荣晓玲，尹一晓，郭昂，杜可普，吴桂峰，姜洋，徐君臣

（南阳二机石油装备集团股份有限公司，河南 南阳 473006）

我国南海的石油地质储量占全国石油总量的1/3，其中70%以上蕴藏在海洋深水区[1]。水下连接器是深水采油设备的重要组成部分[2]，目前水下连接器主要被国外公司垄断。南阳二机石油装备集团股份有限公司（以下称“南阳二机”）与中海油研究总院、中国石油大学（北京）依托“十三五”国家重大专项子课题“水下连接器和安装工具工程样机优化及配套设备研制”，研制了6 in垂直连接器和12 in水平连接器。

深水套筒式连接器的测试技术是连接器样机研制中的关键技术[3]。目前，套筒式连接器已经用于水深1000～3000 m海域，工作环境极其恶劣，连接器可能在有限的时间段内直接接触低温，正常服役时内腔的油气温度又较高[4]，既要承受10～30 MPa的外部水压又要承受14～70 MPa的内部油气压力，对连接器的密封性能要求非常高[5]。在投入使用前，必须严格按照标准规范的要求对其进行各项试验验证，确保其在深海环境下的安全性和可靠性[6]。

1.1 标准规定

1.1.1 API RECOMMENDED PRACTICE 17R的规定

标准5.4.2节和5.5.2节规定：应分析热循环和压力循环对连接器密封性能和部件的影响。压力循环试验的验收标准应符合API 17D和API 6A附件F对PR2级连接器的要求[7]。

1.1.2 API Spec 17D的规定

第5.1.7.6节规定：在额定工作压力或载荷下，应对设备进行试验温度不低于额定工作温度级别范围的鉴定试验。进行温度循环试验时，按照规定的试验程序交替地加热、冷却到其额定工作温度类别的上极限温度和下极限温度。在温度循环期间，设备应在温度极限下施加额定工作压力，不超过标准验收准则的泄压[8]。

1.2 国内高低温循环高压测试系统现状分析

经对国内有资质的高低温循环高压试验厂家调研、分析，发现各厂家设备都不能覆盖所有型号水下连接器的高低温循环高压试验，各厂家高低温试验室主要参数情况如表1所示。

表1 各厂家高低温试验室主要参数

根据标准规定，为适应深度为1500 m深海环境条件，要求试验压力为34.5 MPa，试验温度为-18～121 ℃。由表1统计数据可见，各厂家在升、降温速度上稍有差异，温度控制精度均可以满足要求，但均不能同时进行高压试验，且厂家A温度范围无法满足试验要求。

鉴于此，也为了拓展试验能力，更好地控制试验过程和进度，南阳二机策划设计、制造高低温循环高压测试系统，该系统需满足各系列型号水下连接器的高低温循环高压试验的尺寸、温控、压力及承重等各项测试指标要求。

2.1 总体方案

按照标准规定，试验程序为多轮高低温循环的高压试验，为降低升降温过程时间、缩短试验周期，要求该系统不仅能达到试验要求的温度、压力，实现保温、保压，还要能快速升温和降温。

设计的连接器高低温循环高压测试系统主要包括制冷系统、加热系统、液压系统、监测、控制系统及保温房体、移运支撑装置等。

图1 总体布置示意图

2.2 制冷系统

采用20 kW制冷机组和导热油循环传热两种冷却方式，实现对试验房体内空气及工件表面和工件内部的快速降温。

2.3 加热系统

采用空气加热器和加热盘管两种加热方式，实现对试验房体内空气及工件表面和工件内部的快速升温。

2.4 高压系统

密封装置主要由连接法兰、密封圈和封板组成。连接法兰为带颈法兰，法兰颈端开半V形坡口与连接器全熔透焊接，法兰与封板用螺栓连接；
右侧封板上焊接加热盘管同时设有高压输入、输出和增压接头；
系统通过油压测试台进行高压试验和控制。

图2 水下连接器的密封和加热装置的结构示意图

2.5 监测、控制系统

试验系统的保温房体内部设置2套耐高低温的监控摄像系统及3个温度传感器，温度传感器信息与PLC控制系统连接，实现温度监测和控制。

2.6 保温及安全保障系统

保温房体底座为钢结构框架加保温材料，墙体、顶棚、门均为双层钢板加保温材料，可起到保温作用；
房体一端设置对开门，方便工件移运；
对开门四周安装有柔性密封材料，以减少室内外温度交换；
为方便连接器进出，特设计平车移运，连接器安装在平车上固定好后运至保温房内，试验房体固定在100 MPa的高压试验安全房内，在外置的综合操作台进行监控操作试验，确保试验安全。

2.7 工作原理

1）升温方式：通过压力测试台将连接器内腔注满液压油，空气加热器将保温房内空气加热并稳定至某一温度，再由导热油在加热盘管内循环将连接器内部液体进行加热，以达到热传导平衡的效果，实现连接器快速升温。

2）冷却方式：通过制冷机组和导热油箱分别对试验室内空气和连接器内液压油循环导热，实现快速降温。

在使用时，先把连接法兰与水下连接器焊接连接，再组装上封板、密封垫、热电偶等部件，再将连接器安装在平车上，沿导轨运输到试验房内，连接各管线，关闭房门，然后按试验程序进行高低温循环高压试验。

温度范围为-30～150 ℃；
最大压力为70 MPa；
温度控制精度为0.5 ℃；
平台载重20 t；
房体内尺寸为5 m×4 m×4 m。

1）采用空气加热和导热油加热两种加热方式实现快速升温。

2）采用制冷机组和导热油传热降温两种降温方式实现快速降温。

3）采用平车与装夹装置一体结构，方便工件装夹固定、移运。

5.1 温度试验的控制

根据API Spec 6A附录F.1.9 关于温度试验的要求，所设计的高低温循环高压测试系统都有相应的保障措施，如表2所示。

根据表2可见，设计的高低温高压循环测试系统充分考虑了标准规定的关于温度试验的要求，该方面满足标准规定。

表2 温度试验要求及测试系统的保障措施

5.2 保压期的控制

根据API Spec 6A附录F.1.10关于保压期控制的要求，所设计的高低温循环高压测试系统都有相应的保障措施，如表3所示。

由表3可见，设计的高低温高压循环测试系统充分考虑了标准规定的关于保压期控制的要求，该方面满足标准规定。

表3 保压期控制要求及测试系统相应的保障措施

5.3 压力和温度循环的控制

根据API Spec 6A附录F.1.11关于压力和温度循环的要求，所设计的高低温循环高压测试系统都有相应的实现方式及说明，如表4所示。

根据表4可见，设计的高低温高压循环测试系统充分考虑了标准规定的关于压力和温度循环的要求，该方面满足标准规定。

5.4 实际试验结果

南阳二机研制的6 in垂直连接器已完成各项功能性试验，经高低温循环高压测试系统进行试验，并经船级社验船师现场鉴定确认，结果合格。该连接器已在南海北部湾海域顺利进行了海洋水下安装试验，效果得到专家组认可。

设计、建造的高低温循环高压测试系统，能满足主要技术参数以内的连接器的高低温循环高压试验。

该系统在温度控制方面，不仅能有效保温，使温度稳定控制在标准范围内，还能快速升温和降温，缩短升降温时间，提高试验效率。

在压力控制方面，不仅能控制试验装置密封性，确保保压时间及压降满足标准要求，还能满足高温和低温下的压力水平。

在数据分析及控制方面，不仅能保证数据准确、试验可控，而且试验系统安全可靠、易于操作控制。

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