油井管靜水壓試驗機故障分析

牛文錄，黃秋生，張利國，劉金榮，張永軍，胡三恩，劉亞峰，單來民

（1.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730070；2.中石化西南油氣分公司，成都 610081；3.吐哈油田公司機械廠，新疆哈密 839009；4.中石油塔里木油田公司，新疆庫爾勒 841000）

油井管靜水壓試驗機是檢驗油井管產(chǎn)品質(zhì)量的重要設(shè)備之一。SY／T 6194—2003《石油天然氣工業(yè)油氣井套管或油管用鋼管》［1］和API Spec 5CT《油管和套管》［2］規(guī)范要求油井管入井前應(yīng)進(jìn)行靜水壓試驗，不得有滲漏現(xiàn)象，保壓時間應(yīng)在5～30s。規(guī)范中還規(guī)定了不同鋼級和品種的油井管，必須能承受相應(yīng)等級的壓力。水壓試驗機正是為檢驗油井管的耐壓能力以及接箍與管體連接螺紋的密封性而設(shè)計制造的，也是影響管加工線生產(chǎn)率的關(guān)鍵設(shè)備。如果靜水壓試驗機發(fā)生故障，就會影響正常生產(chǎn)。本文就常見的故障進(jìn)行了分析，供同行及使用者參考。

1 結(jié)構(gòu)組成

1.1 機械系統(tǒng)

由主機和輔機2部分組成。主機由灌注密封移動系統(tǒng)、接箍擋卡裝置、排氣密封移動系統(tǒng)、夾緊裝置、接送料裝置及機架模塊組成；輔機主要包括：進(jìn)出料臺架、對齊測長、旋轉(zhuǎn)沖洗、送料裝置和箜水裝置等。

1.2 液壓氣動系統(tǒng)

主要包括：液壓泵站、各種液壓閥件、液壓氣動執(zhí)行元件、管路及附件、冷卻系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)。

1.3 水路系統(tǒng)

主要包括：增壓缸、高壓水閥、儲水罐、灌注水泵、閘閥、氣控閥等氣動元件、管路及附件。

1.4 電器、信號檢測元件

主要包括：MCC柜、PLC 柜、操作臺、壓力傳感器、壓力繼電器、感應(yīng)開關(guān)、變頻器等。

1.5 自動化控制系統(tǒng)

由下位機與上位機組成：下位機采用可編程序控制器（PLC）；上位機采用工業(yè)控制計算機。該系統(tǒng)配置必要的附件，例如通信設(shè)備接口、打印機等，實現(xiàn)油井管靜水壓試驗機全自動智能化運行。PLC在現(xiàn)場進(jìn)行控制；上位機進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)管理和打印。整個系統(tǒng)以可編程序控制器為核心，實現(xiàn)自動化控制［3］。

2 工藝流程

油井管靜水壓試驗機的試壓工藝過程為：進(jìn)料架進(jìn)料→油井管對齊→油井管測長→油井管旋轉(zhuǎn)沖洗→主機起升裝置將油井管放到試壓中心→夾緊裝置將油井管夾緊→定尺寸移動機構(gòu)將灌注密封裝置推進(jìn)到規(guī)定的位置→主液壓缸將排氣密封裝置推進(jìn)到規(guī)定的位置→予密封加壓→灌水、排氣→加壓→保壓→卸壓→密封裝置退回→夾緊裝置松開→出料→箜水→吹氣掃水→出料架出料［4－5］。

