H-4 連接器解鎖故障分析與應對

符新濤，巨禮文，倫慶宇，安 倫，申 磊，劉 義

（中石化海洋石油工程有限公司上海鉆井分公司，上海 201206）

浮式鉆井裝置（半潛式鉆井平臺、鉆井船）在海上進行油氣勘探時，連接器是把防噴器和井口以及把下隔水管組（LMRP（Lower Marine Riser Package））和防噴器組（BOP Stack）連接在一起，并承受和其上部防噴器一樣壓力的關鍵設備。浮式鉆井裝置水下設備典型配置如圖1 所示。

圖1 浮式鉆井裝置水下設備典型配置圖Fig.1 Typical configuration diagram of subsea equipment of floating drilling device

連接器的制造商主要有GE VETCO GRAY、CAMERON、DRIL-QUIP、AKERSOLUTION、 FMC和 OIL STATES 等[1]。其中以GE VETCO GRAY 公司發明的H-4 連接器應用最早，也最為廣泛[2]，并被眾多公司效仿。但H-4 連接器的解鎖故障時有發生，引起相關從業者的關注。本文借助H-4 連接器的兩個典型解鎖故障，剖析故障原因，總結預防和應對措施，提出應對建議，供相關從業者參考和借鑒。

1 H-4 連接器組成與工作原理

各種型號的H-4 連接器結構大同小異，工作原理基本相同，屬于鎖塊式連接器[3]。典型的H-4 連接器如圖2 所示，與H-4 連接器配合使用的18-3/4″井口頭如圖3 所示。

圖2 H-4 連接器Fig.2 H-4 connector

圖3 H-4 井口頭Fig.3 H-4 wellhead

1.1 H-4 連接器的組成

H-4 連接器主要有以下幾部分組成（圖4）：上部抗磨環、鎖塊、鎖緊環、活塞及活塞桿、 液缸、彈簧、下部抗磨環、連接器本體。每個連接器上還有一個固定在鎖緊環上，跟隨鎖緊環上下運動的鎖緊指示桿。其中液缸和鎖塊的數量隨連接器的額定工作壓力變化，如18-3/4″ 10 000 psi 連接器的液缸數量和鎖塊數量都是10 個，而18-3/4″ 15 000 psi 連接器的液缸數量和鎖塊數量也增加為12 個，本體、法蘭及法蘭螺栓都相應升級。

圖4 H-4 連接器工作原理圖Fig.4 Working principle diagram of H-4 connector

1.2 H-4 連接器工作原理

1.2.1 H-4 連接器鎖緊原理

H-4 連接器鎖緊原理圖如圖4(a)所示，當液壓流體進入液缸的有桿腔，推動活塞及活塞桿下行，活塞及活塞桿驅動鎖緊環下行。鎖緊環首先通過大角度（20°）楔形面，推動鎖塊向中間快速聚攏，并使鎖塊內表面的四層齒與井口頭上對應的齒嚙合。隨著鎖緊環的繼續下行，鎖緊環通過小角度（4°）楔面推動鎖塊繼續向中間聚攏。由于楔面對力的放大作用（見1.3），鎖緊環逼迫鎖塊和井口頭之間的四層齒互相楔入（楔入角為45°）[4]，縮小連接器本體和井口頭之間的距離，使二者之間的密封鋼圈產生彈性甚至塑性變形，從而實現二者之間的密封并鎖定。

1.2.2 H-4 連接器解鎖原理

H-4 連接器解鎖原理如圖4(b)所示，當液壓流體進入液缸的無桿腔，推動活塞及活塞桿上行，鎖緊環在活塞及活塞桿的驅動下上行，鎖緊環對鎖塊的鎖定作用解除。同時，在正常情況下，鎖塊在嚙合力的推動下脫離嚙合面，并在鎖塊之間彈簧彈力作用下，縮回其儲存腔內，從而使連接器和井口頭之間的鎖定徹底解除。為方便后文表述，將鎖緊環鎖定的解除稱為鎖環解鎖，而將鎖塊從連接頭上的脫離稱為鎖塊解鎖。

