羅 強，郭衛(wèi)華，楊 虎，楊紅剛，張彩瑩，鄭萬里，張 坤

（1.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞721002；2.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721002；3.中海油田服務股份有限公司，河北 廊坊065201）①

隔水管終端接頭是深水鉆井隔水管系統下部組件（Lower Marine Riser Package，LMRP）的組成件，是隔水管單根與隔水管下部撓性接頭間的過渡連接件，主要為隔水管系統節(jié)流／壓井管線和輔助管線提供終端出口，并向隔水管串內補充泥漿。目前，國外隔水管終端接頭主要生產廠家為美國國民油井（NOV）、Dril-Quip、mhwirth、GE 等公司［1-3］，可 生產各種載荷級別的隔水管終端接頭，其產品性能可靠、技術成熟，但價格昂貴。目前國內使用的鉆井隔水管系統所用終端接頭均為國外進口。寶雞石油機械有限責任公司（以下簡稱寶石機械）自2007年開始對鉆井隔水管終端接頭進行研究，于2018年成功開發(fā)了額定載荷為8 896 k N 的MT-E50F 型深水鉆井隔水管終端接頭。

1 隔水管終端接頭技術分析

1.1 結構

MT-E50F型隔水管終端接頭主要由主管體總成、節(jié)流／壓井管線總成、泥漿增壓管線總成、液壓管線總成、支承架、液控閘閥、直角接頭、插接法蘭等組成，如圖1所示。

圖1 MT-E50F型隔水管終端接頭結構示意

MT-E50F型隔水管終端接頭上部采用額定載荷級別為E 級的法蘭式隔水管接頭，保證了MTE50F型隔水管終端接頭與法蘭式深水鉆井隔水管系統具有良好的連接互換性；終端接頭下部通過API法蘭與下部撓性接頭連接。MT-E50F 型隔水管終端接頭主管體整體鍛造焊接而成，承載性能好［4］；節(jié)流／壓井管線總成與液壓管線總成出口與終端接頭主管體總成呈45°，由角接頭和API Spec 6A標準法蘭焊接而成。在MT-E50F 型隔水管終端接頭主管總成管壁上設計了馬鞍形入口，泥漿增壓管線總成通過直角接頭和插接焊接于主管體總成，馬鞍形入口內的插接法蘭使隔水管串單根外圍的泥漿增壓管線與隔水管串主管體相通，保證了終端接頭主管體總成整體鍛造結構，并在直角接頭與泥漿增壓管線總成之間配置了具有失效保護機制的進口水下液控閘閥，用于打開與關閉泥漿增壓管線與隔水管串主管體間的通道。

1.2 工作原理

MT-E50F型隔水管終端接頭作為隔水管LMRP的組成部分，與隔水管下部撓性接頭等隔水管LMRP組成件預安裝在一起，采用隔水管運行工具連接下放或拆卸回收。MT-E50F 型隔水管終端接頭的節(jié)流／壓井管線總成通過高壓軟管或鋼制彎管跨接管線與BOP組連接，進行壓井和節(jié)流操作，液壓管線總成以同樣的方式與水下BOP 控制系統連接，為BOP控制系統提供液壓源。如圖2所示。

圖2 MT-E50F型隔水管終端接頭工作原理示意

正常鉆井時，鉆井液泵入中空的鉆桿，用來冷卻和潤滑鉆頭，并攜帶鉆屑沿著隔水管串與鉆桿間的環(huán)空返回鉆臺面，返回的泥漿在鉆臺面進行分離重新利用，此時，泥漿增壓管線內被泵入額外的鉆井泥漿，在彈簧的作用下，該泥漿增壓管線總成的水下液控閘閥處于常開狀態(tài)，泥漿通過MT-E50F 型隔水管終端接頭主管體進入隔水管串與鉆桿間的環(huán)空，沖刷鉆屑返回鉆臺面，并防止泥漿堵塞隔水管管串。MT-E50F型隔水管終端接頭的水下液控閘閥具有失效保護機制，采用液控和ROV 雙重控制方式。當需要進行隔水管串的密封測試或其他情況時，可通過液壓或ROV 關閉液控閘閥，其中液壓控制的液壓源來自隔水管LMRP控制系統。

1.3 主要技術參數

2 關鍵技術

2.1 等強度螺栓連接

隔水管接頭具有承載大、螺栓螺紋易損失效特點。根據螺栓受力特性，螺母采用錐面偏心結構，可防止終端接頭螺栓、螺母脫落［5］。該結構保證了終端接頭承載可靠性，實現了螺栓螺母等強度承載，提高了上接頭螺栓、螺母承載能力及螺栓使用壽命。MT-E50F型隔水管終端接頭等強度螺栓結構如圖3所示。