3 故障分析及排除

因為主機和輔機的動作是疊加在一起同時工作的，即對齊進(jìn)料、主機進(jìn)料與箜水是同時開始工作的，所以如果將1根管子從進(jìn)入水壓機主機→開始試壓→從水壓機主機出料為止，稱為1個循環(huán)周期（也就是每個管子在主機試壓的整個工藝過程），那么每個循環(huán)周期將包含20多個連續(xù)或疊加的動作。在這個過程中，設(shè)備的各受力部件所承受的載荷將從零逐漸增加，直到達(dá)到設(shè)定壓力，保持6～30s之后卸壓為零，因而所受應(yīng)力也由零迅速增加到某一最大值又迅速減小為零。由此可見：在每個循環(huán)周期，設(shè)備所承受的載荷為變載荷，設(shè)備在連續(xù)運轉(zhuǎn)的過程中，將承受周期性變化的載荷，在交變載荷作用下，雖然應(yīng)力低于屈服極限，但長期反復(fù)之后，構(gòu)件也會突然損壞［6］。同時，油井管靜水壓試驗機在試壓過程中，油井管與各接觸部件相互撞擊，產(chǎn)生了很大的機械振動與噪聲，更為嚴(yán)重的是液壓系統(tǒng)動作較多，換向頻繁。換向時，閥口突然關(guān)閉、動作突然停止，由于流動液體流量與速度的變化形成了壓力脈動以及運動部件慣性的作用，使系統(tǒng)內(nèi)瞬時形成很高的峰值壓力，引起系統(tǒng)壓力波動、沖擊振動、噪聲都很大。近年來，系統(tǒng)控制采用插裝閥，液壓元件長期處在大的交變載荷作用之下，各元件的疲勞損壞無法避免，由此而引起元件壽命短、管接頭松動、油管經(jīng)常破損、振動劇烈、噪聲大以及泵等破損而引起的系統(tǒng)油污染、水污染等一系列問題。

如上所述，由于水壓機本身的工作特點以及工藝過程非常復(fù)雜，因而導(dǎo)致其在使用過程中暴露出一系列的問題。在這些故障中，絕大多數(shù)都是外圍檢測元器件及機械、液壓執(zhí)行元件（如各種閥件）、各聯(lián)接件（如油管、電纜等）的故障。有的故障很明顯，一看便知，只是解決起來費時。有的故障可通過監(jiān)控PLC程序，判斷由于哪個信號不到位引起的故障，當(dāng)然要判斷此類故障需要有PLC程序方面的知識，現(xiàn)場排除設(shè)備故障也容易。但是對于液壓和水路系統(tǒng)發(fā)生綜合性故障時，例如閥件內(nèi)泄等，故障的診斷和排除帶有非常大的技術(shù)難度，要根據(jù)故障的表象與試壓的工藝過程綜合考慮，才能確定故障的真正原因，需要為此耗費大量的人力、財力和生產(chǎn)時間。

3.1 予密封壓力問題

3.1.1 予密封壓力加不上

1）控制予密封加壓的電磁閥閥芯卡死、線圈燒毀或中間繼電器壞（增壓油缸電磁閥吸合，但增壓油缸不動作）。

2）控制予密封加壓的液控單向閥閥桿卡死或彈簧座松動，液控單向閥無法打開。

3）控制管體加壓的液控單向閥閥桿卡死而不能復(fù)位，致使高壓水流入管體。

4）密封卸壓閥閥桿卡死而不能復(fù)位（關(guān)閉）、閥密封面點蝕或密封面間有雜物，不能密封而使高壓水（大流量）泄漏。

5）梭閥泄漏（大流量），高壓水流入管體。

6）控制增壓油缸的電磁閥（或電液閥）閥芯卡死、線圈燒毀或中間繼電器壞。

7）控制增壓油缸灌注水閥的電磁閥閥芯卡死、線圈燒毀或中間繼電器壞而使增壓油缸水腔未注滿低壓水等。

3.1.2 予密封壓力保持不住

1）梭閥泄漏（小流量），高壓水流入管體。

2）密封保壓單向閥密封面點蝕或密封面間有雜物不能密封而使高壓水泄漏。

3）密封卸壓閥閥桿卡死而不能復(fù)位（關(guān)閉）、閥密封面點蝕或密封面間有雜物不能密封而使高壓水泄漏。

4）水壓密封圈損壞外圈翻邊或密封裝置內(nèi)部密封件損壞（這種情況下密封壓力加到設(shè)定值后，立刻降為零壓）。

3.2 管體壓力問題

3.2.1 管體壓力加不上

1）水罐（或水箱）中無水。水罐（或水箱）中液位控制器失靈，致使水罐（或水箱）內(nèi)水用完后沒有及時補充，灌注時管體內(nèi)沒有充滿低壓水。應(yīng)檢查或更換液位控制器，在水罐（或水箱）中充滿低壓水。