1.3 H-4 連接器鎖緊環受力分析

H-4 連接器鎖緊環是通過小角度楔面對鎖塊進行鎖緊的，鎖緊環軸向截面在鎖緊過程中的受力分析如圖5 所示，其中：F1是鎖塊對鎖緊環的作用合力，方向垂直于兩者的鎖緊楔面；F2是連接器本體對鎖緊環的水平作用合力，方面垂直于連接器中軸線；F3是液壓通過活塞及活塞桿對鎖緊環的拉力（鎖緊環自重與其它力相比很小，在此忽略不計）。

圖5 鎖緊環軸向截面受力分析圖Fig.5 Axial section force analysis diagram of the locking ring

F12是F1和F2的合力，與F3大小相等，方向相反。設定鎖緊楔面與本體面在軸向截面上的夾角為α，該角度經精確測量為4°，那么：

從上面的計算結果得出：通過楔面的放大作用，鎖緊環作用于鎖塊的力是活塞及活塞桿作用于鎖緊環的力的14.3 倍。這也正是連接器可以用較低的控制壓力（額定工作壓力 3 000 psi，日常工作壓力1 500 psi）能夠對較高井眼壓力（達到甚至超過15 000 psi）實現密封的原因。

2 H-4 連接器解鎖故障典型案例

2.1 典型案例1

2.1.1 故障描述及現場處理

2019 年，某半潛式鉆井平臺在完成一口井的勘探任務后，準備起出防噴器。用正常的操作壓力1 500 psi解鎖井口連接器，解鎖流量與理論流量基本一致，用ROV（水下機器人）觀察，指示桿顯示鎖緊環解鎖正常。上提BOP 組，過提23～27 t，沒能實現鎖塊解鎖。

調高井口連接器操作壓力，反復進行鎖定和解鎖操作，流量均顯示正常，指示桿顯示鎖緊環解鎖正常，上提BOP 組，過提23～27 t，仍然沒能實現鎖塊解鎖。多角度調整船位后，同時對井口連接器反復進行鎖定和解鎖，過提23～27 t，依然沒能解鎖。

保持井口連接器處于解鎖狀態，關閉防噴器剪切閘板，從節流管線向防噴器內打壓300 psi（防噴器18-3/4″通徑，額外約產生38 t 向上的力）, 井口連接器仍然未解鎖。泄壓后，反復進行鎖定和解鎖，上提BOP 組，最大過提59 t，仍未成功。

組合側向沖洗頭和12-1/4″扶正器，下鉆至井口，嘗試不同排量、轉速，撞擊井口。而后多次過提BOP 組23 t，井口連接器終于解鎖成功。

2.1.2 故障連接器的檢查和修理

防噴器起出后，進入進口連接器內部檢查。連接器12 塊鎖塊全部完全回縮到位，所有鎖塊分布均勻，均無明顯缺陷，潤滑油也在各摩擦面分布正常。用塞尺測量12 塊鎖塊與上部抗磨環的間隙，均在廠家允許范圍之內。

將該故障連接器送回修理基地進行拆檢。拆檢情況如下：鎖緊環和鎖塊所在腔室基本清潔，無明顯雜質，內部的潤滑油油質和色澤都正常。測量鎖塊之間的彈簧長度，比新的略短。檢查上下抗磨環固定螺栓，無松動，扭矩值符合手冊要求。上下抗磨環、鎖塊無明顯缺陷，但銹蝕嚴重。