2.2 高壓動態(tài)密封

MT-E50F型隔水管終端接頭的節(jié)流／壓井管線密封壓力達69 MPa，液壓管線工作壓力20.7 MPa，泥漿增壓管線工作壓力34.5 MP。MT-E50F 型隔水管終端接頭須密封內部泥漿、外部海水等，要求其密封具備高可靠性。同時由于波浪、流、溫度變化等載荷的作用，導致節(jié)流／壓井管線和輔助管線在終端接頭和隔水管單根間發(fā)生彎曲變形，造成節(jié)流／壓井管線和輔助管線公接頭、母接頭間偏心磨損，進而造成密封失效。為此，MT-E50F型隔水管終端接頭上部與隔水管單根間采用大尺寸螺紋連接式密封襯套和雙向組合式密封圈結構設計，保證了隔水管串工作過程中的泥漿有效循環(huán)；終端接頭與隔水管單根間節(jié)流／壓井管線和輔助管線采用雙道徑向插接耐磨密封設計；節(jié)流／壓井管線和泥漿管線母頭與公頭分別采用堆焊與噴焊耐磨性材料技術，既實現了節(jié)流／壓井管線和輔助管線高壓動態(tài)耐磨密封，又保證了安裝方便、連接迅速。

圖3 等強度螺栓連接示意

2.3 高強度厚壁管體全熔透對接環(huán)焊技術

MT-E50F型隔水管終端接頭主管體位于隔水管串主承載路徑上，為保證終端接頭高承載能力和焊縫疲勞壽命，主管體總成采用高強度厚壁管型鍛件焊接而成，并且鍛件間焊縫須全熔透。由于主管體內徑較小，無法在主管體內施焊，手工電弧焊效率低、對焊工操作技術要求高等缺點，宜采用自動焊接方法。通過對比分析埋弧焊（SAW）、氣體保護焊（GMAW）和鎢級氬弧焊（TIG）等自動焊焊接熱影響區(qū)、自動化程度、表面質量、殘余應力、焊接速度等特點，并進行V 型、U 型坡口與焊接方法匹配工藝試驗及工藝參數與焊縫質量、效率的對比評價，最終確定了具有電弧能量集中、熱影響區(qū)小、易熔透、效率高等優(yōu)勢的TIG 全位置自動焊接方法，保證了MT-E50F型隔水管終端接頭主管體的焊接質量。

3 試驗驗證

為驗證MT-E50F型隔水管終端接頭軸向承載性能、承壓、密封性能及連接互換性，根據API Spec 16F規(guī)范要求，進行額定載荷拉伸、壓力試驗［6-13］。

3.1 額定載荷拉伸試驗

按照API Spec 16F規(guī)范要求，在20 000 k N 提升設備靜載試驗裝置上進行了MT-E50F型隔水管終端接頭8 896 k N 額定載荷拉伸試驗，試驗中載荷施加至8 902 k N，保持10 min，并對該接頭的高應力區(qū)域和低應力區(qū)域進行應力檢測，應力檢測結果未超過材料的設計許用強度；試驗后上法蘭、下法蘭、焊縫等關鍵承載部位磁粉探傷，滿足API Spec16F規(guī)范要求。試驗結果表明，MT-E50F型隔水管終端接頭滿足靜載工作要求，高強度厚壁管體TIG 全位置熱絲脈沖焊接工藝可靠，滿足設計要求。

3.2 壓力試驗

壓力試驗中，MT-E50F型隔水管終端接頭上接頭與同型號隔水管單根公接頭端連接，終端接頭下接頭與下部撓性接頭連接，采用試驗工裝封堵隔水管單根、下部撓性接頭和節(jié)流／壓井管線和輔助管線，連接過程中，MT-E50F 型隔水管終端接頭的上法蘭、節(jié)流／壓井管線總成、泥漿增壓管線總成和液壓管線總成與法蘭式深水鉆井隔水管單根和下部撓性接頭各接口能應自由裝入，具有良好的互換性。MT-E50F型隔水管終端接頭與隔水管單根連接后，采用國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心的400 MPa靜水壓試驗裝置對MT-E50F型隔水管終端接頭主管體、節(jié)流／壓井管線、泥漿增壓管線和液壓管線分別進行了1.5倍和1倍額定工作壓力的靜水壓強度試驗和密封試驗。按照API Spec 16C 規(guī)范要求，試驗時逐級升至試驗壓力，第1 次穩(wěn)壓3 min，第2次穩(wěn)壓15 min，MT-E50F 型隔水管終端接頭各試壓部件在穩(wěn)壓期內無泄露，無異常響聲，無可見變形，在穩(wěn)壓期內壓力變化應小于試驗壓力的5%或3.45 MP（500 psi），試驗后焊縫的無損檢測滿足API Spec 16F 規(guī)范要求，表明MT-E50F 型隔水管終端接頭高壓動態(tài)密封設計可靠，滿足深水鉆井使用要求。

4 結論

1） MT-E50F型深水鉆井隔水管終端接頭遵循API Spec 16F、API Spec 16C 規(guī)范，采用等強度螺栓連接、雙道徑向插接耐磨密封設計、高強度厚壁管體全熔透對接焊接等多項關鍵技術，解決了深水隔水管終端接頭高承載、高壓動態(tài)密封等難題。

2） 該裝置軸向載荷拉伸試驗和靜水壓試驗結果均滿足設計要求，表明高強度厚壁管體全熔透焊接工藝和雙道徑向插接耐磨密封設計等滿足深水鉆井使用要求，與法蘭式深水鉆井隔水管系統具有良好的配套，達到了設計目標。