(1.南陽二機石油裝備集團股份有限公司，河南 南陽 473006；2.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028 ；3.西南油氣田物資分公司 蘇里格項目部，成都 610017)①

壓力帽作為深水連接器的一個重要部件，其主要作用是封堵連接器轂座，保護密封區(qū)域[1]。深水連接器從連接結構上分，可分為套筒式連接器和卡箍式連接器兩類[2]，水平連接器通常采用套筒式連接器。深水水平套筒式連接器是深水油氣安全生產(chǎn)的重要保證[3-4]。深水水平連接器壓力帽技術被國外壟斷，連接器面臨著安裝困難等問題[5]。目前使用的深水水平連接器壓力帽裝置主要是機械卡箍式和液壓驅動式兩種，這兩種壓力帽裝置均存在缺點。機械卡箍式壓力帽裝置安裝使用復雜且使用和維護成本高；液壓驅動式壓力帽裝置使用和維護成本高。機械卡箍式壓力帽裝置需要配一套專用的安裝工具，并且安裝程序比較復雜，使用成本高；液壓驅動式壓力帽裝置安裝對接和鎖緊需要一套專用的液壓系統(tǒng)，液壓閥件長期處于海底，液壓閥件的防腐成本高。

為打破國外壟斷，形成自主知識產(chǎn)權，由中海油研究總院牽頭，南陽二機石油裝備集團股份有限公司(以下簡稱南陽二機集團)作為承擔單位，承擔了國家重大專項子課題項目——水下連接器和安裝工具工程樣機優(yōu)化及配套設備研制，其中深水水平連接器壓力帽裝置是該項目的研制目標之一。深水水平連接器壓力帽裝置能夠用于深水水平連接器轂座端口封堵，并且性能可靠，操作簡單快捷，對中準確性高，對接效率和鎖緊效率高，使用成本低。

1 結構及工作原理

2.1 總體結構

如圖1所示，深水水平連接器壓力帽裝置采用水平套筒式結構，主要由排氣系統(tǒng)和壓力帽主體兩部分組成。水下油氣生產(chǎn)管匯組管道內部充裝介質時，排氣系統(tǒng)主要用于對管道內部氣體進行排放；壓力帽主體用于壓力帽裝置對水平連接器轂座的封堵；排氣系統(tǒng)和壓力帽主體固定為一個整體。壓力帽裝置中接頭和管線采用不銹鋼材質，其余金屬部件采用特殊防腐工藝防腐處理，延長設備的使用周期，降低后期防腐維護成本。圖2為壓力帽裝置總裝三維圖。

1.2 技術參數(shù)

適用連接器類型 水平套筒式連接器

最大工作壓力 34.5 MPa

最大工作水深 1 500 m

設計溫度 -18～121 ℃

適用管匯管徑 304.8 mm(12英寸)

鎖緊形式 機械鎖緊

密封類型 非金屬雙密封

圖1 壓力帽總裝示意

圖2 壓力帽總裝三維示意

1.3 排氣系統(tǒng)

如圖3所示，排氣系統(tǒng)主要由操作面板、球閥、熱刺接頭、接頭和管線等部件組成。排氣系統(tǒng)通過接頭和管線同壓力帽主體中密封軸的排氣孔連通，通過操作兩通球閥實現(xiàn)排氣系統(tǒng)的通斷，把管道內部的氣體通過熱刺接頭排放掉。

圖3 排氣系統(tǒng)

1.4 壓力帽主體

如圖4所示，壓力帽主體主要由導向座、連接盤、驅動環(huán)、導向環(huán)、密封軸、導向塊、鎖緊機構、擋銷、驅動板等部件組成。壓力帽主體設置在導向座上，且沿水平連接器導向柱水平移動，位于水平連接器轂座的前方。通過水平連接器安裝工具實現(xiàn)壓力帽裝置對水平連接器轂座的封堵以及壓力帽的拆卸。

圖4 壓力帽主體

1.5 工作原理

壓力帽裝置對水平連接器轂座的封堵以及壓力帽裝置的拆卸均通過水平連接器安裝工具實現(xiàn)。壓力帽裝置對水平連接器轂座的封堵過程分為如下幾個階段：

1) 通過吊裝機構將壓力帽裝置吊裝至水平連接器的底座上；同時將連接器安裝工具安裝于連接器的底座上。

2) 安裝工具的驅動環(huán)板推動壓力帽裝置向連接器轂座方向運動，連接器導向柱穿入壓力帽導向座下部的導向孔內，完成壓力帽裝置與連接器轂座的粗對中。

3) 壓力帽裝置繼續(xù)向前運動，連接器轂座伸入壓力帽導向環(huán)內，壓力帽密封軸及其端部的導向塊伸入連接器轂座的中心孔內完成壓力帽裝置與連接器轂座的精對中，并且對連接器轂座的中心孔進行密封。