按照手冊要求，對連接器的部件進行清潔、除銹、去除毛刺、坑點等處理，并在鎖塊和鎖緊環上涂抹生產廠家推薦的防水潤滑脂，經多次鎖定和解鎖動作后，擦去多余的油脂。

分別用1 500 psi 和2 900 psi 鎖緊壓力將連接器鎖緊在試壓樁上，然后用主解鎖功能進行解鎖，最大解鎖壓力分別約為950 psi 和1 900 psi，均在廠家推薦的壓力范圍之內。進入腔體檢查，所有鎖塊正?？s回，無異?，F象。

將連接器與防噴器組回裝，使用1 500 psi 操作壓力鎖緊后，立即解鎖，連接器無解鎖故障。當超過30 h 再解鎖，鎖緊環解鎖正常，但鎖塊解鎖受阻，使用氣絞車對防噴器晃動后，鎖塊才解鎖成功。

2.2 典型案例2

2.2.1 故障描述及現場處理

某半潛式鉆井平臺的防噴器組平時存放固定在其專用的移動叉車上，試壓樁在其下部。試壓樁依靠其下部的液缸上下運動，進入或退出連接器。2019 年1 月，防噴器組試壓結束，打開井口連接器，試壓樁卻不能依靠其下部的液缸從井口連接器中退出。經反復確認，連接器的解鎖壓力和流量正常，解鎖指示正常，試壓樁的下部液缸及其控制系統也不存在問題。反復鎖緊、解鎖連接器和操作試壓樁下部液缸，甚至在允許的范圍內分別提高各自的操作壓力，均未成功。和案例1 中出現的問題一樣：鎖環能夠正常解鎖，但鎖塊解鎖存在故障。

根據前面分析的鎖塊解鎖原理，決定在連接器和試壓樁之間均勻安放4 個液壓千斤頂，給連接器增加外力幫助解鎖。但不管是四個千斤頂同時用力（合計產生的助力超過100 t），還是交叉用力、單邊用力，都沒能使連接器最終解鎖，決定使用更加強力的撞擊措施。

將試壓樁底部的固定螺栓拆除，使試壓樁與其承載板脫開，二者之間保持10 cm 的間距。用吊機將防噴器試壓鉆桿吊入防噴器內，讓鉆桿底部離試壓樁頂部約50 cm 左右。使用300 psi 控制壓力關閉下萬能，將試壓鉆桿保持住。然后，吊機吊鉤下放1 m 左右，全部釋放吊鉤對試壓鉆桿的上提力。打開下萬能閘板，讓試壓鉆桿自由落體，砸擊在試壓樁上。試壓樁與連接器解鎖成功，試壓樁落到其承載板上。進入內部檢查，鎖塊表面有銹跡和雜質，鎖塊之間的連接器油脂并不缺乏。拆下連接器內的全部鎖塊，清潔保養后裝回，并充分潤滑。

對連接器反復操作試驗，解鎖正常。但試壓15 000 psi 后，再次出現解鎖故障。仍然采用試壓鉆桿撞擊的辦法實現解鎖。

3 H-4 連接器解鎖故障原因分析

前面介紹的兩個典型案例和筆者的從業經歷中遇到的連接器解鎖故障，基本都是鎖塊解鎖故障。即使偶有鎖緊環在1500 psi 壓力下不能解鎖問題，可以通過調高解鎖壓力的辦法輕松解決（原因見4.1）。因此，解決連接器解鎖故障和防止其出現解鎖故障的關鍵是對鎖塊解鎖故障原因的正確分析。

3.1 鎖塊受力分析

連接器鎖緊后，靜止的鎖塊的受力分析如圖6 所示，其中：F1是鎖環對鎖塊的作用力；F2是井口頭上嚙合齒面對鎖塊的作用力；F3是下部防磨環對鎖塊的作用力。鎖塊的重力與這些力相比非常小，在此忽略不計。