2）灌注時間太短。各品種管體的容積大小不等，因此在試驗不同品種油井管時，應(yīng)按管徑大小調(diào)整灌注時間，使管內(nèi)低壓水灌注充分。

3）排氣閥有大流量泄漏。原因有2個：①排氣閥在試壓過程中，起2個作用，一個是在灌注期間將管體內(nèi)的空氣徹底排出管體之外，另外一個是在保壓結(jié)束后，打開閥將管體內(nèi)的超高壓水排出管體卸壓。因在加壓、保壓期間，閥桿端面一直受高壓水的壓力，即閥桿軸向一直受水壓力的作用，在開閥瞬時，另一端面受液壓力的作用，致使閥桿兩端受力而成壓桿，在連續(xù)不斷的試壓過程中，閥桿受壓發(fā)生了微彎曲變形，使閥座和閥芯配合面之間有縫隙而不能緊密配合產(chǎn)生泄漏，應(yīng)修正或更換閥桿；②由于試壓水發(fā)生污染，水中混有鐵削和其他雜物，在關(guān)閥的瞬間，未流走的雜物被夾在了閥座和閥芯配合密封面之間產(chǎn)生泄漏，這種情況下應(yīng)復(fù)位后，手動將油井管推入兩端密封裝置之內(nèi)，打開灌注閥，再將排氣閥開關(guān)幾次可沖掉雜物，如果還不行，就拆卸排氣閥徹底清理雜物。

4）密封壓力未保住，與3.1.2的情況相同。

5）灌注閥有泄漏。閥桿彎曲變形或閥密封面上有雜物，與3.1.2的第3條相同。

6）梭閥泄漏返到密封管路，壓力超過予密封管路保護(hù)壓力設(shè)定值而執(zhí)行復(fù)位動作，應(yīng)清理、修磨或更換閥芯及更換密封件。

7）控制管體加壓的電磁閥不工作（增壓缸頂不動）。

3.2.2 管體壓力保不住

1）灌注閥、排氣閥、管體保壓的單向閥有小流量泄漏。由于連續(xù)不斷的開關(guān)閥，閥座和閥芯配合密封面相互撞擊頻繁以及試壓水發(fā)生污染，使得配合密封面產(chǎn)生點蝕、銹蝕而形成微小溝槽，使超高壓水外泄，應(yīng)對閥座和閥芯密封面進(jìn)行配合修磨或更換閥座、閥芯。

2）主液壓缸后退。主液壓缸作為油井管靜水壓試驗機的一個關(guān)鍵部件，它有2個作用：①補償油井管長度差引起的空間，以便使兩頭密封裝置將油井管頂緊；②承受高壓水所產(chǎn)生的軸向推力。主液壓缸系統(tǒng)由1個主缸、2個副缸、高置灌注油箱、充液閥、補壓油泵、回抽油泵及其控制系統(tǒng)構(gòu)成。主液壓缸向前運動時副缸推動主缸向前運動，同時充液閥打開，高置灌注油箱里的液壓油將被灌注到主缸里面。主液壓缸向后運動時，副缸拉動主缸向后運動，充液閥打開，主缸里的液壓油將回到高置灌注油箱里。經(jīng)過分析主液壓缸后退主要有以下4個原因：①充液閥本身關(guān)閉不嚴(yán)，水壓機長期使用后，因充液閥頻繁開關(guān)或液壓系統(tǒng)不潔凈造成閥錐面密封性能下降，最終導(dǎo)致在水壓上升時因充液閥泄漏造成主液缸后退；②比例閥失效，由于液壓系統(tǒng)不潔凈造成比例閥堵塞或比例放大器燒壞而不能跟隨水壓調(diào)節(jié)油壓，造成水壓大于主液壓缸油壓，從而引起主液缸后退；③主液壓缸的密封性能降低，主液壓缸由于長時間使用其密封失效造成泄漏現(xiàn)象，造成水壓上升時主液缸后退；④比例閥的響應(yīng)速度跟不上水壓上升速度時，會造成主液缸在水壓上升時緩慢后退。要解決此問題，對比例閥響應(yīng)時間選擇上應(yīng)盡量使其適應(yīng)水壓快速上升的要求。另外，可以在控制策略上選擇更先進(jìn)的控制方法。

