静水压试验适用于ISO 10423标准的所有性能鉴定压力试验。制造厂商可以选择用气压试验代替某些或所有要求的性能鉴定压力试验。

2） PSL 2和PSL 3压力级别不要求气压试验。然而，如果制造厂商用气压试验代替，则气压试验应按照ISO 13628-4 5.4.6或制造厂商书面规范进行。

3） 试验介质。试验介质应是一种适宜于试验温度的液体，并在试验过程中保持流体或气体状态。带或不带添加剂的水、气、液压液或其他流体的混合物，均可用作试验介质。

4） 气体的替代。当规定需要静水压试验时，制造厂可选择用气体代替液体，并可采用气体试验方法和验收准则。气体试验介质可采用空气、氮气、甲烷、其他气体或混合气体。

5） 69 MPa和更高额定工作压力的装置，应进行气压试验。

4.1.2 接受准则

1） 室温下的静水压试验。室温下的静水压试验，在规定的保压期间无可见泄漏，应予验收。在保压期间压力测量装置上观测到的压力变化，应小于试验压力的5%或5.45 MPa（择其小者）。

2） 室温下的气压试验。室温下的气压试验，若无可见连续气泡，应予验收。若观测到泄漏，则在大气压下观测得到的泄漏量，在规定的保压期间应小于ISO 10423表F.1的规定。

4.1.3 试验压力

4.1.3 .1 ISO 10423规定

1） 对于所有的压力额定值，本体静水压试验压力最低应为额定工作压力的1.5倍。

2） 气压试验的试验压力应等于设备的额定工作压力。

4.1.3 .2 ASME B31.4规定［12］

操作环向应力大于20%SMYS（specified minimu m yiel d strengt h，最小屈服强度）的管道系统，试验压力应不小于设计内压的1.25倍，保压时间应不少于4 h。

操作环向应力小于等于20%SMYS的管道系统，可采用保压1 h的水压或气压泄漏试验。水压试验压力不应低于设计内压的1.25倍。气压试验压力（表压）应为0.7 MPa（100 psi），或等于能使管子公称环向应力达到25%SMYS的压力，取两者中较小者。

4.1.3 .3 ASME B31.8规定［13］

ASME B31.8针对输气管线系统，根据管线所在地区的人口密度等条件，将管线按地区分级。不同的地区等级，以及不同的管线应力条件下，允许采用的试压介质和规定的试验压力不同。

1） 操作环向应力大于30%SMYS的管线和集管，试验要求如表3。

2） 对操作环向应力小于30%SMYS，但超过0.7 MPa（100 psi）的管线和集管，在1级区域内，至少应按本节第3条的规定试压，在2级、3级、4级地区内，应按表3试压。

3） 压力在0.7 MPa（100 psi）条件下操作的管线和集管的气密性试验。在所有场合下，凡是管线在强度试验时受到的应力等于或大于20%SMYS，并用气体或空气做试验介质时，气密性试验的压力范围应介于0.7 MPa（100 psi）到足够产生等于20%SMYS的那个应力之间。

4） 在0.7 MPa（100 psi）下操作的管线和集管的气密性试验。试验时可用配气系统中得到的最大压力的气体作为试验介质。若采用结实的防腐涂层足以将裂开的管缝封住，则气密性试验的压力就应为0.7 MPa（100 psi）。

4.2 静水压循环试验

4.2.1 总则

1） 必须反复承受静水压（或气压，如适用）循环试验以模拟现场长期作业中会出现的启动和关闭压力循环的设备。

2） 在这些静水压循环试验时，在达到规定的压力循环数之前，设备应交替地加压到额定工作压力，然后泄压。

3） 每一个压力循环均不要求保压期。

4） 在静水压循环试验之前和之后，应进行标准静水压（或气压，如适用）试验。

4.2.2 接受准则

1） 通过前后两次的标准静水压（或气压，如适用）试验，来检验经过静水压循环之后的承压完整性。

2） 标准静水压（或气压，如适用）试验：参考静水压试验和气压试验接受准则。

4.2.3 试验压力

1） 静水压循环压力：额定工作压力。

2） 标准静水压（或气压，如适用）试验压力：参考静水压试验和气压试验。

表4为水下采油树和井口装置零部件压力循环试验要求。

表4 水下采油树和井口装置零部件压力循环试验要求

从表4可知，标准要求压力循环试验的循环次数为200次。

4.3 载荷试验

4.3.1 总则

1） 符合ISO 13628-4标准的设备额定承载能力，应通过性能鉴定试验、FEA或典型的工程分析予以验证。

2） 如果试验用来验证设计，那么设备在试验时应至少3次加载到额定能力，在满足其他任何性能要求的条件下而不变形。

3） 如果采用工程分析，那么应采用符合形成文件的工业作法的技术和程序进行分析。

4.3.2 载荷类型

1） 载荷类型包括各类单项载荷以及综合载荷。

2） 单项载荷：拉、压、弯、扭、内压。

3） 综合载荷，考虑以下载荷同时存在：拉／压、弯、扭、内压。

4.4 最低和最高温度试验

4.4.1 总则

1） 在不小于额定工作压力下，应进行性能鉴定试验，以确认在≤最低额定工作温度类别≥和最高额定工作温度类别的试验温度下设备的性能。

2） 作为试验的一种替代方法，制造厂商应提供符合形成文件的工业作法的其他客观证据，证实在2个温度极限下设备满足性能要求。

3） 温度测量部位。温度测量设备应在被试验装置的一个13 mm通孔内、与被试验装置接触。作为最高温度测量的一种选择，只要该部分非人工冷却，可直接测量加热流体的温度，环境条件应是室温。