圖6 鎖塊被鎖緊后的受力分析Fig.6 Force analysis of the latch segment after locking

靜止狀態，F1、F2、F3三種力之間實現平衡，各個接觸面之間沒有相對運動和相對運動趨勢，因此，也沒有摩擦力。

連接器在鎖緊環解鎖，而鎖塊沒有解鎖的情況下，鎖塊的受力分析如圖7 所示，其中：F2是井口頭上嚙合齒面對鎖塊的作用力；F2摩是F2在嚙合面上產生的摩擦力；F3是下部抗磨環對鎖塊的作用力；F3摩是F3在鎖塊與下部抗磨環之間產生的摩擦力；F4是上部抗磨環對鎖塊的作用力；F4摩是F4在鎖塊與上部抗磨環之間產生的摩擦力。F2、F3、F4是連接器密封鋼圈回彈而產生的力。鎖塊的重力與這些力相比非常小，忽略不計。

圖7 鎖塊在鎖緊環解鎖后的受力分析Fig.7 Force analysis of the latch segment after unlocking the locking ring

在鎖緊環解鎖的初期，F1消失，鎖塊靜止時的受力平衡被打破。F2水平方向上的分力會推動鎖塊解鎖，而其垂直分力則使鎖塊壓緊在下部抗磨環上的同時，還會使其存在旋轉的趨勢，這樣就導致F4的產生。而運動或運動趨勢的產生，必然導致各個受力面摩擦力F2摩、F3摩、F4摩的產生。

在正常情況下，鎖塊在F2水平方向上的分力的作用下外移，F2減小，其它力也隨之減小。此時，即使鎖塊之間的彈簧（鎖塊間彈簧的彈力相對于巨大的鎖緊力和解鎖力相比是微不足道的，因此它們的主要作用是將鎖塊均勻保持在連接器的圓周腔體內）不能讓鎖塊徹底與井口頭脫離，但當使用過提力將連接器和井口頭分開時，過提力會額外增加F2，從而使連接器鎖塊徹底解鎖。

3.2 鎖塊解鎖故障原因

通徑18-3/4″、額定工作壓力15 000 psi 的連接器在按照額定工作壓力試壓時，其軸向受到的液壓力為：

π×(18.75/2)2×15 000≈4 142(千磅)≈1 880(噸)

該力最終施加在鎖塊與井口頭的嚙合面上，對嚙合面產生巨大影響，不但會將嚙合面之間的潤滑油擠出，而且會使嚙合面上的凸點、坑蝕等缺陷相互嵌入或咬合，再加上嚙合面上可能存在的雜質影響，導致嚙合面之間的摩擦系數大幅增加，進而導致鎖塊在鎖緊環解鎖后F2摩大幅增大。

F2垂直向下的分力和F2摩使鎖塊產生傾倒趨勢，這樣，F3和F3摩的位置中心必然向右偏移，并局部集中，并且還導致F4和F4摩這兩個力的產生。F3、F4同樣會將受力面之間的潤滑油擠出，并使受力面上的凸點、坑蝕等缺陷相互嵌入或咬合，導致受力面之間的摩擦系數大幅增加，進而導致對應的F3摩、F4摩大幅增加。圖8 和圖9 是實拍的鎖塊，從圖9 可以看出，鎖塊比原理圖中顯示的明顯狹窄很多，很容易產生傾倒。 其鎖塊底部內圈的明顯磨亮區是F3作用部位的最好證明。

圖8 檢修中的H-4 連接器Fig.8 H-4 connector in overhaul

圖9 底部朝上的鎖塊Fig.9 Latch segment facing upwards at the bottom

當F2在水平方向上的分力不足以克服F2摩、F3摩和F4摩在水平方向上的合力時，就出現了鎖塊不能解鎖的故障現象，這就是鎖塊不能解鎖的根本原因。

4 處理H-4 連接器故障中的現象解析

4.1 為什么H-4 連接器解鎖故障基本都是鎖塊解鎖故障，而非鎖緊環解鎖故障

在1.2.1 章節中已經闡明，鎖緊環的解鎖是依靠液缸來實現的。H-4 連接器中的10 個或12 個相同的液缸被間隔平均分為兩組，一組稱為主（primary）液缸，另一組稱為輔（secondary）液缸。在實際使用中，會分為兩種情況：（1）連接器的主、輔液缸同時參與鎖緊和解鎖；（2）只用主液缸鎖緊，而主、輔液缸同時參與解鎖。