3.3 水壓密封圈頻繁損壞

1）如3.2.2的第2條所述，加壓時主液壓缸后退，會造成排氣端密封裝置水壓密封圈異常損壞，應(yīng)解決主液壓缸后退。

2）移動式接箍擋卡裝置長時間使用，擋頭變形，固定式接箍擋卡裝置擋頭位置不變，但由于接箍長度有1～3mm的誤差，二者均與油井管接箍端面接觸不良［7］，在升壓和保壓過程中，油井管受水壓強烈壓迫產(chǎn)生軸向彈性壓縮變形，接箍與水壓密封圈有相對位移，在摩擦力的作用下，會造成接箍端密封裝置水壓密封圈異常損壞，應(yīng)修整或更換接箍擋頭。

3.4 油井管在試壓過程失穩(wěn)［7］

油井管在升壓和保壓過程某一時間內(nèi)，由于所受的軸向壓力大于其臨界壓力，使其不能保持原有直線平衡狀態(tài)而突然彎曲失穩(wěn)。應(yīng)配置接箍擋卡裝置，其作用是在油井管進(jìn)行試壓時，用它頂住接箍外端面，將接箍所受軸向壓力傳給擋卡裝置，再由擋卡裝置傳給機架承受載荷，以保證管體不失穩(wěn)。

4 結(jié)語

油井管靜水壓試驗機是集機械、液壓、電氣及自動化控制等多方面為一體的復(fù)雜系統(tǒng)，有非常多的故障發(fā)生。設(shè)計者應(yīng)盡可能充分考慮影響設(shè)備運轉(zhuǎn)可靠性、連續(xù)性、穩(wěn)定性的諸多因素，例如對于受力部件強度設(shè)計以疲勞極限為設(shè)計依據(jù)，液壓系統(tǒng)考慮減小振動、噪聲等。使用維護(hù)者應(yīng)潛心掌握設(shè)備工作原理及工藝過程，認(rèn)真分析生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的各種故障，總結(jié)引起故障的原因，不斷積累故障排除的經(jīng)驗，及時精心做好設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)，是完全可以使用好這類設(shè)備的。

［1］SY／T 6194－2003，石油天然氣工業(yè)油氣井套管或油管用鋼管［S］.

［2］API Spec 5CT，油管和套管［S］.3版，1990.

［3］張利國，董梅，李秀全.基于PLC的鋼管靜水壓試驗機控制系統(tǒng)［J］.甘肅科技，2009，25（18）：44－46.

［4］李如東，孫文平，全副.石油套管水壓試驗裝置［J］.石油機械，1987，15（3）：45－49.

［5］李偉，張利國，牛文錄，等.全自動石油油管（套管）靜水壓試驗裝置的改進(jìn)［J］.石油礦場機械，2001，30（1）：16－18.

［6］劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1994.

［7］牛文錄，劉金榮，郭慶平，等.油井管在靜水壓試驗過程中的失穩(wěn)控制［J］.石油礦場機械，2012，41（5）：89－90.