4) 利用ROV將壓力帽驅動環(huán)上的擋銷拔掉，連接器轂座的端部頂住壓力帽連接盤使其向壓力帽裝置的方向運動，完成壓力帽裝置與連接器轂座的對接。在壓力帽驅動環(huán)和導向環(huán)及鎖緊機構的作用下，完成壓力帽裝置與連接器轂座的鎖緊。

5) 利用ROV將擋銷插入壓力帽驅動環(huán)和連接盤的插孔內，對壓力帽驅動環(huán)進行機械限位，防止驅動環(huán)意外解鎖。

6) 利用吊裝機構將連接器安裝工具吊離連接器底座。

壓力帽裝置的拆卸過程和封堵過程相反，過程如下：

1) 用吊裝機構將連接器安裝工具吊裝于連接器底座上；利用ROV拔掉驅動環(huán)上的擋銷。

2) 安裝工具上的驅動環(huán)板推動壓力帽裝置解鎖；利用ROV將擋銷插入驅動環(huán)的插孔內。

3) 安裝工具的驅動環(huán)板繼續(xù)推動壓力帽向遠離連接器轂座的方向運動直至到達安裝位置，完成壓力帽裝置的拆卸。

4) 用吊裝機構將安裝工具和壓力帽裝置分別吊離水平連接器的底座。

2 關鍵技術和主要特點

現(xiàn)有深水水平連接器壓力帽裝置存在對中困難，對接效率和鎖緊效率低，設備成本和使用成本高等問題。研制的壓力帽裝置對中準確性高，對接效率和鎖緊效率高，并且壓力帽裝置對水平連接器轂座的封堵以及壓力帽裝置的拆卸均通過水平連接器安裝工具實現(xiàn)，不需要配置專用的安裝工具，使用成本低。

1) 壓力帽裝置的設計尺寸與水平連接器安裝工具相匹配，壓力帽裝置的驅動板與水平連接器安裝工具的驅動環(huán)板相匹配，安裝工具驅動環(huán)板推動壓力帽裝置的驅動板完成壓力帽裝置與水平連接器轂座的對接和鎖緊以及壓力帽裝置的拆卸，不需要配置專用的安裝工具。

2) 壓力帽裝置導向座下部設置有導向孔，通過導向孔與連接器導向柱的配合，完成壓力帽裝置與連接器轂座的粗對中。壓力帽裝置導向環(huán)內端部設置為導向錐面，方便壓力帽裝置與連接器轂座外圓面進行精對中，通過導向環(huán)內圓面和連接器轂座外圓面的配合完成壓力帽裝置與連接器轂座的精對中。采用粗對中和精對中的兩種對中結構，提高對中準確性和對接效率。

3) 密封性能的優(yōu)劣直接影響并決定整個海洋石油開采系統(tǒng)的安全性和可靠性[6]。壓力帽裝置密封軸上設置兩道非金屬密封環(huán)，與連接器轂座密封面接觸并形成密封環(huán)帶，保證管匯管道內壓力不外泄。密封軸端部的導向塊采用塑料材料，且其端部周向倒角，在密封軸與連接器轂座的端口對接過程中，起到導向和保護密封面的作用。

4) 壓力帽裝置的連接盤將密封軸及導向環(huán)連成整體，保證其同軸度。

5) 壓力帽裝置導向環(huán)的周向開有徑向導向孔，導向孔內設置有機械鎖緊機構，將連接器轂座鎖緊；鎖緊機構設置有導向板和復位彈簧，提高鎖緊效率和解鎖效率。

6) 所有水下生產(chǎn)設施的安裝、操作等均需通過ROV輔助進行，ROV得到廣泛應用[7-10]。壓力帽裝置驅動環(huán)的周向開有徑向插孔，插孔內插設擋銷，擋銷端部設置有ROV夾持把手，ROV可以獨立插拔擋銷，實現(xiàn)對驅動環(huán)的機械限位，防止驅動環(huán)意外解鎖。