由于鎖緊時液壓進入的是液缸的有桿腔，而解鎖時液壓進入的是液缸的無桿腔，兩者的液壓作用面積存在差異，因此在同樣的操作壓力下，液壓的解鎖力總是大于鎖緊力。根據GE VETCO GRAY 對連接器的介紹，該公司所有型號的H-4 連接器的液缸在同樣壓力下，解鎖力是鎖緊力的1.25 倍。那么，H-4 連接器按照第一種情況使用時，解鎖力是鎖緊力的1.25 倍，而按照第二種情況使用時，解鎖力則是鎖緊力的2.5 倍。因此通常不會發生鎖緊環解鎖故障，即使出現，通過調高解鎖壓力，問題一般都會得到解決。

4.2 為什么通過過提、內部打壓和千斤頂都未能使鎖塊解鎖故障消除

根據鎖塊在鎖緊環解鎖后的受力分析（圖7），不管是過提、內部打壓（典型案例1 最初采取的辦法），還是使用千斤頂（典型案例2 最初采取的辦法），都只能是使F2增大，然而，由于其它力和F2都是正比關系，都會隨著F2的增大而同比增大，那么不管F2增加多少，該力在水平方向上的分力仍然不足以克服同樣增大的F2摩、F3摩和F4摩在水平方向上的合力，所以仍不能使鎖塊解鎖。并且，更大的F2和F2摩使鎖塊的傾倒更甚，導致鎖塊“卡”得更緊。這就是為什么通過過提、打壓和千斤頂都不能使連接器鎖塊解鎖故障消除的原因。

4.3 為什么撞擊或搖動能使鎖塊解鎖

在典型案例1 中，在井口是靠鉆桿的撞擊實現解鎖，而修理后在試壓樁是靠氣絞車搖動防噴器實現解鎖；在典型案例2 中是靠試壓鉆桿的落體撞擊來實現解鎖。

根據前面的分析，鎖塊不能解鎖是因為解鎖分力小于與其相對的摩擦合力。但是解鎖分力是穩定持續存在的，而阻滯解鎖的摩擦力是不穩定的，當撞擊或搖動時，摩擦副會受到影響而產生相對蠕動，解鎖力就會在鎖塊摩擦副產生蠕動的時候，推動鎖塊解鎖。這也是震動環境中的緊固螺栓要采取防松措施的原因。

處理連接器鎖塊故障時，當撞擊或搖動的力較小時，鎖塊會逐漸解鎖，如案例1；當撞擊或搖動的力較大時，就像扣動了扳機一樣，立即解鎖，如案例2。

對于案例2，估算試壓鉆桿對試壓樁的撞擊力。試壓鉆桿的質量約為360 kg，鉆桿底部離試壓樁頂面的高度約為0.5 m。因為試壓樁與防噴器鎖緊成一體，合計質量在125 t 左右，比試壓鉆桿的質量大得多，接觸時間又非常短，因此，可以認為試壓鉆桿對試壓樁的撞擊讓其產生向下的速度為零。另外，為了簡化計算，假定試壓鉆桿撞擊試壓樁后沒有彈起。

按照能量守恒定律，自由落體勢能轉化為動能，求出鉆桿接觸試壓樁時的速度：

按照動量守恒定律，動量轉化為沖量，求出鉆桿對試壓樁的撞擊力：

式中t是試壓鉆桿撞擊試壓樁時的持續時間，這個時間很短，一般只有百分之幾秒或千分之幾秒[5]。假定試壓鉆桿撞擊試壓樁的持續時間在0.005～0.05 s 之間，那么，試壓鉆桿對試壓樁造成的撞擊力為：

