引 言

水下防喷器组主要由下防喷器组(Lower stack)和下隔水管总成(LMRP，Lower Marine Riser Package)组成^[1]，是海洋石油勘探开发及作业的重要安全保障。而节流压井管线插接器主要实现下隔水管总成与下防喷器组的节流压井管线连接和脱离，是水下防喷器组的关键单元设备。水下节流压井管线尾端一般与下防喷器组上的闸板防喷器侧出口连接，当发生井喷或井涌事故时，通过与隔水管伴随的节流压井管线实现节流和压井作业。当钻井作业过程中遇到台风或其他危险事故时，下防喷器组将关闭井口，下隔水管总成与下防喷器组通过隔水管连接器脱离，同时，连接下防喷器组和下隔水管总成的节流和压井管线通过插接器实现脱离，保证钻井平台迅速撤离。

目前，水下防喷器组的技术主要掌握在少数国外水下防喷器生产厂家，国内经“十一五”和“十二五”国家重大科技项目的支持，已基本掌握水下防喷器组设计、制造和检测技术，现处于工程化应用和推广阶段。但节流压井管线插接器作为水下防喷器组的关键单元设备，特别是液压式节流压井管线插接器，我国还处于研发初期。为打破国外公司对海洋钻井设备的垄断，保障我国能源安全和海洋权益，加快具有自主知识产权的水下防喷器组工程样机工程化应用，国内还需进一步深入了解和研究国外海洋钻井装备的研究现状，缩小海洋钻井装备与国外的差距。

1 机械式节流压井管线插接器

机械式节流压井管线插接器又称为重力接头，由外接头和内接头组成，结构如图 1所示。外接头(见图 2)由固定装置(如螺母等)固定在下隔水管框架上，内接头由固定装置固定在下防喷器组框架上。密封圈安装在外接头上，密封节流管线内压及海水的外压，一旦密封圈损坏，可以起出下隔水管总成，更换密封圈。

外接头和内接头均有起导向作用的倒角，安装时将外接头导入内接头中。机械式节流压井管线结构简单，一般用于作业水深不超过1 500 m的钻井平台防喷器组上，减少了水下控制箱控制接口。缺点是管线上的密封裸露在外，下隔水管总成与下防喷器组安装和脱离的摆动过程中，容易损坏外接头的密封圈，延长钻井作业时间。因此，外插接器上的密封一般采用冗余密封结构形式，最少采用2重冗余密封，有的在内接头上安装孔用密封圈，起到冗余和辅助密封作用。

2 液压式节流压井管线插接器 2 .1Hydril液压节流压井管线插接器

Hydril的水下防喷器组配置的节流压井管线插接器(见图 3)可以平衡水深压力^[2]。该节流压井管线插接器主要由2大部件组成：一部件为外插接器，安装在下防喷器组框架上，结构较为简单；另一部件为内插接器，安装在下隔水管总成框架上，可实现伸缩并与外插接器锁紧和解锁的功能，结构较为复杂。内插接器有可以伸缩的活塞，其上、下与海水接触的面积相等，平衡水深压力，控制活塞伸出和缩回的液控压力不受水深影响。活塞缩回采用了冗余，在一次缩回失效后，二次缩回的液控压力可以增大缩回力。

伸缩活塞端部带有锁紧机构，解锁采用冗余解锁结构，在一次解锁失效后，再与冗余解锁一起解锁。伸缩活塞伸出到位后，通过液压控制锁紧结构与外插接器锁紧，使下隔水管总成节流压井管线与下防喷器组的节流压井管线连通。图 3为Hydril节流压井管线插接器示意图。图 3a中，锁紧活塞处于解锁状态，伸缩活塞收回到内插接器体内，此时，可以起出下隔水管总成或将下隔水管总成与下防喷器组对接。图 3b中，伸缩活塞从内插接器体中伸出。图 3c中，锁紧活塞推动锁紧结构与外插接器锁紧。该结构主要优点为伸缩活塞上、下面积相等，可实现水压平衡，伸缩活塞不受水深影响；锁紧活塞位于伸缩活塞端部，与外插接器相对位置的精准度要求较低；外插接器高度控制在防喷器框架内，避免了下隔水管总成框架对其的损坏。该结构的缺点是内插接器结构较复杂，使伸缩活塞结构复杂，同时也增加了控制接口的数量。

2 .2Radoil液压节流压井管线插接器

美国Radoil公司研制的节流压井管线插接器^[3]主要由2部件组成(见图 4)，部件1安装在下隔水管总成框架上，其侧出口与上部节流压井管线连接，部件2安装在下防喷器组框架上，其侧出口与下防喷器组上的节流压井管线连接。部件1中安装有可以伸缩的活塞，活塞上开有连接下隔水总成和下防喷器组节流压井管线的通道孔。活塞伸出，连通上下管路；活塞收回，实现下隔水管总成和下防喷器组分离。由于活塞上装有密封圈，在活塞收回时，可密封上部节流压井管线的流体，避免其流入到海水中污染环境。外插接器起导向作用和定位作用，其外部的损坏不影响密封。缺点是：其活塞上、下面积差较大，随着作业水深的增加，其液压压力也将增大。