4） 最高温度试验的加热。最高温度试验可在通孔内部或外部加热。加热应使整个通孔或相应润湿表面达到或超过最高温度，或者试件内的加热液体达到或超过最高温度。

5） 最低温度试验的冷却。最低温度试验应使设备的整个外表面冷却。

6） 每分钟的温度变化小于0.55℃时，应认为温度稳定。在整个稳定期间，温度应保持或超过最大值，但不应超过最大值11.1℃。

4.4.2 接受准则

保压期间无泄漏。

4.5 温度循环

4.5.1 总则

1） 在温度循环试验时，设备应按（最低和最高温度试验）的规定，交替地加热并冷却到其额定工作温度类别的温度上极限和温度下极限。

2） 在温度循环期间，设备应在温度极限施加额定工作压力而无任何泄漏。

3） 温度从室温到温度上极限及下极限的循环，可以用来代替直接在两个温度极限之间的温度循环。

4） 作为试验的一种替代方法，制造厂商应提供符合形成文件的工业作法的其他客观证据，证实设备将满足温度循环的性能要求。

4.5.2 接受准则

保压期间无泄漏。

表5为水下采油树和井口装置零部件温度循环试验要求。

表5 水下采油树和井口装置零部件温度循环试验要求

从表5可知，ISO 13628-4对于水下连接器的温度循环试验不做要求。

4.6 使用寿命／耐久性试验

4.6.1 总则

1） 使用寿命／耐久性试验（例如连接装置上装配-拆卸试验和阀、节流阀和驱动器操作试验）目的是评价所试验设备的长期磨损特性。要求如表6。

表6 水下采油树和井口装置零部件耐久性循环试验要求

2） 可在任何温度下进行该试验。

3） 在这些使用寿命／耐久性试验时，设备的工作循环应按照制造厂商的性能规范（例如按满转矩装配／拆卸，在满额定工作压力下开启／关闭）。

4） 包含对扣器的连接装置，满载拆／卸应作为循环的一部分。

5） 该试验应包括辅助功能，例如连接装置辅助启锁。

6） 连接装置应接受制造厂的额定装卸循环试验。每一装配的连接装置，应进行在工作压力下保压5 min的试验。

7） 从表6可知，耐久性循环试验的循环次数最少为3次或者是产品制造商推荐的次数。

5 结论

1） 水下连接器作为深水油气开发中的一项关键装备，其产品的质量和性能对于保障油气安全储运至关重要。连接器的性能鉴定试验技术是连接器产品研发过程中的关键技术。

2） 水下连接器的性能鉴定试验内容较多，遵循的测试标准主要有ISO 13628，API 6 A，ASME B31.4和B31.8等。水下连接器性能鉴定试验通过不同的测试手段和方式，测试连接器的承压完整性、结构完整性、长期耐磨损特性及其他各项功能特性。测试内容包括：静水压测试，气压测试，静水压循环测试，载荷测试，最低和最高温度测试，使用寿命／耐久性试验，安装工具模拟操作试验，密封拆卸和更换，安装工具、维护工具的功能试验，最大未对准度下的操作试验等。

3） 作为一项新技术的开发，目前国内没有一套成熟的、完整的连接器性能鉴定试验程序，同时缺乏一些专用试验设备支持，例如水下连接器载荷试验等。应加强性能鉴定试验程序体系以及试验支撑条件的建设，以促进水下连接器及相关产品的研发。

［1］ Offshore，deep，ultra-deepwater capex to continue growing to 2017［EB／OL］.［2013-08-08］.http：／／www.offshore-mag.com／content／os／en／articles／print／volume-73／issue-8／depart ments／subsea-systems／deep-ultra-deepwater-capex-tocontinue-growing-to-2017.ht ml.

［2］ 付剑波，曹为.深水水下回接系统的选择［J］.中国造船，2010，51（增刊2）：202-206.

［3］ ISO 10423—2009，Petroleu m and natural gas industries—Drilling and pr oduction equip ment—Wellhead and Christ mas tree equip ment［S］.

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

［5］ 时黎霞，王立权.深水液压卡爪式法兰连接器的设计［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2009，32（4）：595-598.

［6］ 王军，罗晓兰，段梦兰，等.深水采油树井口连接器锁紧机构设计研究［J］.石油矿场机械，2013，42（3）：16-21.

［7］ Skaar J C，Johnny Jurena，Fredrik Witting.Technical and Commercial Influences of Jumper Connectors with Emphasis on Decision Met hodology［C］／／Proceedings of the 18th Deep Offshore Technology International（DOT）Conference ＆ Exhibition.Houston，Texas，USA，28-30 November，2006.

［8］ FMC Technologies，Subsea Tie-in Systems Catalogue［EB／OL］.［2013-08-10］.http：／／www.f mctechnologies.co m／subsea.

［9］ Aker Kvaener，Subsea Tie-in，Tools and Connection Systems Catalogue［EB／OL］.［2013-08-08］.http：／／www.akersolutions.com／en／Global-menu／Productsand-Services／Subsea-technologies-and-services／Subsea-production-systems-and-technologies／Tie-in-connections-and-tooling／.

［10］ DNV-RP-A203—2001，Qualification Procedures For New Technology［S］.

［11］ ISO 13628-4—1999，Petroleu m and natural gas industries—Design and operation of subsea production systems—Part 4：Subsea wellhead and tree equipment［S］.

［12］ ASME B31.4—2006，Liquid and slurry piping transportation systems［S］.

［13］ ASME B31.8—2010，Gas transmission and distribution piping systems［S］.

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

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2013 AA09 A217）；中国海洋石油总公司资助项目（CNOOCKJ125ZDXM05GC00GC2011-02）

付剑波（1982-），男，江西抚州人，工程师，硕士，2007年毕业于上海交通大学，主要从事海洋石油装备技术研究，E-mail：f ujb＠mail.cooec.com.cn。