可以看出：試壓鉆桿對試壓樁的撞擊力是非常大的。

如果在這里將試壓鉆桿換成12 磅的榔頭，那么產生的敲擊力為：F≈12×0.454×3.1/(0.05～0.005)≈3.4～0.34(t)。使用榔頭時，由于人為加力，榔頭在敲擊的一瞬間，速度大于半米自由落體的速度是很容易達到的。因此，通過這一簡單的計算，得出一個實用的結論：用12 磅的榔頭敲出1 噸的力是很容易實現的。這也是為什么使用加力桿也不能擰開的螺絲，用錘擊扳手很容易就敲開的原因。

5 結束語

5.1 H-4 連接器解鎖故障應對方法

（1）使用外力，對連接器鎖塊部位進行擾動

在兩個典型案例中，均采用對鎖塊進行有效擾動才使問題得到解決的。

（2）卸松頂蓋螺栓

H-4 型連接器的主體是由頂蓋和下本體通過螺栓連接在一起的（圖2），當連接器解鎖故障發生在地面時，如果連接器的頂蓋螺栓沒有被防噴器組的框架阻礙，那么可以通過卸松頂蓋螺栓來消除故障。當卸松頂蓋螺栓后，頂蓋和下本體分開，安裝在下本體上的下部防磨環對鎖塊的支撐力消除，其它力隨之消失，造成鎖塊解鎖故障的各種因素消除，鎖塊解鎖故障自然而然就消除。

5.2 H-4 連接器解鎖故障應對建議

對于H-4 連接器在固定試壓樁出現解鎖故障時，由于試壓樁是與鉆井平臺甲板固定在一起的，如果直接采用典型案例2 中的沖擊措施，沖擊對鎖塊部位的擾動作用被大幅降低，可能起不到立竿見影的效果。但如果用桁車將防噴器組過提一定噸位，再采用這種方法，應該會得到良好的效果。

對于連接器在井口出現解鎖故障時，使用典型案例2 中的沖擊法應該也是一種選擇：將鉆具應急懸掛器底部懸掛一定的鉆具，下到井口上部，保持鉆具應急懸掛器在防噴器下閘板上部時，關閉下閘板，讓鉆具應急懸掛器懸掛在閘板上，然后退扣，起出上部鉆具。而后對防噴器組過提20～30 t，打開下閘板，讓懸掛器落下，對井口進行沖擊，效果應該比案例1 中最終采取的方法——使用鉆具直接撞擊要好得多。懸掛器下懸掛的鉆具重量應根據實際情況和物體在水中下落的相關知識進行粗略計算。

5.3 H-4 連接器解鎖故障預防措施

（1）盡量減少摩擦副之間的摩擦力

①降低摩擦面的粗糙度。如用砂紙或拋光機，對鎖塊、H-4 連接頭鎖緊槽、上下抗磨環等相關摩擦面上存在的凸點、坑蝕、劃痕等缺陷進行磨光處理。根據3.1 的分析，下部抗磨環是鎖塊的主要承力部位，因此應給予更高的關注度。如果鎖塊、上下抗磨環缺陷很嚴重，應予以更換。鎖塊更換時，應成套更換，并按照鎖塊上的編號順序對應安裝。②確保摩擦副之間保持良好的潤滑和防腐。③按照使用手冊的要求進行正確保養。

（2）確保各鎖塊頂面與上部抗磨環之間的間隙在廠家要求的范圍標準之內

如果鎖塊與上部抗磨環之間的間隙偏小，銹蝕或細微的外來雜質都會對鎖塊的運動產生很大的阻力。如果鎖塊與上部抗磨環之間的間隙偏大，鎖塊在解鎖的過程中，更容易出現傾倒卡死現象，因此控制上下抗磨環之間的間隙在合理的范圍內就非常重要。