2 .3AXON节流压井管线插接器

AXON节流压井管线插接器也由2部分组成(见图 5)。外插接器安装在下防喷器组框架上，内插接器组件安装在下隔水管总成框架上，两者之间安装AX钢圈密封，形成节流压井管线通道。Cameron公司的水下防喷器组上安装有这种结构的节流压井管线插接器。内插接器通过液压活塞带动轭板运动，轭板推动锁紧机构与外插接器锁紧与解锁。解锁力比锁紧力大14%。内插接器中配置二次解锁活塞，可提供比一次解锁大25%的力。内置有机械解锁机构，在轭板上安装有4个机械解锁杆，一旦一次解锁和二次解锁失效，机械解锁杆借助外力带动轭板运动，实现解锁，使外插接器与内插接器脱离。该结构优点是内置机械解锁，提高了插接器的解锁可靠性。缺点是采用了AX刚性密封圈，对锁紧力要求比较高；同时，外插接器外露在下防喷器上部，在下隔水管总成摆动的过程中容易损坏外插接器表面，影响寿命。

2 .4Shaffer节流压井管线插接器

Shaffer节流压井管线插接器同样也由2大部件组成(见图 6)，外插接器安装在下防喷器组框架上，内插接器安装在下隔水管总成框架上。外插接器上安装了可以更换的接头，如果接头损坏，可以单独进行更换。内插接器内有锁紧与解锁活塞，推动锁紧机构与外插接器锁紧或解锁。内插接器解锁同样采用了冗余的二次解锁结构，在一次解锁失效后采用二次解锁辅助解锁。内插接器上安装有指示杆，可以通过水下机器人观察插接器的锁紧状态。 一旦锁紧活塞解锁到位，可以上提下隔水管总成，使外插接器与内插接器脱离。该结构的优点是在外插接器上增加了可更换的短节，延长了外插接器的使用寿命。

3 研发建议

(1) 虽然水下防喷器组节流压井管线插接器未涵盖在API Spec 16C^[4]要求的范围内，但其接触井液部件的材料性能、温度等级和产品等级等应符合API Spec 16C要求，抗硫化氢性能应满足NACE Standard MR 0175^[5]标准要求，其上、下与节流管线连接的端部连接结构形式应符合API Spec 6A^[6]标准要求。

(2) 作业水深小于1 500 m平台的水下防喷器组一般采用机械式节流压井管线插接器，大于1 500 m一般采用液压式节流压井管线插接器，因此应根据钻井作业平台及水下防喷器组控制方式配置插接器的结构形式。

(3) 钻井作业水深对液压式节流压井管线插接器的水下控制影响较大，因此建议插接器中用于锁紧或伸缩的活塞上、下与海水接触的面积相等，以克服水深对液控压力的影响。

(4) 为延长外插接器的使用寿命，外插接器上采用可更换的短节，在该短节被摆动的下隔水管总成损坏后，可以进行更换；也可将外插接器的高度控制在下防喷器组框架内。内插接器则采用伸缩结构，或者进入下防喷器组框架内与外插接器进行锁紧。

(5) 考虑增加机械辅助解锁机构，在一次解锁和二次解锁失效后，可借助水下机器人辅助解锁。

(6) 水下防喷器组上的节流压井管线泄漏采用FMECA(Failure Mode，Effects and Criticality Analysis)方法进行分析，虽然严酷度仅为Ⅲ类，但对水下防喷器组整个系统的危害性影响还是较大的^[7]，因此，插接器关键密封部位应采用冗余密封结构，并选用高质量、高可靠性的密封圈，避免因插接器泄漏影响钻井作业时间。

4 结论

(1) 目前，国际上在用的水下防喷器组节流压井管线插接器可分为机械式和液压式2种结构，液压式节流压井管线插接器增加了控制接口，因此应根据钻井平台作业水深，及水下防喷器组控制方式配置水下防喷器组节流压井管线插接器。

(2) 不同结构形式的水下防喷器组节流压井管线插接器各有优缺点。国内在研制新的节流压井管线插接器时，应集众家所长，在产品结构、密封材料和锁紧机构等方面有所创新，以提高产品可靠性，实现产品升级换代。

(3) 节流压井管线插接器未涵盖在美国石油学会要求的规范或标准内，但由于其用于节流压井管线并长期工作在水下环境中，应充分考虑API Spec 16C、API Spec 6A及API RP 17A^[8]等规范对设备的要求。