7) 關鍵部件采用特殊防腐工藝，提高設備在深海中的耐腐蝕性，延長設備的使用周期，降低后期防腐維護成本。

3 性能驗證

3.1 壓力帽主體金屬件有限元計算

壓力帽裝置主體金屬件按52 MPa的試驗內壓和15 MPa的海水外壓進行有限元計算。其中，密封軸的內腔及底面施加52 MPa的試驗內壓，其余裸露于海水的部分施加15 MPa的外壓。

壓力帽裝置主體金屬件的材質為合金鍛鋼；彈性模量E=205 940 MPa，泊松比υ=0.27，密度ρ=7.75×103kg/m3，屈服應力σs=835 MPa，極限應力σb=985 MPa。

有限元應力云圖分析結果如圖5所示，最大應力值為537 MPa，小于材質的屈服835 MPa，滿足強度要求；有限元位移云圖分析結果如圖6所示，最大位移值為0.705 mm，小變形不影響結構的使用，在設計接受范圍內。壓力帽主體金屬件設計強度滿足工況要求。

圖5 壓力帽主體金屬件應力云圖

圖6 壓力帽主體金屬件位移云圖

3.2 非金屬密封環(huán)有限元計算

運用ANSYS軟件模擬非金屬密封環(huán)受額定內壓和外壓的作用，根據(jù)計算結果驗證其是否失效。非金屬密封環(huán)在承壓前先被壓縮，之后受到15 MPa的外壓和34.5 MPa的額定內壓。通過有限元分析和建模得到非金屬密封環(huán)的在外壓工況下和在內壓工況下的應力圖。如圖7～8所示。 在密封環(huán)在擠壓受壓的情況下，最大接觸應力(CPRESS)為26.38 MPa，大于海水外壓15 MPa。由有限元建模分析可知，非金屬密封環(huán)密封有效。密封環(huán)在擠壓受壓的情況下，最大接觸應力(CPRESS)為48.2 MPa，而額定內壓為34.5 MPa，48.2 MPa>34.5 MPa，由有限元建模分析可知，非金屬密封環(huán)密封有效。

圖7 外壓15 MPa下非金屬密封環(huán)接觸應力

3.3 靜水壓試驗

深水產(chǎn)品試驗合格后方能用于水下生產(chǎn)，確保其在深海環(huán)境下的安全性和可靠性[8]。為了驗證壓力帽裝置的性能是否達到設計和技術協(xié)議及有關標準要求，必須嚴格按照標準規(guī)范的要求對壓力帽進行靜水壓試驗，靜水壓試驗壓力為額定工作壓力的1.5倍，靜水壓試驗的驗收準則為保壓期間無可見泄漏[9]。

圖8 內壓34.5 MPa下非金屬密封環(huán)接觸應力

2018-12，在南陽二機集團高壓試驗室進行壓力帽裝置的靜水壓試驗，通過連接器安裝工具完成壓力帽與連接器轂座的對接和鎖緊，并插上限位銷，使用智能數(shù)控試壓系統(tǒng)對壓力帽進行注水加壓。根據(jù)API Spec 17D的要求，靜水壓試驗壓力為52 MPa，采用分級加壓的方式，初始試驗壓力為2 MPa，每級遞增試驗壓力的10%，直至加壓到52 MPa，除最后一次保壓15 min外，其它每級單獨保壓3 min。

然后把壓力降到零，再逐級加壓到52 MPa，并進行保壓，保壓期間無可見泄漏，壓降不大于試驗壓力的3%。

兩次保壓期間均無可見泄漏，壓降為0.2 MPa，壓降不大于試驗壓力的3%，試驗結果滿足性能指標，滿足壓力帽裝置的工況要求。

4 技術創(chuàng)新

1) 壓力帽裝置對水平連接器轂座的封堵以及壓力帽裝置的拆卸均由水平連接器安裝工具完成，不用單獨配置安裝工具，設備成本及使用成本低。

2) 壓力帽裝置采用粗對中和精對中兩種對中結構，對中準確性高，對接效率高。

3) 壓力帽裝置操作方便快捷，工作效率高。

4) 壓力帽裝置密封可靠，設置有機械鎖緊和機械限位，性能可靠。

5) 壓力帽裝置鎖緊機構的鎖緊效率和解鎖效率高。

5 結論

1) 研制開發(fā)的深水水平連接器壓力帽裝置滿足工況要求，性能可靠，工作效率高，設備成本及使用成本低。

2) 通過有限元計算和靜水壓試驗的驗證，壓力帽裝置的性能指標達到了項目預期要求。

3) 壓力帽裝置的研制可為后期深水水平連接器壓力帽裝置的工程應用和國產(chǎn)化提供有力的技術支持。